35kV光伏接入線路單相接地保護(hù)方案

邢志宏 張明 王春筍 杜新春 邢澤龍 張彩輝 董于琛

（1． 國網(wǎng)榆林供電公司 2． 國網(wǎng)西咸新區(qū)供電公司 3． 北京清源繼保科技有限公司）

0 引言

為了滿足新能源消納的需求，裝機(jī)規(guī)模在30MW及以下的新能源并入35kV及以下的電網(wǎng)。榆林電網(wǎng)現(xiàn)有10條35kV光伏上網(wǎng)線路。光伏電站采用箱變升壓至35kV，然后通過35kV集電線接至35kV母線，最后通過35kV上網(wǎng)線路與系統(tǒng)相連。光伏線路接入前，榆林電網(wǎng)對電容電流不超過10A的 35kV系統(tǒng)普遍采用中性點(diǎn)不接地方式。一旦電容電流超過10A，則接地電弧不易自熄，易產(chǎn)生較高弧光間歇接地過電壓，波及整個(gè)電網(wǎng)安全，因此對該類系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式[1,2]。

另一方面，光伏電站接入中性點(diǎn)非有效接地的35kV電網(wǎng)時(shí)，為了滿足新能源發(fā)電站具備快速切除站內(nèi)匯集系統(tǒng)單相接地故障的要求，部分光伏發(fā)電站在匯集站35kV母線處加裝了中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的接地變壓器。光伏電站接入后，原來的中性點(diǎn)非有效接地的35kV配電網(wǎng)變?yōu)榱酥行渣c(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng)。

分布式光伏接入后，35kV配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式由原來的非有效接地變?yōu)榱酥行渣c(diǎn)經(jīng)電阻接地。未接入前，35kV配電線路單相接地故障不構(gòu)成短路回路，電流保護(hù)不能快速動(dòng)作隔離。光伏電站接入后，35kV接入線路單相接地故障構(gòu)成了短路回路，電流增大。雖然光伏電站過電流幅值有限，但采用靈敏接地零序電流保護(hù)可滿足快速動(dòng)作要求。如果系統(tǒng)側(cè)和光伏電站側(cè)的電流保護(hù)都能動(dòng)作，則故障可以可靠隔離。但在光伏電站接入的系統(tǒng)中，一旦光伏側(cè)首先跳開，則系統(tǒng)側(cè)恢復(fù)為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，測量點(diǎn)檢測電流降低，電流保護(hù)復(fù)歸，故障不能被隔離。因此有必要研究分布式光伏接入線路上發(fā)生單相接地故障后，光伏電站側(cè)首先斷開后系統(tǒng)側(cè)如何可靠隔離故障的問題。

本文借鑒無通道保護(hù)的思想[3]，提出了35kV光伏接入線路單相接地保護(hù)方案。光伏接入線路發(fā)生單相接地故障后，由于光伏電站側(cè)采用電阻接地，則線路系統(tǒng)側(cè)和光伏側(cè)同時(shí)檢測到過電流，電流保護(hù)同時(shí)啟動(dòng)。如果系統(tǒng)側(cè)保護(hù)先動(dòng)作，則光伏側(cè)依然檢測到過電流，繼續(xù)滿足動(dòng)作條件；如果光伏側(cè)先動(dòng)作，則系統(tǒng)側(cè)過電流消失，不再滿足電流保護(hù)動(dòng)作條件，但是由于接地點(diǎn)存在，電壓不平衡，并能檢測到對端動(dòng)作后健全相電流的變化。

本文首先分析了35kV光伏接入線路上發(fā)生單相接地故障特征，接著提出了光伏電站側(cè)基于過電流保護(hù)動(dòng)作，系統(tǒng)側(cè)基于對側(cè)斷路器動(dòng)作引起的二次擾動(dòng)信息的保護(hù)方案，最后總結(jié)了全文。

1 基本原理

正常運(yùn)行的35kV線路如圖1所示。220kV變電站變壓器低壓側(cè)有一條35kV線路出線。為保證供電可靠性，變壓器35kV側(cè)采用中性點(diǎn)不接地。單相接地故障情況下，35kV側(cè)可不中斷對負(fù)荷的供電，繼續(xù)運(yùn)行。35kV出線端配置過電流保護(hù)，線路上發(fā)生相間短路時(shí)，快速隔離故障。

接入10MW的光伏電源后的線路如圖2所示。光伏電源經(jīng)匯流線接入35kV/0.4kV升壓變，接入35kV線路與電網(wǎng)相連。為保證光伏側(cè)發(fā)生單相接地故障后，光伏電源能可靠與系統(tǒng)隔離，光伏側(cè)的升壓變壓器采用Y接，中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地。

光伏側(cè)相當(dāng)于輸出功率可變的電源。針對圖2所示的35kV配電線路，可等效如圖3所示。

在不同的運(yùn)行方式下，系統(tǒng)側(cè)和光伏側(cè)的等效內(nèi)阻抗不同，但系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變。當(dāng)在線路上發(fā)生單相接地故障后，系統(tǒng)中的三序網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

其中，Zm1和Zm2分別為故障點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)等效電源的正序和負(fù)序阻抗；ZLm1和ZLm2分別為故障點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)線路正序和負(fù)序阻抗；Zn1和Zn2分別為故障點(diǎn)光伏電站側(cè)等效電源的正序和負(fù)序阻抗；ZLn1、ZLn2和ZLn0分別為故障點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)線路正序、負(fù)序和和零序阻抗；Zn0為35kV系統(tǒng)的零序阻抗。

當(dāng)35kV光伏接入線路MN上F點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，以故障相為相序變換的基準(zhǔn)相，求解故障點(diǎn)電氣量的系統(tǒng)三序網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。

其中，IF1、IF2和IF0分別為故障點(diǎn)故障支路上的正序、負(fù)序和零序電流；Zm1和Zm2分別為故障點(diǎn)系統(tǒng)側(cè)的等效正序和負(fù)序阻抗；Zn1、Zn2和Zn0分別為故障點(diǎn)光伏電站側(cè)的等效正序、負(fù)序和零序阻抗；Smn1為故障網(wǎng)絡(luò)等效正序電壓源。

由圖5可得故障點(diǎn)的三序電流為：

式中，Emn1為故障網(wǎng)絡(luò)等效正序電壓。

根據(jù)三序網(wǎng)絡(luò)中的電流分配系數(shù)，可分別得線路系統(tǒng)側(cè)M端和光伏電站側(cè)N端的三序電流為：

由式（2）和式（3）可得：線路單相接地后，光伏側(cè)零序電流顯著增加，而系統(tǒng)側(cè)零序電流依然為0。

2 保護(hù)方案

2.1 光伏側(cè)零序電流保護(hù)

式中，I0為實(shí)時(shí)檢測的零序電流；I0set為零序電流整定值，用于躲過正常運(yùn)行時(shí)的零序電流。由于正常運(yùn)行時(shí)零序電流很小，因此光伏側(cè)的零序電流保護(hù)可以整定的很零序。

2.2 系統(tǒng)側(cè)相單相接地保護(hù)

單相接地發(fā)生后，系統(tǒng)側(cè)檢測到接地相電壓降低，電流增大。如果光伏側(cè)保護(hù)先動(dòng)作后，則系統(tǒng)側(cè)電流降低，非接地相電壓升高。構(gòu)造系統(tǒng)側(cè)單相接地保護(hù)如下：

式中，實(shí)時(shí)檢測的相電壓的變化量，只要三相電壓中的任一相電流滿足即可；實(shí)時(shí)檢測的相電流的變化量，只要三相電流中的任一相電流滿足即可；且電壓與電流的判據(jù)中不能為同一相。

3 結(jié)束語

本文針對我國目前大量存在的光伏電站接入中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)配電線路上發(fā)生的單相接地故障問題，提出了一種基于光伏側(cè)零序電流和系統(tǒng)側(cè)感知的二次擾動(dòng)信息的保護(hù)方案。其主要特點(diǎn)在于：光伏接入線路單相接地故障能從故障線路的系統(tǒng)側(cè)和光伏電站兩側(cè)切除，保證了故障切除的可靠性，避免了系統(tǒng)側(cè)持續(xù)單相接地威脅設(shè)備和人身安全的風(fēng)險(xiǎn)。