光伏電站中集電線路保護定值整定計算的探討

顧星星，潘林俐

(1. 華電江蘇能源有限公司新能源分公司，南京 210000；2. 重通成飛風電設備江蘇有限公司，南通 226000)

0 引言

隨著電網中光伏電力容量的增加，其對電網運行造成的影響也越來越突出。由于光伏電站具有特殊的接線方式、運行方式和運行環境，因此研究光伏電站的保護配置與整定計算，對光伏電站的穩定運行及故障切除等方面具有重要意義。本文根據江蘇某110 kV光伏電站中集電線路保護定值的整定計算實例，研究了光伏電站中集電線路保護配置方案與整定計算原則。

1 江蘇某光伏電站概述

江蘇某110 kV光伏電站的裝機容量為73.5 MW，包含98臺0.75 MW的光伏逆變器，逆變器的出口電壓為315 V。該光伏電站通過6條集電線路匯集到35 kV母線，然后經光伏電站主變壓器將電壓升高到110 kV。該光伏電站的一次主接線示意圖如圖1所示。

1.1 系統參數

該光伏電站的110 kV母線等效阻抗值如表1所示。

表1 110 kV母線等效阻抗表Table 1 Equivalent impedance of 110 kV busbar

選擇100 MVA作為基準容量，則各電壓等級下的計算基準值如表2所示。其中，Ijs為各電壓等級短路電流計算的基準值；Zjs為各電壓等級阻抗計算的基準值。

表2 光伏電站各電壓等級下的計算基準值表Table 2 Calculating reference value under each voltage grade of PV power station

1.2 主設備參數

該光伏電站升壓站共安裝2臺50 MVA兩卷主變壓器(帶平衡線圈)。1#主變壓器110 kV側為直接接地方式，35 kV側為經小電阻接地方式；2#主變壓器110 kV側為經放電間隙接地方式，35 kV側為經小電阻接地方式。35 kV系統單母線分段接線形式，線路共計6回，通過110 kV單母線送至電網。各主設備的具體規格參數如表3～表5所示。

表3 110 kV主變壓器的規格參數表Table 3 Specifications and parameters of 110 kV main transformer

要進行集電線路保護定值的整定計算，必須要掌握各主設備的等效阻抗、不同短路故障點的短路電流。下文對此進行具體計算分析。

表4 35 kV箱式變壓器的規格參數表Table 4 Specifications and parameters of 35 kV box transformer

表5 35 kV集電線路 A的規格參數表Table 5 Specifications and parameters of 35 kV collecting power line

2 主設備的等效阻抗計算

2.1 1#/2#110 kV主變壓器的阻抗標幺值

選取系統容量SB為100 MVA，計算1#/2#110 kV主變壓器的阻抗標幺值。

式中，U110、U35、U10.5分別為主變壓器110 kV側、35 kV側、10 kV側的短路電壓；分別為主變壓器110 kV側、35 kV側、10 kV側的等效阻抗；SN為各個設備的額定容量，取值參照表3～表5。

2.2 35 kV箱式變壓器的阻抗標幺值

計算35 kV箱式變壓器的阻抗標幺值。

式中，U1-2為高壓繞組與總低壓繞組間的短路 電 壓；U2′-2′′為分 裂 繞組 間 的短 路電 壓；U2′、U2′′分別為雙繞組變壓器低壓側分裂繞組的等效電壓；U1為雙繞組變壓器高壓側的等效電壓；為雙繞組變壓器高壓側的等效阻抗；均為雙繞組變壓器低壓側的等效阻抗。

2.3 35 kV集電線路A的阻抗標幺值

計算35 kV集電線路A的阻抗標幺值。其中，XR為集電線路A電纜線路每km的電阻值，XR=0.319×1.46=0.466；XL為集電線路A電纜線路每km的電抗值，XL=0.078×1.46=0.114。

式中，為集電線路A的阻抗標幺值的電阻部分；為集電線路A的阻抗標幺值的電抗部分；Z*為集電線路A的阻抗標幺值；Uav為系統平均電壓。

3 短路電流的計算

計算系統最小運行方式下的短路電流。根據表2，此時短路電流計算的基準值Ijs取1.560 kA。

1)K1點：35 kV母線最小兩相短路電流為：

式中，Z1∑.K1為K1點的總正序阻抗標幺值。

2)K2點：集電線路A最末端35 kV最小兩相短路電流為：

式中，Z1∑.K2為K2點的總正序阻抗標幺值。

3)K3點：集電線路A最末端箱式變壓器低壓側315 V處最小兩相短路電流折算到35 kV側)為：

式中，Z1∑.K3為K3點的總正序阻抗標幺值。

4 集電線路A保護定值的整定計算

前文已計算出各主設備的等效阻抗值，以及不同短路故障點的短路電流值，從而進行集電線路A的保護定值的整定計算。

4.1 集電線路A過流保護I段

根據GB/T 32900-2016《光伏發電站繼電保護技術規范》[1]，整定原則1為：按對本線路最末端相間故障有靈敏度進行整定，靈敏系數Ksen取1.5。

按整定原則1，集電線路A過流保護Ⅰ段的整定值Iop.1為：

式中，nTA為35 kV集電線路A的CT變比，根據表5，此處取300/5。

根據文獻[2]，整定原則2為：按躲過集電線路A最末端箱式變壓器低壓側故障的三相短路電流最大短路電流)整定，可靠系數Krel取1.2。

按整定原則2，集電線路A過流保護Ⅰ段的整定值Iop.1為：

針對整定原則2的結果進行靈敏度校驗：按系統最小運行方式下，箱式變壓器內部線圈1/2處兩相短路故障進行校核。此時的最小兩相短路電流為：

式中，Z1Σ為箱式變壓器內部線圈1/2處兩相短路時的總正序阻抗標幺值。

則Ksen為：

計算得到的Ksen=1.27，大于1.2，根據文獻[2]，該值基本符合要求。

文獻[2]指出，按整定原則1整定集電線路A過流保護Ⅰ段能夠保護線路全長，靈敏性較好，但選擇性較差，需重點考慮過流保護Ⅰ段和箱式變壓器保護之間的配合問題；按整定原則2整定集電線路A過流保護Ⅰ段，能基本保證集電線路A和箱式變壓器保護之間的選擇性關系，但需要考慮集電線路A過流保護Ⅰ段和箱式變壓器保護之間的時間配合關系，以確保保護的選擇性。

由于該光伏電站采用油浸式箱式變壓器，其瓦斯保護因高壓側開關需手動操作不能電動跳閘而失去非電量主保護功能。因此，另經短路電流計算，當35 kV箱式變壓器低壓側315 V處三相短路時，故障電流為44.52 kA；考慮非周期分量影響，故障0 s切除瞬間沖擊電流為111.3 kA，0 s切除瞬間的沖擊電流遠大于光伏專用萬能式空氣斷路器額定短時耐受電流50 kA，屬于安全隱患。因此，在該光伏電站35 kV集電線路保護定值的整定計算過程中，需考慮使其保護范圍盡可能覆蓋箱式變壓器，因此集電線路A過流保護Ⅰ段的整定值選擇按整定原則2進行整定。

綜上所述，集電線路A過流保護Ⅰ段整定后的動作值取7.58 A，動作時間取0 s，出口方式為跳閘。

4.2 集電線路A過流保護II段

根據GB/T 32900-2016《光伏發電站繼電保護技術規范》[1]，整定原則為：按躲過集電線路箱式變壓器投運過程中最大負荷電流Iloa.max進行整定，Iloa.max= 25.1×9=225.9 A，Krel取 1.15。

按此原則，集電線路A過流保護Ⅱ段的整定值Iop.2為：

靈敏度校驗：按系統最小運行方式下，箱式變壓器低壓側315 V處兩相短路故障進行校核。

計算得到的Ksen=1.23，根據GB/T 32900-2016《光伏發電站繼電保護技術規范》[1]，該值大于1.2，基本符合要求。

綜上所述，集電線路A過流保護Ⅱ段整定后的動作值取4.33 A，動作時間取0.3 s，出口方式為跳閘。

4.3 過負荷保護

根據GB/T 32900-2016《光伏發電站繼電保護技術規范》[1]，整定原則為：按躲過集電線路箱式變壓器投運過程中最大負荷電流Iloa.max進行整定，Iloa.max取225.9 A，Krel取1。

按此原則，過負荷保護的整定值Igfh為：

因此，過負荷保護整定后的動作值取3.77 A，動作時間取7 s，出口方式為發信號告警。

4.4 零序電流I段

根據GB/T 32900-2016《光伏發電站繼電保護技術規范》[1]，整定原則為：按對本線路末端單相接地故障有靈敏度，以Ksen≥2進行整定。

當集電線路A末端發生單相接地時，零序電流Ⅰ段的整定值為：

式中，為集電線路末端的零序總阻抗(標幺值)；為集電線路末端的正序總阻抗(標幺值)；R*為中性點接地電阻(標幺值)；(3I0)*為零序電流Ⅰ段的整定值(標幺值)；3I0為零序電流Ⅰ段的整定值一次值(有名值)；(3I0)op.1為零序電流Ⅰ段的整定值二次值(有名值)；nTA根據表5，此處取值為100/5。

由于35 kV集電線路A存在雷擊誤動隱患，因此零序電流Ⅰ段的動作時間取0.2 s。

綜上所述，零序電流Ⅰ段整定后的動作值取2.54 A，動作時間取0.2 s，出口方式為跳閘。

4.5 零序電流II段

根據GB/T 32900-2016《光伏發電站繼電保護技術規范》[1]，整定原則為：按可靠躲過本線路的自身電容電流進行整定，Krel取2。

電纜線路的零序電容電流Ic的計算式為：

式中，Ue為電力線路的額定電壓；L為電力線路的長度；nTA根據表5，此處取值為100/5。

綜上所述，零序電流Ⅱ段整定后的動作值取0.54 A，動作時間取0.5 s，出口方式為跳閘。

4.6 小結

通過上述整定計算的方法，對某光伏電站35 kV集電線路保護進行了整定計算，該光伏電站35 kV集電線路自投運以來，整定計算合理，繼電保護裝置未有任何不正確的拒動和誤動，其作為光伏電站的第一道防線，很好地保障了設備安全、穩定的運行。

5 結論

本文結合實例，對中低壓側為低電阻接地系統的光伏電站的集電線路保護定值的整定計算給出了相應的短路電流分析及集電線路保護定值整定計算原則。通過對并網光伏電站的集電線路繼電保護配置和整定計算進行探究，能夠有效保障光伏電站持續、安全、穩定地運行。