母差裝置電壓開放頻繁誤報(bào)警分析及消弧線圈容量設(shè)計(jì)優(yōu)化

李 慧，鐘泰軍，黃吏飛，吳 莎，康 慨

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430040）

關(guān)鍵字：母線差動(dòng)保護(hù)；零序電壓；消弧線圈補(bǔ)償特性；消弧線圈容量設(shè)計(jì)

0 引 言

中性點(diǎn)接地方式涉及電網(wǎng)的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)直接影響系統(tǒng)設(shè)備絕緣水平的選擇、過電壓水平、繼電保護(hù)方式以及通信干擾等[1]。目前，我國10～35 kV中壓系統(tǒng)多采用非有效接地方式，即不接地、消弧線圈接地以及高電阻接地[2]。其中，消弧線圈接地的狀態(tài)最為復(fù)雜。本文通過分析某新能源場(chǎng)站發(fā)生的35 kV母差保護(hù)反復(fù)開放報(bào)警事故，研究消弧線圈接地的幾種補(bǔ)償模式及其設(shè)計(jì)優(yōu)化措施。

1 事故概況

某35 kV光伏電站自投運(yùn)以來，持續(xù)出現(xiàn)35 kV母差電壓開放、故障錄波啟動(dòng)以及后臺(tái)畫面出現(xiàn)三相電壓不平衡等問題。

2 事故詳情與分析

2.1 主接線情況

該光伏電站的光伏發(fā)電容量為24 MWp，采用35 kV單母線接線方式，配置3條35 kV集電線路、1臺(tái)4 MW SVG設(shè)備以及1臺(tái)900 kW接地變兼站用變。接地方式為消弧線圈接地，消弧線圈設(shè)備容量為650 kVA，通過一條35 kV送出線路送出。主接線如圖1所示。

圖1 主接線圖

參考導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（DL/T5222-2005），消弧線圈容量計(jì)算公式為[3]：

式中，IC為系統(tǒng)電容電流，單位為A；UN為額定線電壓。

2.2 母差保護(hù)裝置，電壓開放原理

查詢母差保護(hù)裝置的說明書，在動(dòng)作于故障母線跳閘時(shí)必須經(jīng)相應(yīng)的母線電壓閉鎖元件閉鎖。35 kV母差保護(hù)的動(dòng)作邏輯簡化圖如圖2所示。

圖2 35 kV母差保護(hù)裝置繼電保護(hù)動(dòng)作邏輯簡化圖

由圖2可知，必須實(shí)現(xiàn)電壓開放，才能啟動(dòng)母差保護(hù)裝置。在啟動(dòng)母差保護(hù)裝置后，當(dāng)母差保護(hù)的判據(jù)滿足動(dòng)作條件，就會(huì)發(fā)出跳閘命令。電壓開放判據(jù)為：

2.3 故障錄波啟動(dòng)原理

查詢故障錄波裝置說明書，可知故障錄播啟動(dòng)為電壓突變量啟動(dòng)。故障錄波電壓突變量啟動(dòng)值為二次額定電壓8%，即相電壓突變約4.6 V時(shí)啟動(dòng)錄波。

2.4 事故原因初步判定

針對(duì)母差電壓反復(fù)開放這一情況，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)操作1：排場(chǎng)故障情況，讀取錄波數(shù)據(jù)和繼電保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)無故障、無跳閘情況發(fā)生。

現(xiàn)場(chǎng)操作2：退出接地變，電壓二次值分別為Ua=59.7 V、Ub=59.9 V、Uc=59.0 V以及U0=0.90 V，即未投入消弧線圈時(shí)，不平衡度為1.56%。投入接地變時(shí)（9檔運(yùn)行），Ua為61.0 V，Ub為58.5 V，Uc為58.6 V，U0為2.69 V。投入消弧線圈時(shí)，不平衡度為4.67%，增大了系統(tǒng)的不平衡度。

現(xiàn)場(chǎng)操作3：投入接地變，調(diào)節(jié)消弧線圈檔位，從1～9檔調(diào)節(jié)，發(fā)現(xiàn)避開消弧線圈原理諧振點(diǎn)后仍然存在開放報(bào)警的現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)操作4：改變消弧線圈二次阻尼值（由原來20 Ω減少至5 Ω），運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)中性點(diǎn)電壓降低，開放報(bào)警的閃變頻率降低，但是仍然存在無故障開放報(bào)警的情況。

現(xiàn)場(chǎng)操作5：邀請(qǐng)廠家對(duì)消弧線圈進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示消弧線圈設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)正常。

綜上所述，初步判斷弧線圈容量不匹配或者阻尼電阻過大。

3 事故原因排查

3.1 零序電壓、電流分析

消弧線圈投入運(yùn)行，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)零序電流主要為不平衡電流，零序電壓為不平衡電壓。查詢故障錄波器記錄的數(shù)據(jù)，以某次單相接地故障消失后（恢復(fù)正常運(yùn)行）的錄波數(shù)據(jù)為例，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1、2、3所示。

表1 正常運(yùn)行時(shí)各支路電流（單位：A）

表2 單相接地故障時(shí)各支路電流（單位：A）

表3 母線PT中的電壓值（單位：kV）

對(duì)比表1和表2，正常運(yùn)行時(shí)的零序電流主要為系統(tǒng)運(yùn)行的不平衡電流，最大值為1.8 A。零序電壓為系統(tǒng)運(yùn)行不平衡電壓，一次值為2.8～3.1 kV，大于母線電壓開放的整定值。此時(shí)解除電壓閉鎖，35 kV母差保護(hù)裝置的電壓開放。由表3中的數(shù)據(jù)可知，在非故障情況下存在零序電壓超過整定值6 V（2.1 kV），出現(xiàn)電壓開放誤報(bào)警的現(xiàn)象。故障情況下，由于中性點(diǎn)偏移，零序電壓接近正常運(yùn)行時(shí)的相電壓的99.03%，基本可以認(rèn)為消弧線圈接地系統(tǒng)在單相接地故障時(shí)中性點(diǎn)偏移，零序電壓對(duì)地電壓值約等于相電壓值。

3.2 初步結(jié)論

由上一節(jié)分析可初步判定35 kV母差保護(hù)裝置電壓開放誤報(bào)警的原因有兩個(gè)：一個(gè)是消弧線圈投入對(duì)不平衡電流電壓產(chǎn)生助增作用，使得正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電壓超過電壓開放整定值；另一個(gè)則是線路投切造成的電壓閃變。

線路投切在實(shí)際工程中不可避免，因此主要通過優(yōu)化消弧線圈的容量設(shè)計(jì)來降低不平衡電流和不平衡電壓。

4 理論分析與驗(yàn)證

4.1 消弧線圈接地系統(tǒng)的零序電壓、電流特性

為了計(jì)算分析方便，忽略相間電容，假設(shè)三相對(duì)地電導(dǎo)相等，消弧線圈接地系統(tǒng)等效電路如圖3所示。

圖3 消弧線圈接地系統(tǒng)等效電路

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)O的KCL方程為[4]：

進(jìn)一步化簡得到：

式中，Ubd為消弧線圈投入前系統(tǒng)正常運(yùn)行的不平衡度[3]。

v是補(bǔ)償網(wǎng)線的失脫諧度，其表達(dá)式為：

d是補(bǔ)償網(wǎng)線的阻尼率，其表達(dá)式為：

4.2 電壓開放原因分析

電壓閃變也可能造成零序電壓瞬時(shí)不平衡，母差電壓開放，同時(shí)啟動(dòng)故障錄波器。初步判斷電壓閃變的原因有線路投切操作造成電壓瞬時(shí)閃變和諧振造成電壓變化[4]。

線路投切在實(shí)際工程中不可避免，本文重點(diǎn)分析線路投切可能造成線路參數(shù)變化引起的諧振電壓變化。

4.2.1 消弧線圈補(bǔ)償方式

消弧線圈補(bǔ)償特性變化示意圖如圖4所示。中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，有三種補(bǔ)償方式，即全補(bǔ)償、欠補(bǔ)償、過補(bǔ)償[5,6]。其中，全補(bǔ)償為IL=IC、K=1、v=0；欠補(bǔ)償為IL＜IC、K＜1、v＞0；過補(bǔ)償為IL＞IC、K＞1、v＜0。

圖4 消弧線圈補(bǔ)償特性變化示意圖

根據(jù)圖4，假設(shè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，線路總長度L2，消弧線圈補(bǔ)償電流IL＜IC2處于欠補(bǔ)償狀態(tài)，當(dāng)運(yùn)行過程中切機(jī)或者切負(fù)荷或者故障跳閘跳開某條線路后，線路總長度減小。當(dāng)線路長度減小為L0時(shí)，發(fā)生串聯(lián)諧振；當(dāng)減小為L1時(shí)，IL＞IC1，由欠補(bǔ)償過渡為過補(bǔ)償狀態(tài)。

如果系統(tǒng)設(shè)置消弧線圈處于過補(bǔ)償狀態(tài)，消弧線圈電流IL'＞IC2，切機(jī)或者切負(fù)荷或者故障跳閘跳開某條線路后，仍然是過補(bǔ)償狀態(tài)，不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)改變運(yùn)行方式、跳閘等工況造成諧振。因此，在工程設(shè)計(jì)中，一般采用過補(bǔ)償?shù)姆绞健Ｍ瑫r(shí)，為了控制中性點(diǎn)偏移情況，要求脫諧度最大為10%，正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)位移最大為相電壓的15%。

4.2.2 消弧線圈的助增作用

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，中性點(diǎn)經(jīng)過消弧線圈接地的電網(wǎng)，長時(shí)間中性點(diǎn)接地位移不大于相電壓的15%，脫諧度一般不大于10%（絕對(duì)值），即：

公式表明，投入消弧線圈裝置后會(huì)增大電壓的不平衡度。由此可以初步判定，電壓開放或許與消弧線圈投入后對(duì)不平衡電壓的助增作用有關(guān)。

4.2.3 系統(tǒng)正常運(yùn)行消弧線圈諧振

系統(tǒng)正常運(yùn)行，消弧線圈全補(bǔ)償時(shí)，發(fā)生串聯(lián)諧振，忽略單相對(duì)地電導(dǎo)。串聯(lián)諧振等效電路圖如圖5所示。

圖5 串聯(lián)諧振等效電路圖

串聯(lián)諧振時(shí)：

中性點(diǎn)電壓偏移高達(dá)0.78倍的額定相電壓，大于電壓開放整定值。諧振狀態(tài)下，必然造成母差電壓開放，并啟動(dòng)故障錄波器。且諧振時(shí)零序電流遠(yuǎn)大于零序保護(hù)動(dòng)作電流，各支路零序電流保護(hù)均啟動(dòng)并跳閘。從光伏電站運(yùn)行的數(shù)據(jù)看，35 kV母差保護(hù)裝置電壓開放時(shí)，大概率情況下沒有發(fā)生跳閘事故（因?yàn)闊o線路跳閘現(xiàn)象），因此，諧振必然會(huì)造成電壓開放，但是并不是光伏電站在無故障情況下反復(fù)發(fā)生電壓開放的原因。

4.3 案例分析與容量優(yōu)化

消弧線圈中流過的電流：

針對(duì)架空線路計(jì)算公式為[7]：

針對(duì)電纜線路計(jì)算公式為：

根據(jù)工程實(shí)例，查詢光伏電站的主接線和送出線路，得知新建光伏電站采用單回架空線路，長度約2 km，導(dǎo)線截面按185 mm2考慮，站內(nèi)采用電纜接線。

本工程設(shè)計(jì)的消弧線圈容量為650 kVA，滿足要求。但是，仍然無法解釋電壓反復(fù)開放報(bào)警的現(xiàn)象。進(jìn)一步調(diào)研光伏電站及對(duì)側(cè)電網(wǎng)的線路、接地情況，發(fā)現(xiàn)對(duì)側(cè)電網(wǎng)沒有安裝消弧線圈裝置，所連接變電站如圖6所示。

圖6 并網(wǎng)點(diǎn)相連的35 kV電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該光伏電站并入35 kV電網(wǎng)后，與之相關(guān)的2號(hào)、3號(hào)電站為高阻抗接地，4號(hào)電站35 kV側(cè)不接地。考慮整個(gè)35 kV電力網(wǎng)絡(luò)，重新計(jì)算電容電流。

消弧線圈容量：

光伏電站投入的消弧線圈容量650 kVA，根據(jù)重新計(jì)算的電容電流核算，則：

理論上不平衡電壓大于電壓開放整定值，將會(huì)導(dǎo)致電壓開放誤報(bào)警。

實(shí)際上，考慮系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)特性和實(shí)際工程誤差，消弧線圈容量為650 kVA時(shí)，將會(huì)使得不平衡電壓接近或大于電壓開放整定值。因此，在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，潮流稍有波動(dòng)就可能造成零序電壓大于電壓開放值，導(dǎo)致無故障時(shí)反復(fù)出現(xiàn)母差保護(hù)裝置的電壓開放誤報(bào)警。

更換消弧線圈設(shè)備，容量為800 kVA，過補(bǔ)償狀態(tài)。正常運(yùn)行時(shí)，電壓偏移：

更換設(shè)備后，正常運(yùn)行時(shí)的電壓偏移遠(yuǎn)離了電壓開放的整定值，解決了母差保護(hù)裝置電壓開放誤報(bào)警的問題。

5 結(jié) 論

35 kV母差電壓開放判據(jù)為零序電壓，該電壓為自產(chǎn)零序，啟動(dòng)值為0.1Un。系統(tǒng)電壓不平衡度增加，則零序電壓也會(huì)增大。故障錄波電壓突變量啟動(dòng)值為二次額定電壓的8%，由于母差電壓開放的不平衡電壓大于故障錄波啟動(dòng)電壓，因此故障錄波裝置能夠記錄母差電壓開放時(shí)的電壓電流特性。

工程實(shí)踐表明，消弧線圈設(shè)備的投入對(duì)不平衡電壓有助增作用，且助增作用的大小與消弧線圈的脫諧度密切相關(guān)，因此配置合理的消弧線圈容量意義重大。在設(shè)計(jì)消弧線圈容量時(shí)，不僅要考慮本站及送出線路的電容電流，而且還需要考慮對(duì)側(cè)站及其相連的35 kV電網(wǎng)的接地情況。若未對(duì)側(cè)變電站配置消弧線圈裝置，計(jì)算電容電流時(shí)則需要計(jì)入整個(gè)電網(wǎng)的電容電流情況。