光伏發電站配電系統與繼電保護研究

國能清遠清潔能源有限公司 肖俊杰

最近數年來，我國科學技術與經濟條件逐步改善，工業生產與居民日常生活對電能的需求逐步提升，電力系統因而得到更為廣泛的重視與應用。隨著諸多大型光伏電站的建成與投入使用，光伏電站在電力系統中的地位日益提升，在設計規劃光伏發電站配電系統時需綜合考慮多種因素，本文以某光伏發電站為例，探討了該站配電線路的設計方案與繼電保護措施。

發電站周邊自然條件為：亞熱帶季風性氣候，夏季炎熱、冬季相對寒冷，全年高溫區段集中在夏季8月份；夏季降水豐富，每年雷暴日總數約30天，冬季上凍，土壤凍結深度約1m，砂質黏土居多。當地太陽能資源豐富，全年日照時長月2550～3500小時，年輻射量超5400MJ/M2.a，日照百分率處在60%～80%之間，為光伏電站提供了良好的環境。

發電站結構布局：該光伏發電站占地較大，被劃分為多個區域，還配備一座污水提升站；發電站配電系統負荷情況：該光伏發電站的所有區域都需消耗電能，且絕大部分用電設備都屬于二類負荷，年最大負荷利用小時數為6000h，每個區域有380V負荷。

1 繼電保護系統綜述

線路過電流保護。指的是當電力線路中通過的電流超出預先規定的最大值時，發動保護裝置進行處理的方式；定時限過電流保護的動作原理。定時限過電流保護指的是供電系統被保護線路短路時，能夠作出反應并用動作時間保證選擇性的保護方式。反時限過電流保護中，短路電流大小與反應時間成反比。

電流速斷保護。為彌補定時限過電流保護中的缺陷，確保動作選擇性，可適當提高電流整定值，縮短動作時限，此類方法稱為電流速斷保護，其中的無時限電流速斷保護存在保護死區，因此不可單獨使用，否則可能出現安全事故。而在無時限電流速斷保護有效范圍外增添定時限電流速斷保護裝置，則能夠解決該部分的短路故障，完善保護系統。因此無時限電流速斷保護常用于小電流接地系統中，并與定時限過電流保護配合使用。

電網的距離保護。電網的距離保護指用阻抗構成的繼電保護系統，能精準反映故障位置和保護裝置安裝處的距離，并根據該距離調整動作時間。若配電系統短路處距離裝置較近、動作時間較短；若短路處距離裝置距離較大、動作時間則較長，因此系統能夠選擇性處理故障線路。距離保護的最大優點是受到保護系統運行方式較小，能保持穩定性能。

電力變壓器保護。若電路中出現異常，導致變壓器各項物理參數過高或過低，都容易使其發生故障、降低電力傳動效率，影響整個發電站的正常運轉，還可能帶來較大經濟損失。因此，必須為電力變壓器添加繼電保護系統，實時監測其功率、電壓、電流等的高低變化，實現有效調節，確保變壓器能夠安全平穩運行，為廠房穩定供電。

過電流保護。設計變壓器的繼電保護系統時，還需考慮對大電流的防范，并在高壓端與低壓端放置斷路器，當檢測到變壓器兩段電流過大時，立刻切斷電路連接，縮小故障范圍。當出現異常跳閘時，過電流保護裝置還可當成總線使用，以保護低壓側。但需注意的是，若變壓器短路，容易出現阻抗保護與延時過高現象，因此設計保護系統時要根據所用變壓器的熱穩定性設定裝置參數。

過負荷保護。過負荷保護指的是將保護裝置接在某一相電路中，當被保護元器件超過規定負荷，自動斷開回路，從而保護元件。一般延時動作于信號，或延時跳閘、自動延時減少電路負荷。絕大多數情況下變壓器過負荷為三相對稱，因此只需對其中一相進行監測與保護即可。

零序電流保護。指的是在變壓器線路上安裝零序電流互感器，低壓側中性點直接接地，利用接地系統產生的較大零序電流保護電路。若光伏發電站配電系統中包含多臺變壓器并列運行，則只能有部分變壓器的低壓側中性點接地。

安全用電。由于光伏發電站中包含大量易燃物品與精密儀器設備，靜電也可能造成危害。據統計，在光伏發電站發生的觸電事件中，低壓觸電事故數量較多，且在雷雨季節發生頻率較高。為避免工作人員隨意靠近配電系統，應在重要電路裝置和電纜旁邊安裝欄桿、警示牌等，讓全體職員及附近社會人士遠離配電系統；所有高壓帶電體都要妥善保護、嚴禁裸露安裝，且必須在旁邊設置清晰的警示牌，警醒職員。

防雷保護。防雷保護系統一般由三種裝置構成，第一是接閃器，能夠吸收雷云放電；第二是連通裝置，即引下線，需具有較強的物理性能，耐腐蝕性強、在高溫下保持穩定；第三則是接地裝置，能夠將雷電流均勻地引入大地。

2 電氣設備選擇與繼電保護

2.1 設備選擇依據

選擇配電系統的電氣設備時，需根據實際使用需求和使用環境挑選對應型號的設備，并按照使用環境中的最大短路電流依次對設備性能進行檢驗。

2.2 總降壓變電所設備選擇

總降壓變電所一、二次側設備主要包括高壓斷路器、高壓隔離開關、電壓互感器與電流互感器等，其中一次側在戶外，二次側在戶內。因此，高壓斷路器可選用SW2-35/1000型戶外少油斷路器；高壓隔離開關可選取GW2-35/600型戶外高壓隔離開關；電壓互感器使用SN10-10I/630-300型電壓互感器；電流互感器選擇LQZQD-35型戶外獨立式電流互感器；二次測設備的高壓斷路器可選用SN10-10/630-300型戶內少油斷路器；高壓隔離開關可選用GN1-10/200型戶內高壓隔離開關；電壓互感器可用JDF-10型電壓互感器；電流互感器可用LAJ-10型電流互感器。

2.3 其他選擇及繼電保護

車間線路設備選擇。可選用SN10-10II 型戶內少油斷路器；GN1-10/400型戶內高壓隔離開關；JDF-10型電壓互感器與LQZQ-10型電流互感器；母線選擇。總降壓變電所35kV 側母線可選用LMY-63×6.3型矩形硬鋁母線，10kV 側母線同上；避雷器選擇。選擇避雷器時，須確保避雷器額定電壓與安裝處的系統電壓一致，避雷器滅弧電壓大于網絡電壓的1.1倍，工頻放電電壓不小于系統最大相電壓的3.5倍，最后，避雷器需與電器絕緣配合。因此，可在35kV 進線處選取FZ-35型號避雷器，在10kV 選擇FZ-10型號避雷器。

高壓線路到變電所二次側的繼電保護。本光伏發電站變電所可使用定時限過電流保護，采用DL型繼電器，接線系數設置為1；過負荷保護動作整定時間設置為15s；總降壓變電所電力變壓器繼電保護。總降壓變電所可采用定時限過電流保護，同樣選用DL 型繼電器，并將接線系數設置為1；負荷保護動作時間整定為15s。

3 外部保護與接地設計

防雷設計。本發電站變電所的總面積為50m×80m，考慮到反擊問題，選擇在距離變電所6m 處布置四根等高的避雷針，其中每兩根相鄰避雷針的間距分別為80m 與60m，對位避雷針間距為100m。假設變電所平均高度為16m，經計算得知當避雷針高度為28.5m 時，能夠將所有區域納入保護區內。

接地保護設計。本次接地保護設計要求接地電阻小于等于10歐姆，根據本光伏發電站周圍土質，可視作其電阻為1000歐姆，可使用φ50mm 的長2.5m 鋼管共計50根構建接地體，鋼管間距為6mm。經計算得知該設計能夠滿足上述要求。

綜上，經濟與科學技術的高速發展使得電力系統復雜程度逐步提升，本文明確指出了本課題研究背景與價值。通過對光伏發電站配電系統供電系統的詳細描述，針對光伏發電站配電系統保護線路進行了設計，挑選適宜的裝置，并根據現實環境給出外部防雷措施、接地保護方案等。