集中式新能源電站聯(lián)絡(luò)線零序阻性電流差動(dòng)繼電保護(hù)方法

李毅， 靳江江， 張鵬， 李春麗

(1 西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710054；2. 華能新能源股份有限公司陜西分公司， 陜西 西安 710043；3. 西安熱工研究院有限公司， 陜西 西安 710054)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)支持力度的不斷加大， 大型集中式新能源電站逐漸成為新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的中堅(jiān)力量， 大型集中式新能源電站并網(wǎng)技術(shù)可行性已成為當(dāng)下的研究重點(diǎn)。

集中式電站多以大、 中型電站為主， 中型新能源電站的接線方式一般是通過(guò)集電線路直接將逆變器和升壓站的母線連接起來(lái)， 并入電網(wǎng)； 集中式新能源電站的接線方式多是建設(shè)多個(gè)開(kāi)關(guān)站， 經(jīng)聯(lián)絡(luò)線匯集升壓站并入電網(wǎng)。 集中式新能源電站聯(lián)絡(luò)線單相接地保護(hù)是本文探討的內(nèi)容。

中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障， 可以減緩故障相電壓的恢復(fù)速度， 有利于接地電弧的熄滅和降低接地電弧的過(guò)電壓水平。 因此新能源電站目前大多采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地的方式， 單相接地保護(hù)采用接地零序電流過(guò)流保護(hù)。 集中式新能源電站由于電氣一次系統(tǒng)復(fù)雜， 存在電流級(jí)數(shù)多、 動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

針對(duì)集中式新能源電站聯(lián)絡(luò)線單相接地典型故障的電流分析， 本文參考了文獻(xiàn)[1－4] 的計(jì)算方法； 文獻(xiàn)[5－6] 為風(fēng)電、 光伏設(shè)計(jì)規(guī)范， 對(duì)風(fēng)電、 光伏電站的電氣設(shè)計(jì)、 過(guò)電壓、 接地方式、 保護(hù)要求做了明確的規(guī)定； 文獻(xiàn)[7－8] 介紹了低電阻接地系統(tǒng)的接地零序電流保護(hù)和線路差動(dòng)保護(hù)，但聯(lián)絡(luò)線的差動(dòng)保護(hù)不包含單相接地故障； 文獻(xiàn)[9－11] 分析了風(fēng)電場(chǎng)電纜損壞的原因， 快速有效切除故障， 可以提高電纜運(yùn)行的可靠性； 文獻(xiàn)[12－13] 講述了小電阻接地系統(tǒng)的電阻選擇方法，以及中性點(diǎn)接地方式對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響； 文獻(xiàn)[14] 介紹波形識(shí)別的零序電流差動(dòng)啟動(dòng)方法； 文獻(xiàn)[15－16] 進(jìn)行了電站電流特性與故障分析， 提出了單相接地的單相接地故障輔助研判方法。

1 集中式新能源電站聯(lián)絡(luò)線單相接地故障

本文所述的集中式新能源電站是一個(gè)風(fēng)電、 光伏組成的大型電站。 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)通過(guò)35 kV 匯集線接入35 kV 母線， 升壓變壓器升壓至110 kV， 并入110 kV 電網(wǎng)。 光伏電站通過(guò)35 kV 匯集線接入35 kV母線， 經(jīng)聯(lián)絡(luò)線接入風(fēng)電35 kV 母線。 聯(lián)絡(luò)線使用8 km架空線路， 兩側(cè)是電纜入站。 光伏、 風(fēng)電35 kV母線配置接地變壓器， 接地變變壓器零序電抗109 Ω， 接地變壓器中性點(diǎn)接地電阻202 Ω， 系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。 風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站均是2 段35 kV母線， 無(wú)母聯(lián)開(kāi)關(guān)， 圖1 只顯示其中一段； 圖1 中對(duì)電流互感器(TA) 按安裝位置進(jìn)行了編號(hào)。

圖1 新能源電站系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

電站運(yùn)行過(guò)程中， 風(fēng)場(chǎng)和光伏聯(lián)絡(luò)線發(fā)生了單相接地故障， 故障位置為風(fēng)場(chǎng)出線的第一級(jí)桿塔。利用故障錄波器數(shù)據(jù)， 統(tǒng)計(jì)故障期間各支路零序電流(以U0角度為基準(zhǔn)0°) 見(jiàn)表1。 因接地故障時(shí)站用變壓器、 SVG 沒(méi)有零序電流， 在表1 中不顯示站用變壓器和SVG 支路。

表1 單相接地故障期間各支路電流

2 聯(lián)絡(luò)線區(qū)內(nèi)單相接地時(shí)零序電流分布

在聯(lián)絡(luò)線單相接地時(shí)， 零序容性電流如圖2 所示、 零序阻性如圖3 所示。 圖2 中將集電1、 2、3、 4 線合并成1 條支路， 其容性電流用圈加箭頭表示； 集電5、 6 線合并成1 條支路， 容性電流用方框加箭頭表示； 聯(lián)絡(luò)線容性電流ILc， 用三角加箭頭表示。 圖3 中IZ1表示風(fēng)電場(chǎng)阻性電流，IZ2表示光伏電站阻性電流。

圖2 聯(lián)絡(luò)線單相接地零序容性電流示意圖

圖3 聯(lián)絡(luò)線單相接地零序阻性電流示意圖

圖2 中聯(lián)絡(luò)線電流互感器TA1 處零序容性電流ITA1C為:

計(jì)算值與TA1 測(cè)量處14.4 A 電容電流接近。

圖2 中， 聯(lián)絡(luò)線電流互感器TA2 處零序容性電流ITA2C為:

計(jì)算值與TA2 測(cè)量處14.4 A 電容電流接近。

由式(1)、 式(2) 可知， 聯(lián)絡(luò)線單相故障時(shí)， 聯(lián)絡(luò)線TA1 處容性電流等于風(fēng)場(chǎng)的容性電流，TA2 處容性電流等于光伏電站的容性電流。

圖3 中， 聯(lián)絡(luò)線電流互感器TA1 處零序阻性電流ITA1Z為:

聯(lián)絡(luò)線TA1 處測(cè)量的電流值90.0 A 與風(fēng)場(chǎng)接地變零序阻性電流89.1 A 幾乎相等。

圖3 中， 聯(lián)絡(luò)線電流互感器TA2 處零序阻性電流ITA2Z為:

聯(lián)絡(luò)線TA2 處測(cè)量的電流86.4 A 與風(fēng)場(chǎng)接地變零序阻性電流85.4 A 幾乎相等。

由式(3)、 式(4) 可知， 聯(lián)絡(luò)線單相故障時(shí)， 聯(lián)絡(luò)線TA1 處零序阻性電流等于風(fēng)場(chǎng)的接地變壓器零序阻性電流， TA2 處零序阻性電流等于光伏電站的接地變壓器零序阻性電流。

3 聯(lián)絡(luò)線區(qū)外單相接地時(shí)零序電流分布

在聯(lián)絡(luò)線區(qū)外風(fēng)電場(chǎng)單相接地時(shí)， 零序容性電流如圖4 所示， 零序阻性電流如圖5 所示。

圖4 聯(lián)絡(luò)線區(qū)外風(fēng)電場(chǎng)單相接地零序容性電流示意圖

圖5 聯(lián)絡(luò)線區(qū)外風(fēng)電場(chǎng)單相接地零序阻性電流示意圖

圖4 中， 在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生單相接地時(shí)， 聯(lián)絡(luò)線TA1 容性電流等于下游(TA1 遠(yuǎn)離系統(tǒng)側(cè)) 容性電流， 即TA1 容性電流等于聯(lián)絡(luò)線電容電流與光伏電站電容電流的和。 TA2 處容性電流等于光伏電站的容性電流。

同理， 當(dāng)TA2 下游光伏電站發(fā)生單相接地時(shí)，聯(lián)絡(luò)線TA1 容性電流等于上游(TA1 靠近系統(tǒng)側(cè))容性電流， 等于風(fēng)電場(chǎng)電容電流； 聯(lián)絡(luò)線TA2 上游靠近容性電流， 容性電流等于聯(lián)絡(luò)線電容電流與風(fēng)電場(chǎng)電容電流的和。

圖5 中， 在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生單相接地時(shí)， 聯(lián)絡(luò)線TA1、 TA2 處阻性電流均等于下游阻性電流， 等于光伏電站接地變阻性電流。 同理， 在風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生單相接地時(shí)， 聯(lián)絡(luò)線TA1、 TA2 處阻性電流等于下游阻性電流， 等于風(fēng)電場(chǎng)接地變阻性電流。

4 聯(lián)絡(luò)線區(qū)內(nèi)、 區(qū)外單相接地零序差流分析

單相接地故障時(shí)聯(lián)絡(luò)線TA1 與TA2 零序差動(dòng)電流Ich如下。

通過(guò)電流分布可知， 聯(lián)絡(luò)線區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)， 零序差流Ich包含風(fēng)電場(chǎng)、 光伏電站接地阻性電流、 容性電流。 其中容性電流大小與系統(tǒng)的運(yùn)行方式有關(guān)， 是一個(gè)變化量， 因此零序容性電流不適合作為差動(dòng)量。

聯(lián)絡(luò)線區(qū)外單相接地故障時(shí)， 聯(lián)絡(luò)線TA1、TA2 零序容性電流不相等， 差流不等于0， 影響保護(hù)差動(dòng)性能， 容性差流等于聯(lián)絡(luò)線對(duì)地電容電流，容性差流的大小與聯(lián)絡(luò)線的長(zhǎng)度、 導(dǎo)線形式關(guān)系很大， 因此零序容性電流不適合作為差動(dòng)量。

單相接地故障時(shí)聯(lián)絡(luò)線TA1 與TA2 差動(dòng)阻性電流Ichz如下。

式中，?為零序電壓與TA1 處零序電流ITA1的夾角；φ為零序電壓與TA2 處零序電流ITA2的夾角。

聯(lián)絡(luò)線區(qū)內(nèi)單相接地故障時(shí)， 在聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)接地變壓器有效投入的情況下， 零序阻性電流分量差I(lǐng)chz等于兩側(cè)電站接地電阻電流的和， 見(jiàn)式(7)，是一個(gè)較為恒定的量， 適合作為差動(dòng)量。 同時(shí)， 聯(lián)絡(luò)線區(qū)外單相接地故障時(shí)， TA1、 TA2 零序阻性電流相等， 差流始終為0， 零序阻性電流適合作為差動(dòng)量。

綜上所述， 聯(lián)絡(luò)線零序阻性電流差動(dòng)適合作為集中式新能源電站聯(lián)絡(luò)線單相接地的保護(hù)。

5 大型集中式新能源電站單相接地保護(hù)改進(jìn)

DL/T 584—2017 ?3 kV~110 kV 電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程? 規(guī)定， 對(duì)于采用小電阻接地的新能源電站， 集電線配置反應(yīng)單相接地短路的兩段式零序電流保護(hù)， 跳閘動(dòng)作， 接地變壓器配置兩段式零序電流保護(hù)作為接地變壓器單相接地故障的主保護(hù)和系統(tǒng)各元件單相接地故障的總后備保護(hù)[7]。 如果在大型集中式新能源電站配置接地保護(hù)， 保護(hù)的時(shí)間配合復(fù)雜。

在本文的案例中， 集電線1—6 的零序Ⅰ段、零序Ⅱ段時(shí)間為跳開(kāi)本集電線支路動(dòng)作0.1 s、0.4 s， 光伏電站接地變壓器零序Ⅰ段、 零序Ⅱ段光伏電站母線所連元件全停動(dòng)作時(shí)間為0.7 s、1.0 s， 聯(lián)絡(luò)線風(fēng)電場(chǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)零序Ⅰ段、 零序Ⅱ段跳聯(lián)絡(luò)線風(fēng)電場(chǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間為1.3 s、 1.6 s；風(fēng)電場(chǎng)接地變壓器零序Ⅰ段、 零序Ⅱ段風(fēng)電場(chǎng)母線所連元件全停動(dòng)作時(shí)間為1.9 s、 2.2 s， 零序保護(hù)時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 零序保護(hù)延時(shí)表

若發(fā)生聯(lián)絡(luò)線單相接地故障， 切除聯(lián)絡(luò)線需要1.3 s， 后備時(shí)間需要1.9 s。 單相接地故障由于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)， 對(duì)全站電纜及其他設(shè)備絕緣造成威脅。 聯(lián)絡(luò)線零序阻性電流差動(dòng)作為集中式新能源電站聯(lián)絡(luò)線單相接地的保護(hù)， 差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可以采用瞬時(shí)或短時(shí)限出口， 聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作， 縮短故障時(shí)間， 且不需要與零序電流過(guò)流保護(hù)配合，符合保護(hù)動(dòng)作瞬時(shí)性原則。

在故障實(shí)際動(dòng)作過(guò)程中， 光伏電站接地變壓器零序Ⅰ段動(dòng)作后， 光伏電站母線所連元件全停， 接地點(diǎn)的接地電流發(fā)生2 個(gè)周波暫時(shí)息弧， 聯(lián)絡(luò)線風(fēng)電場(chǎng)側(cè)開(kāi)關(guān)零序Ⅰ段、 零序Ⅱ段復(fù)歸， 風(fēng)電場(chǎng)接地變零序Ⅰ段動(dòng)作， 保護(hù)越級(jí)， 造成風(fēng)電場(chǎng)全停。 聯(lián)絡(luò)線零序阻性電流差動(dòng)作為集中式新能源電站聯(lián)絡(luò)線單相接地的保護(hù)， 可以避免越級(jí)故障的發(fā)生， 接地保護(hù)可靠性、 靈敏性、 選擇性等性能增強(qiáng)。

采用聯(lián)絡(luò)線零序阻性電流差動(dòng)作為集中式新能源電站聯(lián)絡(luò)線單相接地的保護(hù)， 大型集中新能源電站接地保護(hù)等到簡(jiǎn)化， 表6 中的t5、 t6 時(shí)間取消，由8 時(shí)段改為6 時(shí)段， 作為全站接地故障總后備的風(fēng)電場(chǎng)接地變壓器， 其零序Ⅰ段、 零序Ⅱ段時(shí)間由1.9 s、 2.2 s 縮短至1.3 s、 1.6 s， 簡(jiǎn)化了接地保護(hù)時(shí)間配合級(jí)數(shù)， 縮短了保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。

6 定值分析及適用范圍

零序差動(dòng)保護(hù)中的報(bào)警定值， 按躲過(guò)三相電壓不平衡、 三相對(duì)地對(duì)地電容不平衡、 兩側(cè)電流互感器誤差而產(chǎn)生的不平衡電流， 躲過(guò)變壓器啟動(dòng)不平衡電流可取0.1 (IZ1＋I(xiàn)Z2) ~0.2 (IZ1＋I(xiàn)Z2)； 差動(dòng)保護(hù)中的啟動(dòng)定值取0.4 (IZ1＋I(xiàn)Z2) ~0.6 (IZ1＋I(xiàn)Z2)，斜率取0.3~0.5， 保證一定的靈敏度， 制動(dòng)電流取IZ1、IZ2中的大值。 同時(shí)， 可配置零序電壓輔助判據(jù)， 零序電壓大于0.4U0，U0為金屬性接地零序二次電壓， 取100 V。 如果只投單側(cè)接地變壓器， 報(bào)警值選用0.1~0.2 投用側(cè)接地變阻性零序電流，啟動(dòng)電流、 斜率、 制動(dòng)電流同上。

聯(lián)絡(luò)線零序阻性電流差動(dòng)， 適用于小電阻接地集中式新能源電站聯(lián)絡(luò)線， 也適用于小電阻接地供電網(wǎng)絡(luò)的站間聯(lián)絡(luò)線。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)一個(gè)大型新能源電站站間聯(lián)絡(luò)線單相接地典型故障， 分析故障零序電流在電站各個(gè)節(jié)點(diǎn)的特性， 提出小電阻接地電站聯(lián)絡(luò)線零序阻性電流差動(dòng)繼電保護(hù)方法， 簡(jiǎn)化了接地保護(hù)的時(shí)間配合， 增強(qiáng)了接地保護(hù)可靠性、 靈敏性。