風(fēng)力和光伏發(fā)電站中性點(diǎn)接地設(shè)備選型

作者簡(jiǎn)介：肖思達(dá)（1994—），男，碩士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析計(jì)算。E-mail: 1611219898@qq.com。

王雪娜（1997—），女，碩士，研究方向?yàn)轱L(fēng)能發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電。E-mail: 1944889584@qq.com。

0   引言

風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)集電線路常常采用電纜的形式匯集電能。35 kV 電壓等級(jí)集電線路使用電纜直埋敷設(shè)，其對(duì)地電容電流約為架空集電線路對(duì)地電容電流的30 ～ 45 倍。因此，當(dāng)大量采用電纜輸送電能，在發(fā)生單相對(duì)地短路時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)過(guò)電壓，從而損壞電纜絕緣^[1]。若發(fā)生故障不能及時(shí)處理，將會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)《交流電氣裝置過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50064—2014），當(dāng)單相接地故障電容電流較大時(shí)，可采用中性點(diǎn)低電阻接地方式。并要求中性點(diǎn)接地電阻在滿足單相接地繼電保護(hù)可靠性和過(guò)電壓絕緣配合的前提下選擇較大阻值。在國(guó)家電網(wǎng)有限公司頒布的《防止風(fēng)電大面積脫網(wǎng)重點(diǎn)措施》中要求，風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)采取切實(shí)有效的措施，確保匯集線系統(tǒng)故障快速切除，防止擴(kuò)大惡化。對(duì)新建風(fēng)電場(chǎng)，建議匯集線系統(tǒng)采用經(jīng)電阻接地方式，并配置單相接地故障保護(hù)。本文對(duì)接地變壓器和中性點(diǎn)接地電阻值選擇過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算，總結(jié)出幾種風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)中常見(jiàn)的接地變和接地電阻選型結(jié)果。

1   Z型接地變工作原理

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)大多數(shù)集中并網(wǎng)的風(fēng)力和光伏發(fā)電站都采用35 kV 電壓等級(jí)匯集電能至升壓站主變低壓側(cè)進(jìn)行升壓后送出，而主變35 kV 側(cè)通常為D型接線，無(wú)中性點(diǎn)引出。因此，需要人為地創(chuàng)造一個(gè)中性點(diǎn)，使得35 kV 系統(tǒng)具備中性點(diǎn)接地的條件。ZN型接線的變壓器通常作為接地變的最佳選擇[2-3]，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZN型接地變壓器結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可知，接地變鐵芯由3 個(gè)芯柱構(gòu)成，每個(gè)芯柱上繞有兩段繞組，兩段繞組之間極性相反，并且在A”，B”，C”等處形成中性點(diǎn)，連成星型接線。當(dāng)系統(tǒng)35 kV 側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，根據(jù)對(duì)稱分量法將短路電流分為正序分量、負(fù)序分量和零序分量。對(duì)于正序和負(fù)序電流來(lái)說(shuō)，接地變壓器相當(dāng)于處于空載狀態(tài)，接地變壓器勵(lì)磁阻抗較大，流過(guò)很小的勵(lì)磁電流，接地變?cè)诖寺?lián)結(jié)狀態(tài)下的正序和負(fù)序阻抗約等于勵(lì)磁阻抗，對(duì)地相當(dāng)于開(kāi)路。對(duì)于零序電流，其在三相繞組中相位和大小相同，由于每個(gè)芯柱上兩段繞組的極性相反，故其產(chǎn)生的磁通相互抵消，磁阻較小，流過(guò)中性點(diǎn)的容性電流為三相容性電流之和。所以ZN 型接地變壓器對(duì)零序電流為低阻抗，零序電流可以順利流向中性點(diǎn)，對(duì)地相當(dāng)于短路。風(fēng)電和光伏發(fā)電站系統(tǒng)中，場(chǎng)區(qū)箱式變壓器的聯(lián)結(jié)方式通常為Dyn11，而110 kV 及以上電壓等級(jí)的升壓站主變壓器聯(lián)結(jié)方式通常為YNd11。故，風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)中35 kV 側(cè)發(fā)生單相接地故障時(shí)，零序電流不能在箱變和主變壓器中流通，僅通過(guò)接地變中性點(diǎn)流向大地。而正序和負(fù)序電流則通過(guò)箱變和主變流向系統(tǒng)。因此可以得出影響35 kV 側(cè)中性點(diǎn)電流大小的因素主要包括中性點(diǎn)接地電阻和接地變零序阻抗（通常忽略不計(jì)）的大小。

2   接地電容電流的計(jì)算

電力線路的電納取決于導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)分布情況，由于線路中交流電的周期性變化，因此在電力線路與地之間形成規(guī)律性充放電的過(guò)程，進(jìn)而形成電力線路對(duì)地的容性電流。

電力線路等值電路如圖2 所示。

在風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通常會(huì)將集電線路的壓降控制在5% 以內(nèi)，因此通常壓降忽略不計(jì)，在計(jì)算過(guò)程中取線路平均電壓進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于額定線電壓為35 kV 的電力線路，取線路平均線電壓為37 kV。

忽略線路壓降的影響，故線路單相接地電容電流可用式（1）~（3）計(jì)算得出：

故

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，電纜線路單相接地電容電流通常以式（4）進(jìn)行估算：

式中，Ic 為單相接地電容電流，A/km；Uav 線路平均線電壓，kV；C 為單相對(duì)地電容，μF/km；ω 為系統(tǒng)角頻率；L 為電纜長(zhǎng)度。電纜在匯集電能后通過(guò)變電站統(tǒng)一送出，因此需考慮變電站對(duì)增加接地電容電流的影響。額定電壓為35 kV 的線路，其帶來(lái)的附加值按照13% 計(jì)算^[4]。

3   中性點(diǎn)電阻值

根據(jù)理論分析和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于主要由電纜組成的中壓電網(wǎng)，采用低電阻接地方式可瞬時(shí)斷開(kāi)故障線路^[5-7]。在中壓電網(wǎng)中采用小電阻接地能有效地解決電纜產(chǎn)生的永久型故障和暫時(shí)過(guò)電壓。根據(jù)《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5222—2005）設(shè)計(jì)要求，采用低電阻接地時(shí)，接地電阻選擇計(jì)算如式（5）~（7）所示：

式中，UR 為電阻的額定電壓，kV；R_N 為中性點(diǎn)接地電阻值，Ω；U_N 為系統(tǒng)線電壓，kV；I_d 為選定的單相接地電流，A；k 為單相對(duì)地接地短路時(shí)電阻電流與電容電流的比值；PR 為電阻消耗功率，kW。

根據(jù)文獻(xiàn)^[8]計(jì)算可知，

當(dāng)k=1 時(shí)，可將過(guò)電壓限制在2.80 p.u.；

當(dāng)k=1.5 時(shí)，可將過(guò)電壓限制在2.39 p.u.；

當(dāng)k=2 時(shí)，可將過(guò)電壓限制在2.20 p.u.；

當(dāng)k=3 時(shí)，可將過(guò)電壓限制在2.029 p.u.。

根據(jù)規(guī)范《額定電壓1 kV(Um=1.2 kV)~35 kV(Um=40.5 kV) 擠包絕緣電力電纜及附件第3 部分：額定電壓35 kV(Um=40.5 kV) 電纜》（GB/T 12706.3—2020）中電壓實(shí)驗(yàn)要求，35 kV 電纜能在環(huán)境溫度下承受3.5 倍額定工頻交流電壓5 min，承受2.5 倍額定工頻交流電壓30 min。而風(fēng)力和光伏發(fā)電系統(tǒng)中35 kV 集電線路電纜發(fā)生單相接地故障時(shí)，要求系統(tǒng)能及時(shí)切除故障，通常集電線路后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)2 s。因此，當(dāng)k ≥ 1 時(shí)，可保證電纜在暫時(shí)過(guò)電壓下絕緣不被擊穿。在規(guī)范《配電系統(tǒng)中性電接地電阻器》（DL/T780—2001）中，推薦通過(guò)電阻器的額定電流有3、7、16、25、50、100、200、400、630、800、1 250、1 600、2 000 A。對(duì)于本文研究的內(nèi)容來(lái)說(shuō)，IC ＞ 10 A。在工程實(shí)際中，通常取電阻器通過(guò)的額定電流為100 ～ 630 A，根據(jù)式（6），取UN 為35 kV，則得出中性點(diǎn)電阻在不同入地電流下的取值如表1 所示。

4   接地變?nèi)萘坑?jì)算

在計(jì)算接地變壓器容量時(shí)，參考規(guī)范《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5222—2005），三相接地變壓器的容量應(yīng)與接地電阻容量相匹配。

接地變壓器容量可按式（8）得出

式中：SN 為接地變壓器容量。

結(jié)合式（7）和表1，可得出接地變的容量如表2 所示。

由于接地變的運(yùn)行規(guī)律為長(zhǎng)時(shí)空載，短時(shí)負(fù)載。因此，在接地變選擇時(shí)可按照短時(shí)負(fù)載狀態(tài)進(jìn)行選擇。根據(jù)《IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part III - Generator Auxiliary Systems》（IEEE C 62.92.3—2012）規(guī)定，當(dāng)故障能在短時(shí)間內(nèi)被清除時(shí)，變壓器的過(guò)載能力可按照表3 選擇。

集電線路后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)2 s，因此取接地變過(guò)載時(shí)間為10 s 是足夠的，此時(shí)接地變具備10.5倍的過(guò)載能力。

綜合以上結(jié)論，考慮一定的過(guò)載能力后，得出接地變壓器的容量如表4 所示。

若接地變兼做站用變考慮時(shí)，接地變?nèi)萘窟€應(yīng)根據(jù)二次繞組負(fù)荷進(jìn)行綜合考慮。

5   結(jié)束語(yǔ)

在集中并網(wǎng)型風(fēng)力和光伏發(fā)電站中，根據(jù)其工程特點(diǎn)正確選用接地變+ 接地電阻接地方式可快速地切除集電線路產(chǎn)生的接地故障。不僅如此，接地變+ 接地電阻接地方式能夠最大限度地抑制暫時(shí)過(guò)電壓，避免因電纜絕緣受損而導(dǎo)致事故擴(kuò)大。本文根據(jù)這一特點(diǎn)，不僅提供了接地電阻和接地變選擇的基本計(jì)算方法，還推薦了工程應(yīng)用中幾種常見(jiàn)的接地電阻值和接地變?nèi)萘窟x擇，以供工程技術(shù)人員參考。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）