風(fēng)電場(chǎng)35kV系統(tǒng)接地研究

內(nèi)蒙古魯能風(fēng)電有限公司 滕明堯

一、背景及其意義

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，根據(jù)中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)統(tǒng)計(jì)口徑顯示，2012年，中國(guó)（不包括臺(tái)灣地區(qū)）新增安裝風(fēng)電機(jī)組7872臺(tái)，裝機(jī)容量12960MW，同比下降26.5%；累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組53764臺(tái)，裝機(jī)容量75324.2MW，同比增長(zhǎng)20.8%。國(guó)家以“建設(shè)大基地、融入大電網(wǎng)”的思路發(fā)展中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)致風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)非常集中，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量井噴式的擴(kuò)大，風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備頻發(fā)故障，特別是2011年上半年連續(xù)發(fā)生了三起大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)典型事故：

（一）2011年2月24日，甘肅中電酒泉風(fēng)力發(fā)電有限公司橋西第一風(fēng)電場(chǎng)35B開關(guān)間隔C相電纜頭故障絕緣擊穿，造成三相短路，導(dǎo)致包括橋西第一風(fēng)電場(chǎng)在內(nèi)的10座風(fēng)電場(chǎng)中274臺(tái)風(fēng)電機(jī)組因不具備低電壓穿越能力在系統(tǒng)電壓跌落時(shí)脫網(wǎng)。大量風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)后，因風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置電容器組不具備自動(dòng)投切功能，系統(tǒng)無(wú)功過(guò)剩，電壓迅速升高，引起6座風(fēng)電場(chǎng)中300臺(tái)風(fēng)電機(jī)組因電壓保護(hù)動(dòng)作脫網(wǎng)。此外，事故過(guò)程中還有24臺(tái)風(fēng)電機(jī)組因頻率越限保護(hù)動(dòng)作脫網(wǎng)。本次事故脫網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到598臺(tái)，損失出力840.43MW，占事故前酒泉地區(qū)風(fēng)電出力的54.4%，造成西北電網(wǎng)主網(wǎng)頻率由事故前的50.034Hz降至最低49.854Hz。

（二）2011年4月17日，甘肅瓜州協(xié)合風(fēng)力發(fā)電有限公司干河口西第二風(fēng)電場(chǎng)35C2-09箱變高壓側(cè)電纜頭擊穿、35D2-10箱變電纜三相連接處擊穿，35C2、35D2兩條饋線跳閘，切除25臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。隨后，35kV配電室35D母線PT柜著火，3502開關(guān)跳閘，切除97臺(tái)風(fēng)電機(jī)組。事故同時(shí)造成其它12座風(fēng)電場(chǎng)中536臺(tái)風(fēng)電機(jī)組因不具備低電壓穿越能力在系統(tǒng)電壓跌落時(shí)脫網(wǎng)。大量風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)后，因部分風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置電容器組不具備自動(dòng)投切功能，系統(tǒng)無(wú)功過(guò)剩，電壓迅速升高，引起2座風(fēng)電場(chǎng)中44臺(tái)風(fēng)電機(jī)組因電壓保護(hù)動(dòng)作脫網(wǎng)。本次事故脫網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到702臺(tái)，損失出力1006.223MW，占事故前酒泉地區(qū)風(fēng)電出力的54.17%，造成西北電網(wǎng)主網(wǎng)頻率由事故前的50.036Hz降至最低49.815Hz。

（三）2011年4月17日，河北張家口國(guó)華佳鑫風(fēng)電場(chǎng)#8風(fēng)機(jī)箱式變壓器35千伏送出架空線B相引線松脫，與35千伏主干架空線路C相搭接，B、C相間短路，造成匯集至220千伏義緣變電站的4座風(fēng)電場(chǎng)334臺(tái)風(fēng)電機(jī)組因不具備低電壓穿越能力在系統(tǒng)電壓跌落時(shí)脫網(wǎng)。大量風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)后，因部分風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置電容器組不具備自動(dòng)投切功能，系統(tǒng)無(wú)功過(guò)剩，電壓迅速升高，引起接入察北站的5座風(fēng)電場(chǎng)295臺(tái)風(fēng)電機(jī)組因電壓保護(hù)動(dòng)作脫網(wǎng)。本次事故脫網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到644臺(tái)，損失風(fēng)電出力854MW，占事故前張家口地區(qū)風(fēng)電出力的48.5%，造成華北電網(wǎng)主網(wǎng)頻率由事故前的50.05Hz降至最低49.95Hz。以上風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)事故較為典型，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響。原因較為清晰，主要有以下幾點(diǎn)：

1.風(fēng)電場(chǎng)電纜頭故障；

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力；

3.風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)法快速響應(yīng)；

4.風(fēng)電場(chǎng)35kV系統(tǒng)接線方式不合理，單相故障不能快速切除故障，是導(dǎo)致故障惡化、事故擴(kuò)大的主要因素之一。

二、國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式對(duì)電力電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行是很關(guān)鍵、敏感的問(wèn)題，也是一個(gè)技術(shù)綜合性問(wèn)題，它對(duì)系統(tǒng)的供電可靠性、人身安全、設(shè)備安全、絕緣水平、過(guò)電壓保護(hù)、繼電保護(hù)、通訊干擾（電場(chǎng)電磁環(huán)境）及接地裝置等的影響非常大。

在電網(wǎng)發(fā)展之初，由于容量很小，人們對(duì)過(guò)電流的危害作用估計(jì)也不充分，因此電力設(shè)備的中性點(diǎn)都采用直接接地方式。在電力、電網(wǎng)系統(tǒng)不斷擴(kuò)容之后，才發(fā)現(xiàn)單相接地故障頻繁，直接接地容易造成斷路器調(diào)閘從而產(chǎn)生頻繁的停電事故，同時(shí)單相弧光接地產(chǎn)生的電弧很難熄滅，一旦發(fā)展成相間短路產(chǎn)生的危害更大，這些影響都降低了電力運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性。

為解決這些問(wèn)題，當(dāng)時(shí)發(fā)達(dá)國(guó)家采取了不同的解決方式沿用到目前，一種是德國(guó)采用的為了避免對(duì)通信線路干擾并保護(hù)鐵路信號(hào)的正確動(dòng)作而經(jīng)消弧線圈將中性點(diǎn)接地的方式，該方式對(duì)瞬間產(chǎn)生的單相接地故障有很好的消除作用；另一種是美國(guó)的中性點(diǎn)直接接地與經(jīng)低電阻或低電抗接地配合使用的方式，同時(shí)在電氣回路中配合快速繼電器、快速開關(guān)裝置等，瞬間跳開故障線路，該方式對(duì)電力運(yùn)行設(shè)備要求嚴(yán)格。目前國(guó)際上各電力、電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地基本套用他們的原理方式進(jìn)行。

從目前國(guó)內(nèi)、國(guó)外的情況劃分，中性點(diǎn)接地方式主要有以下幾類：

中性點(diǎn)全接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)低電抗接地、中性點(diǎn)經(jīng)中電阻或低電阻接地方式、中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地方式、中性點(diǎn)諧振（消弧線圈）接地方式、中性點(diǎn)不接地方式等。

三、風(fēng)電場(chǎng)接地方式簡(jiǎn)介

（一）風(fēng)電場(chǎng)35kV系統(tǒng)簡(jiǎn)介

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)分布一般較分散，所有風(fēng)電機(jī)組分成2～3組，每組10～14臺(tái)風(fēng)機(jī)通過(guò)集電線路并聯(lián)后將電能送往升壓站，再經(jīng)變壓器升壓后與系統(tǒng)變電所相連實(shí)現(xiàn)電能外送。內(nèi)部集電線路一般采用35kV電纜或架空線路輸送電能，距離在3～10km。風(fēng)電場(chǎng)升壓站低壓側(cè)中性點(diǎn)接地可以采用不接地方式、經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)小電阻接地。

（二）風(fēng)電場(chǎng)35kV系統(tǒng)接地方式

1.中性點(diǎn)不接地方式

采用中性點(diǎn)不接地方式，單相接地時(shí)允許帶故障運(yùn)行兩小時(shí)，供電可靠性高。高電壓、長(zhǎng)距離輸電線單相接地時(shí)，電容電流一般很大，在接地處容易出現(xiàn)間歇電弧，引起電網(wǎng)產(chǎn)生高頻振蕩，形成過(guò)電壓。發(fā)生單相接地，另外兩相電壓將升高倍，容易使絕緣薄弱處擊穿，引起兩相接地短路。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)容量較小或采用架空線時(shí)，集電線路電容電流也相對(duì)較小，通常采用中性點(diǎn)不接地方式。

2.經(jīng)消弧線圈接地方式

為克服接地電容電流過(guò)大的缺點(diǎn)，可采用經(jīng)消弧線圈接地方式。消弧線圈是一個(gè)有鐵芯的可調(diào)電感線圈，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可形成一個(gè)與接地電容電流大小接近相等、方向相反的電感電流，電感電流補(bǔ)償電容電流，使流經(jīng)接地處的電流變得很小，保證接地電弧瞬間熄滅，以消除弧光間歇接地過(guò)電壓。通常消弧線圈最大補(bǔ)償電流與最小補(bǔ)償電流之比取2:1或2.5:1，并裝設(shè)5～9個(gè)分調(diào)節(jié)接頭。

采用消弧線圈接地方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)集電網(wǎng)容性電流變化時(shí)，消弧線圈接入容量調(diào)整方便；可降低線路單相接地時(shí)故障點(diǎn)的殘流，有利于接地電弧的熄滅，避免長(zhǎng)時(shí)間燃弧而導(dǎo)致相間短路。缺點(diǎn)是使小電流選線裝置靈敏度降低，甚至無(wú)法選線；易產(chǎn)生串聯(lián)諧振過(guò)電壓現(xiàn)象，放大了變壓器高壓側(cè)到低壓側(cè)的傳遞過(guò)電壓；當(dāng)采用電感電流來(lái)抵消電容電流時(shí)，無(wú)法抵消弧光接地時(shí)的全部高頻分量，不能有效地限制弧光接地過(guò)電壓。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)集電線路采用電纜線路，且線路較長(zhǎng)電容電流大于10A時(shí)，35kV中性點(diǎn)一般采用消弧線圈接地方式。

3.經(jīng)小電阻接地方式

對(duì)于中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的系統(tǒng)，在線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流一般在100～1000A之間。保護(hù)裝置可以根據(jù)檢測(cè)到的故障電流，快速切除接地線路，從而不易使故障點(diǎn)發(fā)展為兩點(diǎn)接地故障，有利于縮短故障線路修復(fù)時(shí)間。在接地故障期間，非故障相的電壓也不高于線電壓。此外，這種接地方式可以將系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)運(yùn)行設(shè)備及城市通信系統(tǒng)的影響限制到最小程度；中性點(diǎn)設(shè)備投資費(fèi)用也不高；事故率可降低，有利于整個(gè)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。對(duì)部分架空供電線路，還可以采用自動(dòng)重合閘裝置，以提高其對(duì)用戶供電的可靠性。

四、風(fēng)電場(chǎng)35kV接地方式選擇

當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)35kV集電電纜較長(zhǎng)時(shí)，需要的消弧線圈容量很大，會(huì)超出廠家可以生產(chǎn)的最大容量的消弧線圈，此時(shí)可以采用經(jīng)小電阻接地方式。與經(jīng)消弧線圈方式相比，經(jīng)小電阻接地方式改變了接地電流相位，加速了回路中的殘余電荷的泄放，促使接地電弧自熄，降低弧光間歇接地過(guò)電壓，同時(shí)可提供足夠的電流和零序電壓，使零序保護(hù)可靠動(dòng)作。

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障相的穩(wěn)態(tài)電壓升高比采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式的穩(wěn)態(tài)電壓升高稍低。由于其顯著的阻尼作用，可消除由于各種原因引起的系統(tǒng)諧振過(guò)電壓，采用電阻接地是消除頻繁發(fā)生的PT諧振過(guò)電壓的最有效的辦法。中性點(diǎn)電阻對(duì)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)位移電壓具有抑制作用，使中性點(diǎn)位移電壓減小。在正常運(yùn)行時(shí)，接地變壓器和接地電阻幾乎是處于空載狀態(tài)，只有在發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地變才承受短時(shí)沖擊電流。

采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，有利于無(wú)間隙避雷器的使用，不僅限制系統(tǒng)內(nèi)的過(guò)電壓水平，又可以降低雷電沖擊過(guò)電壓水平。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地與線路零序保護(hù)配合，可準(zhǔn)確地判斷出故障線路并迅速切除，有利于可靠切除故障集電線路，減小對(duì)系統(tǒng)影響。同時(shí)故障時(shí)由于及時(shí)切除電源，可減少發(fā)生人身安全事故的機(jī)會(huì)。

當(dāng)線路參數(shù)不對(duì)稱會(huì)產(chǎn)生流過(guò)接地變壓器中性點(diǎn)的零序電流，變電所接地網(wǎng)接地不良會(huì)導(dǎo)致接地變壓器中性點(diǎn)零序電壓加大。線路參數(shù)不對(duì)稱達(dá)到一定的程度或兩個(gè)因素的同時(shí)存在將引起接地變壓器零序電流保護(hù)誤動(dòng)。因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電纜線路參數(shù)對(duì)稱性及變電所接地網(wǎng)接地完好性的監(jiān)測(cè)。

綜上所述，當(dāng)電容電流小于10A時(shí)，可以選用中性點(diǎn)不接地方式。當(dāng)電容電流大于10A時(shí)，采用經(jīng)消弧線圈接地方式較合適?？紤]到經(jīng)消弧線圈接地方式均采取過(guò)補(bǔ)償方式，目前消弧線圈最大制造容量為3150kVA，其對(duì)應(yīng)的允許電容電流應(yīng)為100A左右，再考慮脫諧度10%的要求，當(dāng)集電網(wǎng)系統(tǒng)的電容電流超過(guò)80A時(shí)，不宜選用經(jīng)消弧線圈接地方式，而宜選用經(jīng)小電阻接地方式。當(dāng)集電線路采取較長(zhǎng)電纜線路時(shí)，從技術(shù)性能上分析，風(fēng)電場(chǎng)升壓站低壓側(cè)中性點(diǎn)宜采用低電阻接地方式，并配置集電線路零序保護(hù)和監(jiān)測(cè)電纜線路參數(shù)對(duì)稱性及變電所接地網(wǎng)接地完好性。

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