小電阻接地方式在風電場設(shè)計中的應(yīng)用

楊建楠

(中國電力建設(shè)工程咨詢公司，北京 100120)

小電阻接地方式在風電場設(shè)計中的應(yīng)用

楊建楠

(中國電力建設(shè)工程咨詢公司，北京 100120)

隨著風力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，風電場單向接地故障導(dǎo)致的并網(wǎng)問題日益顯現(xiàn)。本文通過對比，建議風電場中性點接地形式選用小電阻接地。通過工程實例，比較了兩種典型的小電阻接地設(shè)計方案，同時對其保護配置和可靠性進行了分析。

風電場；中性點接地；小電阻。

1 概述

從2008年開始，經(jīng)過5年連續(xù)高速發(fā)展，我國風電產(chǎn)業(yè)累計裝機容量達到13425萬kW，居世界第一位。然而伴隨著產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展和大規(guī)模風電基地建設(shè)，并網(wǎng)安全問題始終是懸在我國風電產(chǎn)業(yè)頭頂?shù)摹斑_摩克利斯之劍”：截至2013年底我國風電并網(wǎng)容量7758萬kW，并網(wǎng)容量只占總?cè)萘康?8%。除可再生能源間歇性的特點外，風電場供電的安全性和可靠性也一直為人所詬病。2011年，我國西北、華北東北等地多次發(fā)生的風電場脫網(wǎng)事故仍歷歷在目，調(diào)查顯示除設(shè)備自身故障外，接地故障導(dǎo)致的事故擴大是導(dǎo)致風電場并網(wǎng)問題的主因。由此可見，選擇可靠易用、經(jīng)濟性合理的中性點接地方式成為了風電場設(shè)計的關(guān)鍵要素。

2 風電場中性點接地方式的選擇

隨著風機技術(shù)的發(fā)展，目前我國絕大多數(shù)新建風電場均朝著大機組，大容量方向發(fā)展。傳統(tǒng)的49.5MW規(guī)模已無法滿足經(jīng)濟性要求。隨著風電場規(guī)模的擴大，在35kV集電線路側(cè)電容電流大于10A時，中性點可選擇小電阻接地或經(jīng)消弧線圈接地方式。經(jīng)消弧線圈接地是以往設(shè)計中常采用的方式，其特點是當發(fā)生單向接地故障時，系統(tǒng)可通過其形成一個與接地電流幅值相似、但方向相反的補償電流，從而達到抵消接地電容電流，熄滅接地電弧，防止故障擴大的目的。然而經(jīng)消弧線圈接地方式在工程運行中被證實易導(dǎo)致諧振過電壓，且與繼電保護裝置的配合情況較差，導(dǎo)致系統(tǒng)單相接地故障線路選擇成為一個棘手難題。而中性點經(jīng)小電阻接地方式則能避免諧振過電壓，同時可以降低操作過電壓，且能夠準確選定故障線路，及時切除，防止事故擴大化。這一特點給現(xiàn)場運行維護人員提供了極大便利。根據(jù)國家電網(wǎng)《風電并網(wǎng)運行反事故措施要點》中的相關(guān)要求：風電場匯集線系統(tǒng)單相故障應(yīng)而中性點經(jīng)小電阻接地方式則能避免諧振過電壓，同時可以降低操作過電壓，且能夠準確選定故障線路，及時切除，防止事故擴大化。因此，在現(xiàn)代風電場設(shè)計中，中性點經(jīng)小電阻接地成為了最佳選擇。

以下將通過工程實例從技術(shù)經(jīng)濟角度比較小電阻接地的幾種接線方式優(yōu)劣。

3 中性點經(jīng)小電阻接地方式比較

以內(nèi)蒙古赤峰某200MW風電場為例，若采用中性點經(jīng)小電阻接地方式，則電氣主接線方案有如下2種配置：

3.1 主變壓器為Y－Y接線，低壓側(cè)帶有中性點

主變壓器選擇一臺帶平衡繞組的有載調(diào)壓變壓器，接線組別為YNyn0。低壓側(cè)中性點采用小電阻接地。電氣主接線示意圖見圖1。

圖1 主變壓器為Y－Y接線，小電阻在主變壓器低壓側(cè)中性點接地

由于主變壓器兩側(cè)均 為星形接線，為使3次諧波電流有循環(huán)通路，改善感應(yīng)電壓波形，保證供電質(zhì)量，需在主變壓器上增設(shè)一組平衡繞組。當一次側(cè)采用此種接線方式時，接地系統(tǒng)二次保護配置除設(shè)置低壓側(cè)線路過電流保護、零序過電流保護外，可增加主變低壓側(cè)零序過電流保護，作為單項接地故障的后備保護。

采用此種接線方式的電氣系統(tǒng)優(yōu)點在于接線簡單，所用設(shè)備少，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，降低了運行難度和設(shè)備故障率。同時二次側(cè)保護配置簡單，利于維護。缺點是當?shù)蛪簜?cè)發(fā)生單項接地故障時，故障零序電流通過低壓側(cè)中性點小電阻接地。當零序電流較大時，可能會導(dǎo)致主變差動保護誤動作。若提高差動保護動作闕值，則間接損害了差動保護靈敏度。

3.2 主變壓器為Y－△接線，低壓側(cè)不帶中性點

主變壓器選擇一臺三項有載調(diào)壓變壓器，接線組別為YNd11。當主變壓器低壓側(cè)為三角形接線時，無中性點引出，則需人為增設(shè)中性點。常用的辦法是在低壓側(cè)增設(shè)Z型接線的接地變壓器，小電阻通過接地變接地。電氣主接線示意圖見圖2。

Z型接地變壓器的將三相鐵心的每個芯柱上的繞組平均分為兩段，兩段繞組極性相反，故當同芯柱的兩個極性相反繞組通過相等的零序電流時，其產(chǎn)生的磁通互相抵消，變壓器對零序電流呈低阻抗形式。而三相繞組按Z形連接成為星型接線，使得其可以外接低壓繞組，兼作廠用變壓器使用。電氣主接線示意圖見圖3。

當一次側(cè)采用接地變壓器與小電阻相連時，應(yīng)在接地變壓器上中性點配置零序過電流分段保護作為單項接地故障保護。接地變壓器配置電流速斷保護和三相過電流保護作為變壓器自身故障保護。

采用此種接線方式的電氣系統(tǒng)優(yōu)點為節(jié)省主變壓器投資，且降低主變壓器故障率，使運行更為可靠。尤其是當風電場分期建設(shè)時，將接地變壓器兼作廠用變使用，可節(jié)省相應(yīng)變壓器、開關(guān)柜及配電室面積。但將接地變與廠用變合并，無形中增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。限于規(guī)模和投資，風電場一般不設(shè)置柴油發(fā)電機等保安電源，當中性點接地系統(tǒng)發(fā)生故障時，將會導(dǎo)致廠用斷電。反之，當廠用電系統(tǒng)回路出現(xiàn)問題，則會導(dǎo)致系統(tǒng)中性點接地系統(tǒng)退出運行，同樣會對運行安全造成影響。

3.3 技術(shù)經(jīng)濟比選

以上兩種方式主要接線方式均可滿足風電場安全并網(wǎng)穩(wěn)定運行的需要，且在以往工程實例中得到了良好反饋。結(jié)合大量實際工程實例和當下招投標市場狀況，兩種接線方式的主要技術(shù)經(jīng)濟指標見表1。

表1 不同方式的小電阻接地方案技術(shù)經(jīng)濟性比較

經(jīng)過比選可知，采用主變低壓側(cè)帶有中性點的接線方式不僅接線簡單，同時也更加利于風電場投產(chǎn)后的運行維護。雖然此方案由于需要增加平衡繞組導(dǎo)致設(shè)備初投資較大，但隨著風電場規(guī)模的不斷擴大及風機設(shè)備價格的不斷下跌，良好的運行穩(wěn)定性會使發(fā)電收益得到充分保障，增加的成本完全能夠分攤至日后的運營收入中，不會對項目可行性造成實質(zhì)性影響。

4 結(jié)論

通過對當下設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求把握和對工程實例的具體分析，可以看出最適合大型風電場中性點接地的方式為中性點經(jīng)小電阻接地。而在中性點經(jīng)小電阻接地的幾種常見設(shè)計方案中，主接線采用主變壓器Y－Y接線，即低壓側(cè)帶有中性點的方案技術(shù)性能最佳。為了配合這種接線方式，需在主變壓器增設(shè)一組平衡線圈。而在以往設(shè)計中被廣泛采用的低壓側(cè)增設(shè)接地變壓器，且與廠用變合用的方式雖然節(jié)省了初投資，但卻犧牲了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性，故不做推薦方案使用。

[1]李謙，靳曉東，王曉瑜，招譽頤．配電系統(tǒng)中性點經(jīng)電阻接地方式限制弧光接地過電壓的仿真研究[J]．廣西電力技術(shù)，1995(01)．

[2]董進成．變電站35kV中性點經(jīng)小電阻接地的成功應(yīng)用[J]．冶金動力，2010(S1)．

Application of Small Resistance Grounding Manner in Wind Power Plant Design

YANG Jian-nan
(China Power Construction Engineering Consulting，Beijing 100120, China)

Due to the increasingly development of windfarm, Single－phase－to－ground fault became a crucial subject. By comparison, this article suggests that the neutral ground selection in windfarm should be small resistance grounding. Also review and reliability analyses of two typical small resistance grounding design are showed.

windfarm; neutral ground; small resistance.

TM614

B

1671-9913(2014)03-0073-04

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.015

2013-12-01

楊建楠(1987- )，男，北京人，碩士，從事新能源和EPC總承包電氣專業(yè)工作和研究。