風力和光伏發電站中性點接地設備選型

作者簡介：肖思達（1994—），男，碩士，研究方向為電力系統分析計算。E-mail: 1611219898@qq.com。

王雪娜（1997—），女，碩士，研究方向為風能發電和太陽能發電。E-mail: 1944889584@qq.com。

0   引言

風力和光伏發電系統集電線路常常采用電纜的形式匯集電能。35 kV 電壓等級集電線路使用電纜直埋敷設，其對地電容電流約為架空集電線路對地電容電流的30 ～ 45 倍。因此，當大量采用電纜輸送電能，在發生單相對地短路時，故障點會產生暫時過電壓，從而損壞電纜絕緣^[1]。若發生故障不能及時處理，將會導致事故擴大，造成更大的經濟損失。根據《交流電氣裝置過電壓保護和絕緣配合設計規范》（GB/T 50064—2014），當單相接地故障電容電流較大時，可采用中性點低電阻接地方式。并要求中性點接地電阻在滿足單相接地繼電保護可靠性和過電壓絕緣配合的前提下選擇較大阻值。在國家電網有限公司頒布的《防止風電大面積脫網重點措施》中要求，風電場應采取切實有效的措施，確保匯集線系統故障快速切除，防止擴大惡化。對新建風電場，建議匯集線系統采用經電阻接地方式，并配置單相接地故障保護。本文對接地變壓器和中性點接地電阻值選擇過程進行分析計算，總結出幾種風力和光伏發電系統中常見的接地變和接地電阻選型結果。

1   Z型接地變工作原理

在實際的工程應用中，國內大多數集中并網的風力和光伏發電站都采用35 kV 電壓等級匯集電能至升壓站主變低壓側進行升壓后送出，而主變35 kV 側通常為D型接線，無中性點引出。因此，需要人為地創造一個中性點，使得35 kV 系統具備中性點接地的條件。ZN型接線的變壓器通常作為接地變的最佳選擇[2-3]，其結構如圖1 所示。

圖1 ZN型接地變壓器結構示意圖

由圖1 可知，接地變鐵芯由3 個芯柱構成，每個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，連成星型接線。當系統35 kV 側發生單相接地故障時，根據對稱分量法將短路電流分為正序分量、負序分量和零序分量。對于正序和負序電流來說，接地變壓器相當于處于空載狀態，接地變壓器勵磁阻抗較大，流過很小的勵磁電流，接地變在此聯結狀態下的正序和負序阻抗約等于勵磁阻抗，對地相當于開路。對于零序電流，其在三相繞組中相位和大小相同，由于每個芯柱上兩段繞組的極性相反，故其產生的磁通相互抵消，磁阻較小，流過中性點的容性電流為三相容性電流之和。所以ZN 型接地變壓器對零序電流為低阻抗，零序電流可以順利流向中性點，對地相當于短路。風電和光伏發電站系統中，場區箱式變壓器的聯結方式通常為Dyn11，而110 kV 及以上電壓等級的升壓站主變壓器聯結方式通常為YNd11。故，風力和光伏發電系統中35 kV 側發生單相接地故障時，零序電流不能在箱變和主變壓器中流通，僅通過接地變中性點流向大地。而正序和負序電流則通過箱變和主變流向系統。因此可以得出影響35 kV 側中性點電流大小的因素主要包括中性點接地電阻和接地變零序阻抗（通常忽略不計）的大小。

2   接地電容電流的計算

電力線路的電納取決于導線周圍的電場分布情況，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律性充放電的過程，進而形成電力線路對地的容性電流。

電力線路等值電路如圖2 所示。

在風力和光伏發電系統中，通常會將集電線路的壓降控制在5% 以內，因此通常壓降忽略不計，在計算過程中取線路平均電壓進行計算。對于額定線電壓為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）計算得出：

故

在實際的工程應用中，電纜線路單相接地電容電流通常以式（4）進行估算：

式中，Ic 為單相接地電容電流，A/km；Uav 線路平均線電壓，kV；C 為單相對地電容，μF/km；ω 為系統角頻率；L 為電纜長度。電纜在匯集電能后通過變電站統一送出，因此需考慮變電站對增加接地電容電流的影響。額定電壓為35 kV 的線路，其帶來的附加值按照13% 計算^[4]。

3   中性點電阻值

根據理論分析和運行經驗表明，對于主要由電纜組成的中壓電網，采用低電阻接地方式可瞬時斷開故障線路^[5-7]。在中壓電網中采用小電阻接地能有效地解決電纜產生的永久型故障和暫時過電壓。根據《導體和電器選擇設計技術規定》（DL/T 5222—2005）設計要求，采用低電阻接地時，接地電阻選擇計算如式（5）~（7）所示：

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

根據文獻^[8]計算可知，

當k=1 時，可將過電壓限制在2.80 p.u.；

當k=1.5 時，可將過電壓限制在2.39 p.u.；

當k=2 時，可將過電壓限制在2.20 p.u.；

當k=3 時，可將過電壓限制在2.029 p.u.。

根據規范《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）中電壓實驗要求，35 kV 電纜能在環境溫度下承受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。而風力和光伏發電系統中35 kV 集電線路電纜發生單相接地故障時，要求系統能及時切除故障，通常集電線路后備保護的動作時間不超過2 s。因此，當k ≥ 1 時，可保證電纜在暫時過電壓下絕緣不被擊穿。在規范《配電系統中性電接地電阻器》（DL/T780—2001）中，推薦通過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。對于本文研究的內容來說，IC ＞ 10 A。在工程實際中，通常取電阻器通過的額定電流為100 ～ 630 A，根據式（6），取UN 為35 kV，則得出中性點電阻在不同入地電流下的取值如表1 所示。

4   接地變容量計算

在計算接地變壓器容量時，參考規范《導體和電器選擇設計技術規定》（DL/T 5222—2005），三相接地變壓器的容量應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。

由于接地變的運行規律為長時空載，短時負載。因此，在接地變選擇時可按照短時負載狀態進行選擇。根據《IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part III - Generator Auxiliary Systems》（IEEE C 62.92.3—2012）規定，當故障能在短時間內被清除時，變壓器的過載能力可按照表3 選擇。

集電線路后備保護的動作時間不超過2 s，因此取接地變過載時間為10 s 是足夠的，此時接地變具備10.5倍的過載能力。

綜合以上結論，考慮一定的過載能力后，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，接地變容量還應根據二次繞組負荷進行綜合考慮。

5   結束語

在集中并網型風力和光伏發電站中，根據其工程特點正確選用接地變+ 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過電壓，避免因電纜絕緣受損而導致事故擴大。本文根據這一特點，不僅提供了接地電阻和接地變選擇的基本計算方法，還推薦了工程應用中幾種常見的接地電阻值和接地變容量選擇，以供工程技術人員參考。

參考文獻：

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[8] 高力.小電阻接地系統中接地變和小電阻選型研究[J].電力勘測設計,2020(8):23-29.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期）