风力和光伏发电站中性点接地设备选型

作者简介：肖思达（1994—），男，硕士，研究方向为电力系统分析计算。E-mail: 1611219898@qq.com。

王雪娜（1997—），女，硕士，研究方向为风能发电和太阳能发电。E-mail: 1944889584@qq.com。

0   引言

风力和光伏发电系统集电线路常常采用电缆的形式汇集电能。35 kV 电压等级集电线路使用电缆直埋敷设，其对地电容电流约为架空集电线路对地电容电流的30 ～ 45 倍。因此，当大量采用电缆输送电能，在发生单相对地短路时，故障点会产生暂时过电压，从而损坏电缆绝缘^[1]。若发生故障不能及时处理，将会导致事故扩大，造成更大的经济损失。根据《交流电气装置过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T 50064—2014），当单相接地故障电容电流较大时，可采用中性点低电阻接地方式。并要求中性点接地电阻在满足单相接地继电保护可靠性和过电压绝缘配合的前提下选择较大阻值。在国家电网有限公司颁布的《防止风电大面积脱网重点措施》中要求，风电场应采取切实有效的措施，确保汇集线系统故障快速切除，防止扩大恶化。对新建风电场，建议汇集线系统采用经电阻接地方式，并配置单相接地故障保护。本文对接地变压器和中性点接地电阻值选择过程进行分析计算，总结出几种风力和光伏发电系统中常见的接地变和接地电阻选型结果。

1   Z型接地变工作原理

在实际的工程应用中，国内大多数集中并网的风力和光伏发电站都采用35 kV 电压等级汇集电能至升压站主变低压侧进行升压后送出，而主变35 kV 侧通常为D型接线，无中性点引出。因此，需要人为地创造一个中性点，使得35 kV 系统具备中性点接地的条件。ZN型接线的变压器通常作为接地变的最佳选择[2-3]，其结构如图1 所示。

图1 ZN型接地变压器结构示意图

由图1 可知，接地变铁芯由3 个芯柱构成，每个芯柱上绕有两段绕组，两段绕组之间极性相反，并且在A”，B”，C”等处形成中性点，连成星型接线。当系统35 kV 侧发生单相接地故障时，根据对称分量法将短路电流分为正序分量、负序分量和零序分量。对于正序和负序电流来说，接地变压器相当于处于空载状态，接地变压器励磁阻抗较大，流过很小的励磁电流，接地变在此联结状态下的正序和负序阻抗约等于励磁阻抗，对地相当于开路。对于零序电流，其在三相绕组中相位和大小相同，由于每个芯柱上两段绕组的极性相反，故其产生的磁通相互抵消，磁阻较小，流过中性点的容性电流为三相容性电流之和。所以ZN 型接地变压器对零序电流为低阻抗，零序电流可以顺利流向中性点，对地相当于短路。风电和光伏发电站系统中，场区箱式变压器的联结方式通常为Dyn11，而110 kV 及以上电压等级的升压站主变压器联结方式通常为YNd11。故，风力和光伏发电系统中35 kV 侧发生单相接地故障时，零序电流不能在箱变和主变压器中流通，仅通过接地变中性点流向大地。而正序和负序电流则通过箱变和主变流向系统。因此可以得出影响35 kV 侧中性点电流大小的因素主要包括中性点接地电阻和接地变零序阻抗（通常忽略不计）的大小。

2   接地电容电流的计算

电力线路的电纳取决于导线周围的电场分布情况，由于线路中交流电的周期性变化，因此在电力线路与地之间形成规律性充放电的过程，进而形成电力线路对地的容性电流。

电力线路等值电路如图2 所示。

在风力和光伏发电系统中，通常会将集电线路的压降控制在5% 以内，因此通常压降忽略不计，在计算过程中取线路平均电压进行计算。对于额定线电压为35 kV 的电力线路，取线路平均线电压为37 kV。

忽略线路压降的影响，故线路单相接地电容电流可用式（1）~（3）计算得出：

故

在实际的工程应用中，电缆线路单相接地电容电流通常以式（4）进行估算：

式中，Ic 为单相接地电容电流，A/km；Uav 线路平均线电压，kV；C 为单相对地电容，μF/km；ω 为系统角频率；L 为电缆长度。电缆在汇集电能后通过变电站统一送出，因此需考虑变电站对增加接地电容电流的影响。额定电压为35 kV 的线路，其带来的附加值按照13% 计算^[4]。

3   中性点电阻值

根据理论分析和运行经验表明，对于主要由电缆组成的中压电网，采用低电阻接地方式可瞬时断开故障线路^[5-7]。在中压电网中采用小电阻接地能有效地解决电缆产生的永久型故障和暂时过电压。根据《导体和电器选择设计技术规定》（DL/T 5222—2005）设计要求，采用低电阻接地时，接地电阻选择计算如式（5）~（7）所示：

式中，UR 为电阻的额定电压，kV；R_N 为中性点接地电阻值，Ω；U_N 为系统线电压，kV；I_d 为选定的单相接地电流，A；k 为单相对地接地短路时电阻电流与电容电流的比值；PR 为电阻消耗功率，kW。

根据文献^[8]计算可知，

当k=1 时，可将过电压限制在2.80 p.u.；

当k=1.5 时，可将过电压限制在2.39 p.u.；

当k=2 时，可将过电压限制在2.20 p.u.；

当k=3 时，可将过电压限制在2.029 p.u.。

根据规范《额定电压1 kV(Um=1.2 kV)~35 kV(Um=40.5 kV) 挤包绝缘电力电缆及附件第3 部分：额定电压35 kV(Um=40.5 kV) 电缆》（GB/T 12706.3—2020）中电压实验要求，35 kV 电缆能在环境温度下承受3.5 倍额定工频交流电压5 min，承受2.5 倍额定工频交流电压30 min。而风力和光伏发电系统中35 kV 集电线路电缆发生单相接地故障时，要求系统能及时切除故障，通常集电线路后备保护的动作时间不超过2 s。因此，当k ≥ 1 时，可保证电缆在暂时过电压下绝缘不被击穿。在规范《配电系统中性电接地电阻器》（DL/T780—2001）中，推荐通过电阻器的额定电流有3、7、16、25、50、100、200、400、630、800、1 250、1 600、2 000 A。对于本文研究的内容来说，IC ＞ 10 A。在工程实际中，通常取电阻器通过的额定电流为100 ～ 630 A，根据式（6），取UN 为35 kV，则得出中性点电阻在不同入地电流下的取值如表1 所示。

4   接地变容量计算

在计算接地变压器容量时，参考规范《导体和电器选择设计技术规定》（DL/T 5222—2005），三相接地变压器的容量应与接地电阻容量相匹配。

接地变压器容量可按式（8）得出

式中：SN 为接地变压器容量。

结合式（7）和表1，可得出接地变的容量如表2 所示。

由于接地变的运行规律为长时空载，短时负载。因此，在接地变选择时可按照短时负载状态进行选择。根据《IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems, Part III - Generator Auxiliary Systems》（IEEE C 62.92.3—2012）规定，当故障能在短时间内被清除时，变压器的过载能力可按照表3 选择。

集电线路后备保护的动作时间不超过2 s，因此取接地变过载时间为10 s 是足够的，此时接地变具备10.5倍的过载能力。

综合以上结论，考虑一定的过载能力后，得出接地变压器的容量如表4 所示。

若接地变兼做站用变考虑时，接地变容量还应根据二次绕组负荷进行综合考虑。

5   结束语

在集中并网型风力和光伏发电站中，根据其工程特点正确选用接地变+ 接地电阻接地方式可快速地切除集电线路产生的接地故障。不仅如此，接地变+ 接地电阻接地方式能够最大限度地抑制暂时过电压，避免因电缆绝缘受损而导致事故扩大。本文根据这一特点，不仅提供了接地电阻和接地变选择的基本计算方法，还推荐了工程应用中几种常见的接地电阻值和接地变容量选择，以供工程技术人员参考。

参考文献：

[1] 要焕年,曹梅月.电力系统谐振接地[M].北京:中国电力出版社,2009.

[2] 俞俭书.接地变压器选择[J].中国电力,2000(8):41-44.

[3] 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合/DL/T 620-1997[S].北京:中国电力出版社,1997.

[4] 弋东方.电力工程电气设计手册 第一册:电气一次部分[M].北京:中国电力出版社,1989.

[5] 要焕年,曹梅月.电缆网络的中性点接地方式问题[J].电网技术,2003(2):84-89.

[6] 李凯,康世崴,白茂金.山东电网35 kV系统中性点小电阻接地方式分析[J].国网技术学院学报,2020,23(5):10-13.

[7] 童奕宾,尤智文,李姝.小电阻接地系统间歇性弧光过电压分析[J].电力系统及其自动化学报,2012,24(3):116-120.

[8] 高力.小电阻接地系统中接地变和小电阻选型研究[J].电力勘测设计,2020(8):23-29.

（本文来源于必威娱乐平台 杂志2021年9月期）