陈亮亮，韩 源，杨镇澴，马 琴

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)04—0081—04

风电场汇集线系统中性点接地方式的设计及设备选择

陈亮亮，韩 源，杨镇澴，马 琴

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

结合规范以及国家电网公司相关条文的要求，详细阐述了风电场汇集线系统中性点接地方式的最优设计方案的分析过程，并介绍了按照该方案如何选择电气设备的关键参数及其注意事项，交流了设计思路和设备选择，为相关设计提供了参考。

风电场；汇集线系统；中性点接地

风电场近年来装机规模不断增大，但是技术发展的滞后及规程规范的缺失使得设计、制造及安装环节均存在不同程度的隐患，给电网的安全运行带来了很多问题，其中又以汇集线系统中性点接地方式的设计更具代表性。

1 汇集线系统中性点接地方式的特点

早期风电场汇集线系统中性点接地方式的设计基本都是遵循文献[1]的设计要求，采用不接地、经消弧线圈或低电阻的接地方式，也曾有采用经消弧柜的接地方式，这几种接地方式各有其运行特点。

1.1 中性点不接地方式

这种运行方式的工作原理是：当发生接地故障时，由于不会形成回路，且通过短路点的电流仅为接地电容电流，当故障电流很小时，只要对地电位发生变化，短路点电弧可自熄，绝缘亦可恢复，大大提高了供电可靠性。但如果发生间歇性弧光过电压，使得健全相的电位可能升高，会造成击穿设备的绝缘的危害。

1.2 中性点经电阻接地方式

这种运行方式的工作原理是：给系统故障点注入阻性电流，使接地故障电流呈阻容性质。减小电容电流与电压的相位差角，降低故障点电流过零熄弧后的重燃，当阻性电流足够大时，重燃将不再发生，同时把系统电压控制在2.5倍相电压以内，并提高了继电器保护灵敏度。

(1) 优点：① 能快速切除故障，过电压水平低，消除谐振过电压；② 有利于降低操作过电压，对全电缆线路，大部分接地故障为永久性故障，可不投入线路重合闸，不会引起操作过电压；③ 在以电缆线路为主的系统中，与线路零序保护配合，可准确判断出故障线路并迅速切除。

(2) 缺点：① 发生短路故障时，保护设备立即动作切除故障，增加了停电次数，供电可靠性较低；② 数百安的接地电流会引起故障点接地网的地电位升高，危及设备和人身安全。

1.3 中性点经消弧线圈接地方式

这种运行方式的工作原理是：当发生接地故障时，对单相接地电容电流进行有效补偿，而当故障点的残余电流降至10 A以下，利用消弧线圈易于熄弧和防止重燃的特点，使过电压持续时间大为缩短，降低高幅值过电压出现的概率，进而防止事故的发生与扩大。

(1) 优点：① 保证了供电的可靠性与连续性，系统在单相接地故障下允许运行2 h;② 经消弧线圈补偿后，接地点的残流较小，降低了故障相电压的恢复速度，达到熄弧效果，有利于系统稳定运行;③ 降低了电网绝缘闪络接地故障电流的建弧率，从而降低了线路跳闸率;④ 降低接地工频电流并限制地电位升高，减小了跨步电位差和接地电位差，减少对低电压设备的反击。

(2) 缺点：① 发生故障时，健全相的电压超过3倍相电压，对设备的绝缘水平要求较高。② 谐振接地系统发生单相接地故障时，由于消弧线圈的补偿作用，故障电流值较小以及电弧不稳定等因素，造成接地故障选线比较困难。③ 消弧线圈自动跟踪补偿是在工频下完成的，当采用电感电流来抵消电容电流时，对于弧光接地时的高频分量部分无法抵消，因而不能消除弧光接地过电压。④ 电缆线路一旦发生故障，多为永久故障。在谐振接地不跳闸情况下，电网带接地故障运行存在着引发两相或三相接地短路故障的危险性，故障容易发展成永久型的相间短路故障。⑤ 只能运行在过补偿状态，不能运行在欠补偿状态；因为在欠补偿状态下运行，当线路故障切除时，易产生严重的谐振过电压，危及设备安全。⑥ 在某些特殊情况下，线路不对称度较大，特别是线路发生单相或两相断线时，对于该接地系统有可能引起串联谐振，从而危及设备安全。

1.4 中性点经消弧柜接地方式

这种运行方式的工作原理是：当发生接地故障时，通过消弧柜接地装置实现金属性接地，并通过小电流接地选线装置查找故障线路，最终利用消弧装置实现消弧功能，防止过电压的产生。

(1) 优点：① 实用性高、结构简单、造价低；② 不受接地故障点的影响，也不受电网对地电容电流的影响，而且响应速度快，既能快速处理稳定性弧光接地，也能快速处理间歇性弧光接地，抑制弧光接地过电压，同时还能预防故障电压区因单相接地造成的触点事故，防止进一步扩大事故；③ 不仅可以消除和限制操作过电压，而且还可以消除大气过电压，保证了系统的安全运行。

(2) 缺点：① 消弧柜动作对系统的冲击大，安全可靠性差，在保护动作恢复时，还易引发谐振而烧坏电气设备是它难以克服的缺点；② 若保护动作投错相，或保护动作后系统又发生异相接地，将形成相间短路，对系统造成更大的危害，不符合电力系统对保护装置安全性的要求；③ 电容电流过大致使消弧装置无法满足功能需要，且装置本身也容易在巨大的接地电流下被击穿。

2 汇集线系统中性点接地方式的电网要求

中国国家电网公司为了更好地规范和统一风电场汇集线系统的中性点接地方式，于2011年出版了《风电场电气系统典型设计》，对35 kV侧的接地有了相对明确的要求：① 风电场35 kV系统应采用经电阻或消弧线圈接地方式，不应采用不接地或经消弧柜接地方式。② 经电阻接地的35 kV系统应满足单相接地故障情况下，继电保护正确选择、快速切除的要求，同时应兼顾风电机组的运行电压适应性要求；③ 经消弧线圈接地系统应满足单相接地故障可靠选线，快速切除的要求。

同年，在经历了酒泉风电基地大规模风机脱网事故后，国家电网公司又相继下发了《防止风电大规模脱网重点措施》(西电调字[2011]59号)及《风电并网运行反事故措施要点》(国家电网调2011[974]号)等一系列文件，进一步加强了对风电场汇集线系统中性点接地方式的要求：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。汇集线系统采用不接地或经消弧线圈接地方式的风电场， 应配置带跳闸功能的小电流接地选线装置，在单相接地后快速切除故障，若不成功则跳开主变低压侧开关隔离故障。

考虑到风电场内的馈线大量使用电缆，而电缆故障绝大多数为永久性故障，电缆单相接地故障可能因过电压发展为相间故障导致风电机组机端电压降低，造成风电场内其它机组因低电压保护动作而脱网，扩大事故范围；同时风电场作为发电系统，年利用小时数较低，不存在对用户连续供电，且切除单条馈线对风电场及电网的运行影响均不大，所以电力系统更推荐汇集线系统中性点采用经低电阻接地的方式。

综上所述，目前风电场汇集线系统中性点接地方式的选择，如表1所示。

表1 接地方式选择表

3 汇集线系统中性点接地方式的设计 要求

(1) 接地电阻安装位置的选择

目前风电场汇集线系统的中性点引出方式一般有2种方案。方案1是装设接地变压器及开关设备，通过接地变压器引出中性点；方案2是主变压器采用YNyn0dll型联结组别，从主变压器中压侧直接引出中性点。2种方案具体如图1所示。

图1 风电场汇集线系统中性点引出方式图

从2种方案的对比不难看出，方案1需要增加接地变压器及开关设备的投资，方案2需要增加主变压器的投资，2种方案从经济性上来说差别不大，但是作为发电系统，根据工程经验采用方案1比较合适，而如果按照变电站的设计思路则习惯采用方案2。

(2) 接地变压器容量的选择

风电场汇集线系统正常运行时，接地变压器的绕组仅流过很小的励磁电流，当系统发生单相短路故障时，绕组中才流过较大的系统短路电流。接地变压器的容量原则上应不小于接地电阻的额定容量。文献[2]第18.3.4条对接地变压器的容量要求：

SN≥PR

式中：PR为接地电阻额定容量。

由于低电阻接地系统发生单相短路故障时要求快速切除，根据继电保护要求，其持续时间应小于10 s，因此接地变压器容量计算时应充分考虑变压器的10 s短时过载能力。文献[5]对接地变压器的短时过负荷系数作出规定，如表2所示。

表2 接地变压器的短时过负荷系数表

(3) 接地电阻电流的选择

低电阻接地系统当发生单相接地短路时，流过故障点的接地故障电流为电容电流与电阻电流的“合”电流。

架空线路电容电流应根据下式计算：

Ic1=(2.7～3.3)×Ue×L×10-3

电缆线路电容电流应根据下式计算：

Ic2=0.1×Ue×L

总的电容电流应根据下式计算：

Ic=Ic1+Ic2

电阻电流应根据下式计算：

IR=(1～1.5)×Ic

接地故障电流应根据下式计算：

式中：L为线路长度，km；Ue为额定线电压，kV。

其中接地故障电流的选择还应结合以下几个方面进行考虑：

(1) 为获得快速选择性继电保护所需的足够电流，需要较大的接地故障电流，目前低电阻接地系统一般采用接地故障电流为100～1 000 A[1]。

(2) 从降低弧光过电压幅值考虑，一般取电阻电流为1～1.5倍的电容电流，可以限制内部过电压不超过2.6倍，进一步提高阻性电流对降低内部过电压收效不大[4]。

(3) 从保护人身安全、降低通信干扰、满足设备短时及峰值耐受、降低接地设备容量及投资方面考虑，接地故障电流又不能太大。

(4) 风电场作为发电系统，建成后由于各项参数变化导致35 kV系统电容电流增加很多的可能性很小，因此故障电流不用考虑太多裕量。

综上所述，当系统发生单相接地电容电流较小时，宜按Id不小于100 A进行考虑，IR可取100 A；当电容电流较大时，IR可按相应电容电流的1～1.5倍进行考虑。

4 工程实例

新疆某风电场，装机规模200 MW，处于戈壁平原地区，配套建设一座110 kV升压变电站。根据接入系统设计及其审查意见的要求，升压变电站内主变压器采用2台100 MVA的三相双绕组有载调压变压器，额定电压为(115±8)×1.25%/37 kV，联结组别为YNd11；风电场汇集线系统采用经低电阻接地的方式，集电线路总长度为52 km，其中架空段长度为44.8 km，电缆段长度为7.2 km。

架空线路的电容电流为：

Ic1=2.7×Ue×L×10-3=4.48 A

电缆线路的电容电流为：

Ic2=0.1×Ue×L=26.64 A

接地故障时总的电容电流为：

Ic=Ic1+Ic2=31.12 A

则电阻电流为：

IR=(1～1.5)×Ic=(31.12～46.68) A

由于电容电流较小，实际工程中电阻电流IR可取100 A，则接地故障电流为：

接地电阻的电阻值为：

接地电阻的额定电压为：

接地电阻的消耗功率为：

PR=Id×UR=104.73×22.43=2349 kVA

接地变压器的运行容量为：

根据上述计算，本工程汇集线系统的中性点接地设备选择，如表3所示。

表3 设备参数表

5 结 语

在中国国家电网公司的推动下，目前风电场汇集线系统中性点接地方式的选择已经有了指导性文件，虽然各省市的具体要求不尽相同，但基本形式都已经确定。

在风电场电气系统设计中不能只依赖国家标准或者电力标准进行选择，而应该在仔细研究风力发电特点的大前提下，结合项目所在地的地区电网发展规划及当地省市电力公司的要求，合理设计风电场汇集线系统的中性点接地方式，并通过实际计算进行设备选型。

[1]DL/T620-1997,交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京：中国电力出版社,1997.

[2]DL/T5222-2005,导体和电气选择设计技术规定[S].北京：中国电力出版社,2005.

[3] 水利电力部西北电力设计院.电力工程电气设计手册：电气一次部分[M].北京：中国电力出版社,1989.

[4] 平绍勋,周玉芳.电力系统中性点接地方式及运行分析[M].北京：中国电力出版社,2010.

[5]C62.92.3-1993,IEEEGuidefortheApplicationofNeutralGroundinginElectricalUtilitySystems，PartIII-GeneratorAuxiliarySystems[S].IEEE,1993.

Design and Equipment Selection of Grounding Mode at Neutral Point in Collection Line System of Wind Farm

CHEN Liang-liang, HAN Yuan, YANG Zhen-huan, MA Qin

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

In accordance with design codes and requirements of the national grid company, the analyzing process of the optimum design scheme of the grounding mode at the neutral point in collection line system of wind farm is described. Meanwhile, how to select key parameters of the electric equipment and other points are introduced according to the scheme. Design concept and equipment selection are explained. This provides relevant design with reference.Key words:wind farm; collection line system; neutral-point grounding

2015-01-21

陈亮亮(1984- )，男，吉林省长春市人，工程师，主要从事新能源电气设计工作.

TM614

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.021