风电场35 kV电网中性点经电阻接地方式研究

袁钦鹏，于 群，杨亚奇

(山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛266590)

电网中性点接地方式的选取是一个关系到整个电网安全运行的综合性技术问题。近年来，国内电网频繁发生风机大面积脱网事故，其中一部分是由于系统发生故障时，中国风电场采用的中性点小电流接地方式使小电流选线装置灵敏度降低，甚至无法选线，从而导致系统电压降低，引起风机脱网。电力行业标准DL/T620－1997《交流电气装置的过电压和绝缘配合》规定:6～35 kV主要由电缆线路构成的送、配电系统，单相接地电容电流较大时，采用电阻接地方式，即中性点与大地之间接入一定阻值的电阻。风电场中性点经电阻接地能够有效地降低工频过电压及弧光接地过电压的水平，增大故障线路的接地电流，而且与线路零序保护配合，能快速准确切除线路故障，提高系统安全稳定性［1－3］。因此，随着风电场容量不断增加，对风电场接地方式的改进已迫在眉睫。

本文利用PSCAD仿真软件，以某风电场35 kV电网为例建立电磁暂态仿真模型，针对电网中变压器中性点不同接地方式对系统发生单相接地故障时的过电压进行了详细仿真，仿真结果验证了风电场经电阻接地的优越性。

1 中性点接地电阻分析计算

1.1 中性点引入

在中国风电场35 kV小电流接地的电力系统中，变电站中的电源变压器35 kV侧绕组为三角形接线，所以无中性点引出。中性点的引入一般有两种方法:一是在主变的35 kV侧采用yn0型接线;二是在35 kV母线侧设置Z型接地变。

本文采用第二种方法，因为Z型变压器具有系统发生单相接地故障时，正、负序呈现高阻抗，零序呈现低阻抗(一般小于10 Ω)，空载损耗小，变压器容量利用率在90%以上等特点，所以，Z型变压器是作为接地变压器的一种比较好的选择［4］。Z型变压器接线方式如图1所示。

图1 Z型变压器接线法Fig.1 Z transformer wiring method

1.2 接地电阻的选择

接地电阻值的选择原则［5］:

1)发生故障时向保护装置提供足够大的电流，能够使保护装置快速可靠地动作。

2)电阻的阻性电流一般为容性电流的1～1.5倍，将暂态过电压限制在2.6倍相电压以下。

3)在规定的时间内，系统电流要小于热稳定极限电流。

1.2.1 按限制故障过电压倍数选择架空线路的单相接地电容电流计算公式为

式中:U为线路额定电压，kV;L为线路长度，km。

电缆线路的单相接地电容电流计算公式为

式中:S为电缆芯线截面积，mm2。

通过中性点电阻的电流IR为

则接地电阻R′为

式中:Ue为电网相电压，V。

1.2.2 按热稳定要求选择

根据热稳定要求，以允许电流和持续时间为依据，计算中性点接地电阻为［6］

式中:IM为允许电流，A。

综合以上两个方面考虑，中性点接地电阻RN的取值范围为 R″≤RN≤R′。

1.3 案例分析

某风电场总装机容量为40.5 MW，每台风电机组出口电压为575 V，频率为50 Hz，经升压变压器升压至35 kV，经单回35 kV电缆出线接入到了220 kV变电站的35 kV母线。电缆长30 km，截面积为240 mm2，接地变压器采用Z型变压器。

1.3.1 按限制故障过电压倍数选择

由式(1)得

由上述分析可知，中性点接地电阻 R′≤53.5 Ω。

1.3.2 按热稳定要求进行选择

系统中性点接地电阻的热稳定按500 A、10 s考虑，由式(2)知，中性点接地电阻为

则接地电容电流IW=0.24×30×35=252 A。当IR=1.5IW=378 A时，接地电阻为

故中性点接地电阻R″≥40.4 Ω。

因此，中性点接地电阻的取值范围为40.4 Ω≤RN≤53.5 Ω，本例中接地电阻取50 Ω。

2 风电场35 kV电网建模仿真

以1.3节中的风电场为例搭建PSCAD模型，如图2所示。当接地变压器所连接的开关闭合时，为中性点经电阻接地系统;当开关断开时，为中性点不接地系统。本文对这两种方式进行仿真。

2.1 单相接地引起的工频过电压仿真研究

单相接地故障是最常见的故障形式。发生故障时，由于相间的电磁耦合，可能使健全相工频电压升高。在不对称接地中，以单相接地时非故障相过电压升高最为严重。

据统计，单相接地故障占高压线路总故障次数的70%以上，占配电线路总故障次数的80%以上，而且绝大多数相间故障都是由单相接地故障发展而来的。因此，单相接地故障的研究对于电力线乃至整个电力系统安全运行至关重要［7］。

在图2的仿真模型中，设置220 kV变电站35 kV母线出口发生A相接地短路故障，观察故障时的过电压变化情况(注:1p.u.=，UM为系统最高电压。对35 kV电网，1p.u.=31.43 kV)。

图2 某风电场35 kV电网电磁暂态仿真模型Fig.2 35 kV power system electromagnetic transient simulation model in a wind farm

中性点不接地和中性点接入50 Ω电阻后系统的仿真波形如图3、图4所示。当系统的中性点未接地时，在220 kV变电站35 kV母线发生单相接地时故障相电压降为0，系统非故障相的暂态过电压峰值为2.4 p.u.。系统的中性点经电阻接地后，系统非故障相的暂态过电压峰值为2.0 p.u.，相比中性点未接地，暂态过电压峰值下降0.4 p.u.，降幅达16.7%。由此可见系统中性点经电阻接地能够有效降低工频过电压。

图3 中性点不接地系统的仿真波形Fig.3 Simulation waveform of neutral pointungrounded system

图4 中性点接入50 Ω电阻后的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of neutral point after access 50 resistance

2.2 间歇性电弧过电压仿真研究

电力系统常见的内部过电压一般分为弧光接地过电压、操作过电压和电磁式电压互感器饱和引起的铁磁谐振过电压［8］。弧光接地过电压具有过电压大，持续时间长，对避雷器的危害大等特点，所以对弧光接地过电压的研究非常必要。

到目前为止，在分析电弧过程方面有三种理论，即高频熄弧理论、工频熄弧理论和熄弧恢复抗电强度理论。与系统实测值相比较，工频理论分析所得过电压值比较接近实际情况［9］。因此，本文以工频熄弧理论为基础，其数值仿真过程如图5所示。

图5 弧光接地过电压计算过程Fig.5 Calculation process of arc grounding over－voltage

在仿真中，用断路器的开合模拟电弧的熄灭和重燃。在故障相和地之间设置一个断路器，断路器闭合表示电弧重燃，反之，断路器断开代表电弧熄灭，电阻R为模型弧道电阻［10］。不同接地方式下，故障点过渡电阻R为0.5 Ω。间歇性电弧仿真模型如图6所示。

图6 间歇性电弧仿真模型Fig.6 Simulation model of intermittent arc

工频熄弧理论认为当接地电流工频分量过零时，电弧熄灭，则在故障点U相电压达正或负峰值时刻，U相发生单相接地故障。在半个工频周波附近时，接地短路电流很小，则认为是工频电流过零，电弧熄灭。熄弧后在故障相(U相)的第一个电压峰值时刻电弧重燃。从时间上来看，工频熄弧是每隔一个工频周波重燃一次［9］。因此，本文中线路末端在3.675 s时发生U相接地故障短路，此时U相电压为负最大值，产生间歇弧光接地过电压，故障持续的时间为3个工频周期。

系统的汇集线路末端接地时，系统的弧光接地过电压如图7—图10所示。从图7—图10中可以看到，当系统的中性点未接地时，系统的汇集线路末端接地时故障相电压降为0，系统非故障相的弧光过电压峰值为3.2 p.u.，系统中性点弧光过电压峰值为 2.2 p.u.。

图7 中性点不接地系统的系统电压波形Fig.7 System voltage waveform of neutral point ungrounded system

图8 中性点不接地系统的中性点电压波形Fig.8 Neutral point voltage waveform of neutral point ungrounded system

图9 中性点接入50 Ω电阻后的系统电压波形Fig.9 System voltage waveform of neutral point after access 50 resistance

图10 中性点接入50 Ω电阻后的中性点电压波形Fig.10 Neutral voltage waveform of neutral point after access 50 resistance

当系统中性点经50 Ω电阻接地后，系统非故障相的弧光过电压峰值为2.5 p.u.，系统中性点弧光过电压峰值为0.7 p.u.。相比中性点未接地系统，弧光过电压峰值分别下降为0.7 p.u.和1.5 p.u.，降幅分别达21.8%和68.2%。中性点经电阻接地能够有效抑制电网弧光过电压的幅值。

严重的弧光过电压是系统中的能量积累造成的，若在变压器中性点串接一电阻器后泄放间歇性弧光过电压中的电磁能量，可使中性点电位降低，故障相恢复电压上升速度减慢，减小电弧重燃，进而抑制过电压幅值［10］。

综合上述仿真结果，相对于中性点不接地系统，当中性点电阻为50 Ω时，一相工频过电压的最大值不超过2.0 p.u.，降幅达16.7%。当系统发生单相故障时，继电保护装置能够迅速切除故障，弧光接地过电压最大降幅为1.5 p.u.。因此中性点经电阻接地可以有效地限制工频过电压和弧光接地过电压的幅值。

3 结论

1)通过对某风电场35 kV电网中性点接地电阻值的选取进行理论分析和仿真计算，给出了该风电场中性点电阻值宜取50 Ω。但中性点接地电阻值的上限受过电压的限制，下限受热稳定要求的限制。所以为风电场35 kV电网选取的中性点电阻值并非绝对的。对于不同风电场的35 kV电网，应根据其具体情况和侧重点灵活选取合理的中性点电阻值。

2)中性点电阻泄放了对地电容的零序电荷，中性点电位降低，故障相恢复电压上升速度减慢，减小了电弧重燃，进而抑制了过电压的幅值。因此中性点经电阻接地可以有效地限制工频过电压和弧光接地过电压的幅值。

［1］ 苏继锋.配电网中性点接地方式研究［J］.电力系统保护与控制，2013，41(8):141－148.SU Jifeng.Research on neutral grounding mode for distribution network ［J］.System Protection and Control，2013，41(8):141－148.

［2］ 付晓奇，徐粮珍，赵宝丽.10 kV配网中性点小电阻接地技术与应用［J］.电力系统保护与控制，2010(23):227－230.FU Xiaoqi，XU Liangzhen，ZHAO Baoli.Discussion on the technology and application of 10 kV distribution network neutral grounding through small resistance［J］.System Protection and Control，2010(23):227 －230.

［3］ 洪志新，李燕.深圳电网中性点接地方式研究［J］.电工技术，2012(11):31－32.HONG Zhixin，LI Yan.Research on neutral grounding mode of Shenzhen grid［J］.Electric Engineering，2012(11):31 －32.

［4］ 张黎，吴昊，曹磊，等.基于Z型变压器的交直流混合配电网仿真分析［J］.电力系统自动化，2014，38(2):79－84.ZHANG Li，WU Hao，CAO Lei，et al.Simulation analysis on zigzag transformer－based ac－dc combined distribution network［J］.Automation of Electric Power System，2014，38(2):79－84.

［5］ 平绍勋，周玉芳.电力系统中性点接地方式及运行分析［M］.第一版.北京:中国电力出版社，2010.PING Shaoxun，ZHOU Yufang.Analysis and option on neutral grounding of power system［M］.Ver.1.Beijing:China Electric Power Press，2010.

［6］ 陈亮，白勇.风电场接地电阻选择设计［J］.电气制造，2013(2):54－57.CHEN Liang，BAI Yong.Selection and design of grounding resistance for wind farm ［J］.Electrical Manufacturing，2013(2):54－57.

［7］ 贺家李，李永丽，董新洲，等.电力系统继电保护原理［M］.第四版.北京:中国电力出版社，2010.HE Jiali，LI Yongli，DONG Xinzhou，et al.Theory of relay protection in power system ［M］.Ver.4.Beijing:China Electric Power Press，2010.

［8］ 聂宏展，赵福伟，袁桂东，等.66kV配电网中性点经电阻接地的研究［J］.电网技术，2007，31(14):74－78.NIE Hongzhan，ZHAO Guwei，YUAN Guidong，et al.Research on resistance－grounded neutral system in 660kV distribution network［J］.Power System Technology，2007，31(14):74 －78.

［9］ 王杰.独立电力系统中压电网接地方式和过电压问题研究［D］.武汉:华中科技大学，2008.WANG Jie.Research on grounding mode and overvoltage of medium－voltage network in independent power system［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2008.

［10］ 马勇.中压配电网新型接地方式应用研究［D］.武汉:华中科技大学，2011.MA Yong.Research and application of new grounding mode for medium－voltage network［D］.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2011.