浅议风电场接地方式及其保护分析

王万印

(中电投河南电力有限公司,河南郑州 450016)

浅议风电场接地方式及其保护分析

王万印

(中电投河南电力有限公司,河南郑州 450016)

风电场具有占地面积广、集电线路较长以及线路中电容电流较大的特点，特别是山地风电，大量采用电缆式集电线路，其实容性电流更大。依据风电场的特点，选择合适的接地保护方式，对保证风电场安全、稳定、可靠运行意义重大。本文结合我国风电场运营现状，逐个分析了风电场接地方式。

风电场 接地方式 保护 电容电流

1 引言

2006年以来，在国家大力支持和政策引导下，我国风电进入了大发展时期，装机容量及风电技术不断发展和进步，风电产业呈现出欣欣向荣的趋势。风电场开发占地面积大，集电线路较长，而且分支线路比较多，很容易发生单相接地故障，导致PT故障、避雷器烧坏、全场停机以及升压站系统侧断路器跳闸等安全事故。因此，对风电场接地方式及其保护技术进行分析和探讨具有重要意义，本文主要按照接地容性电流大小的区别，分别讨论电阻接地、消弧线圈接地以及消弧消谐装置接地等方式的技术特点和要求，抛砖引玉，和风电行业同仁交流。

2 风电场运营现状

截止到2013年底，据中国风电协会提供的数据，我国风电装机容量已达91412.89MW(不包括台湾地区)，位居世界第一。2013年西藏7.5MW风电容量的投产，填补了大陆省份唯西藏地区没有风电的空白，目前大陆各个省份均有在运风电场，其中内蒙古装机已达到20270MW，另外潮涧带、近海风电也逐渐兴起，即将进入大发展阶段。预计到2020年，风电场超过核电成为第三大电源。除此之外，我国也出台了有利的政策支持风电场建设，从国产化率、全额并网、电价分摊、发展规划、财税优惠以及特许权利等几个方面支持风电项目。

现阶段，风电场项目涉及到的风力发电技术主要包括风力发电装备制造、海上风力发电、风能资源测量及评估、稳定运行和电力传输等，其中风电场安全稳定运行是风电场项目产生经济利益和社会利益的首要前提条件，而接地方式、接地保护由于风电场自身特点，其对风电场的运行稳定性有着重要关系。

3 风电场接地方式探讨

中性点接地方式选择的不同，会影响到风电场许多方面的技术经济问题，如运行的可靠性、电气设备和输电线路的绝缘水平、继电保护的配置和可靠动作以及对通讯电路的干扰等诸多方面。

风电场由于运营区域面积大、集电线路长、补偿能力弱，特别是使用电缆集电线路的风电场，电容电流很大，加之风电场场内选取电压一般为35KV以下的小接地电流系统，发生单相弧光接地时过电压峰值将达到2.3Um,对电气设备产生很大危害，如不能快速消除，会产生大面积连锁破坏。

通过对风电场各类事故的分析，接地方式不合理、选值不匹配是导致单相故障不能快速切除、故障恶化、事故扩大的主要因素之一，也是造成风场电气设备故障和风机脱网的主要原因。

3.1 电阻接地方式

电阻接地，也就是中性点和大地之间接入一定电阻值的电阻，这个电阻和风电场系统对地电容之间共同形成了并联回路，电阻为耗能元件和阻压元件，可以有效避免谐振过电压和间歇性电弧接地过电压现象。中性点经过接地变压器二次侧接入阻值合适的电阻，这种接地方式我们称之为中性点经高电阻接地。这种接地方式的优点是一方面简化了电阻器的结构，另一方面降低了成本，且便于进行安装，在现投运的风电场中，这种接地方式比较普遍。这种接地的技术原因是，在发生接地故障时，电阻产生功率消耗，在一定程度上降低了故障电流，且由于高电阻促进回路阻尼率的增大，对过电压幅值和陡度产生较为明显的阻尼作用，确保电位偏移不会引发串联谐振过电压。电阻接地方式在发生单相接地故障时，容易产生一个三相不平衡电流，可以利用零序电流互感器进行检测，迅速检测故障，并切除故障，以此起到一个有效的保护作用。

电阻接地方式中关于电阻值的选择问题，需要考虑从以下几个方面的情况，一是系统过电压水平进行限制，二是确保系统继电保护动作的灵敏性，三是降低对通信线路的干扰、四是人身触电的危险性。其中，后两条要受到故障电流的影响，然而利用现场措施进行弥补，比如对均压网进行设置，使用带屏蔽层通讯电缆的方式等。因此选取合适的电阻值时，着重考虑前两条。

3.2 消弧线圈接地方式

中性点不接地系统，如果单相接地电容电流超出限值，容易在接地点导致电弧的产生，并引发间歇过电压，采取消弧线圈的接地方式可以有效减小电流，并熄灭电弧，有效防止过电压。具体而言，系统正常运行时，三相电流、电流之间是对称的，中性点对地电位是0，线圈电压也为0，线圈无电流。如果系统发生单相接地故障，接地点电流为接地电容电流和流过线圈的电感电流之和。二者相位相反，接地点相互补偿，那么我们仅仅需要消弧线圈电感量选取个合适的值，即可让接地电流降低，使其处于最小生弧电流之下，不会产生电弧，也就不会有间歇过电压。

除此之外，按照消弧线圈中电感电流和接地电容电流具有不同的补偿程度，包括全补偿、欠补偿以及过补偿三种，风电场普遍采用过补偿方式，可以有效避免电压串联谐振过电压的现象，经过补偿之后残余电流小于等于5～10A。

3.3 消弧消谐装置接地方式

消弧消谐装置往往是选择微机控制的方式，基本上具备了消弧消谐功能、PT功能以及过电压保护功能等。按照电压互感器信号的不同，对故障类别进行判定和识别，如果发生弧光接地的情况，则及时向故障相真空接触器发出动作命令，对弧光接地进行转化，熄灭故障点电弧，以此消除了弧光接地过电压。然而，消弧消谐设备是存在一定的缺陷的，首先是故障相接地消弧过程中处于病态运行状态，过电压保护设备为避雷器，仅可用于线路消弧，而且不能用于电容电流大于30A的系统；其次，如果电容电流较小，而且线路不长，在发生烧组单相接地故障时，消弧消谐设备动作短接一部分电源，速断过流保护起不了作用，无法及时动作，会导致安全事故的发生；最后，消弧消谐设备在退出消弧时有可能导致PT铁磁谐振的现象，而且消弧消谐设备需要至少100ms的时间才可以完成消弧。

4 结语

选择一个安全运行稳定可靠的接地保护方式是非常有必要的，对于风电场的正常运行具有重要意义。本文对有关风电场接地方式及其保护进行分析和探讨，以期对于我国风电场技术的发展，起到一定的理论指导意义。

[1]李建春.风力发电机组选型因素探析[J].甘肃科技,2010(04).

[2]崔建红,许健,刘京爱.我国风力发电的现状与趋势[J].科技情报开发与经济,2009(10).