风电场集电线路小电阻接地系统的工程应用

胡森，张磊，程磊，杨飞

(中国水电顾问集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310014)

0 引言

随着风电建设规模逐年快速扩大，全国已出现多起因电气设备故障造成风电机组大面积脱网的事故。据统计，由于电缆头故障造成风电场汇集线跳闸的概率已经达到总故障的60%，成为最近几次风电大规模脱网的主要诱因，单相故障不能快速切除是导致故障恶化的主要因素之一[1]。目前集电线路接地方式主要有经电阻和消弧线圈2种类型。消弧线圈接地系统选线原理复杂，大多产品的动作成功率参差不齐，尚需改进。为了实现风电场集电线路单相故障的快速切除，保证零序电流保护的灵敏度，主变压器低压系统通常采用小电阻接地方式，然而其在运行过程中暴露出的问题也亟待解决。

1 风电场集电线路小电阻接地系统特点

低电阻接地方式是为了获得较大的故障电流，而降阻性电流叠加在故障点上(即在中性点与大地之间串联接入一定阻值的电阻)。在中性点接入一电阻器后，泄放燃弧后的能量，中性点电位降低，故障相的恢复电压上升速度也减慢，从而减少电弧重燃的可能性。

1.1 故障时小电阻接地系统运行特点

在中性点经小电阻接地系统中，当电网发生单相接地故障时，由于人为增加了一个与电网接地电容电流相位相差90°的有功电流，流过故障点的接地电流就等于电容电流和有功电流的向量和。

1.2 小电阻接地系统的优点

(1)小电阻能吸收大量故障时产生的弧光能量，限制健全相的过电压倍数，同时由于电阻的阻尼作用，基本上可消除系统的各种谐振过电压。

(2)合理选择接地电阻数值，在发生单相接地故障时，能有较大电流流过故障线路，提高了零序电流保护的灵敏度，可迅速切除故障线路，保证人身和设备安全。

(3)降低操作过电压使小电阻接地系统在发生单相接地故障时可迅速切除故障线路。若故障线路是电缆线路，一般接地故障为永久性故障，不会重合闸；若故障线路是架空线路，发生瞬时故障的可能性大，重合一次也不会引起操作过电压。

1.3 小电阻接地系统的缺点

(1)由于故障电流高达数百甚至上千安培，当零序保护拒动时易扩大事故范围，酿成火灾。电阻器热容量大、投资高，且事故会引起地电位升高，造成严重损失。

(2)当发生单相接地故障时(无论是永久性的还是非永久性的)，均会大大增加线路跳闸的次数，严重影响了用户的正常用电，使供电可靠性下降。

2 常见小电阻接地方式

由于风电机组的原动力是流经风机叶片的风能，而风速和风向具有随机变动的自然特性，因此风电机组属于不能进行任意调整出力的电源装置。风电场一般采用单台机组依次并网接入系统，整体上可以视作电网的一个负的负荷。风电场主变压器低压集电网采用小电阻接地方式，一旦发生单相接地故障，可通过零序保护可靠切除故障线路，防止故障影响系统稳定运行。

2.1 采用主变压器Y/△+35 kV母线接地变压器+小电阻

风电场主变压器低压侧(35 kV)采用三角形接线，需要采用Z型接线的接地变压器人为地制造一个中性点。由于Z型变压器每个铁芯柱上2段绕组绕向相反，对零序电流呈现低阻抗(相当于漏抗)，零序电流在绕组上的压降很小。

Z型接线的接地变压器有2种方案[2]：第1种方案只有初级线圈，专作接地变压器用，如图1所示；第2种方案带有380 V的二次线圈，可兼作所用变压器用，如图2所示。

图1 低压侧母线专用接地变压器+小电阻

图2 接地变压器兼场用变压器+小电阻

从投资角度考虑，风电场初期投资中第2种方案可节省1台开关柜、1台专用接地变压器及所增加建筑面积的费用，但风电场往往是分期投入运行，小电阻接地系统存在改造的可能，而场用电负荷往往变化不大，如果存在扩建可能，第2种方案没有明显的经济优势。

从运行维护角度考虑，第1种方案中所用变压器和小电阻接地系统相互独立，可靠性高，是少人值守风电场所需要的；第2种方案2个系统耦合在一起，一旦某一元器件有异常需要退出运行，就会影响所用电使用。同样，场用电回路出现故障，小电阻接地系统退出运行，也会影响该段母线上发电量的输出，故第2种方案可靠性大大降低[3]。

2.2 采用主变压器Y/△+ 35 kV主变压器出线接专用接地变压器+小电阻

部分电网采用专用接地变压器，通过电缆直接接于主变压器低压侧出线处，而无专用接地变压器断路器，如图3所示。对于这种方式，可把接地变压器和主变压器看成一体。接地变压器保护出口与主变压器低压侧后备保护出口合用1组断路器[4]。

图3 主变压器低压侧出线专用接地变压器+小电阻

2.3 采用主变压器Y/Y+1

采用主变压器Y/Y+1接线方式，主变压器高压侧和低压侧均采用星型接线，同时带平衡绕组，低压侧中性点引出加小电阻接地，如图4所示。

图4 主变压器带平衡线圈

三角形绕组在变压器中既可充当工作绕组，也可作为平衡绕组。当作为工作绕组时，系统电网三相不对称容易使工作绕组虚拟中性点漂移，故工作绕组一般采用中性点引出的星型连接的绕组。

三角形连接的平衡绕组有以下作用：平衡绕组能为3N(N=1，2，3，…)次谐波电流提供通路，改善感应电动势波波形，确保供电质量；出现短路、断路、单相或双相电压升高和降低的情况时，平衡绕组中能流通循环电流，零序磁通绝大部分被抵消，只剩少量漏磁通，这样零序阻抗将不随电压和电流的大小变化，可以视为恒量[5]。

3 小电阻接地方式的保护配置及整定原则

3.1 35 kV线路保护配置及整定原则

35 kV中性点经小电阻接地系统的线路保护常见以下配置。

(1)过电流保护。包括电流瞬时速断、限时电流速断和定时限过电流保护，当相电流超过定值且延时大于整定值时，装置即出口跳闸。

(2)零序过流保护。包括零序过流Ⅰ段和零序过流Ⅱ段，当接入装置的计算零序电流超过定值且延时大于整定值时，装置即出口跳闸。

(3)零序功率方向保护。零序电流大于较小的整定值，且零序功率方向元件动作，则经过一定的延时后保护跳闸。

虽然零序功率方向保护灵敏度要比零序过流保护高，但必须保证接入保护的零序电压、电流极性的正确性，工作量大，且有一定风险。风电场设置零序过流保护能满足单相接地快速切除故障的要求，故不采用零序功率方向保护。

3.2 35 kV接地变压器保护配置及整定原则

接地变压器中性点上装设零序电流Ⅰ段、零序电流Ⅱ段保护，作为接地变压器单相接地故障的主保护和系统各元件的总后备保护。接地变压器电源侧装设三相式的电流速断、过电流保护，作为接地变压器内部相间故障的主保护和后备保护。

接地变压器接于低压侧母线时，零序电流Ⅰ段保护动作跳母联开关，零序电流Ⅱ段保护动作跳主变压器的低压侧开关；接地变压器接于主变压器低压侧时，零序电流Ⅰ段保护第一时间跳母联开关，第二时间跳主变压器低压侧开关，零序电流Ⅱ保护动作跳主变压器各侧开关。

3.3 增加主变压器35 kV侧零序保护

增加主变压器低压侧后备保护，即零序保护。主变压器低压侧配置反映单相接地故障的零序保护，可作为母线单相接地故障的主保护和馈线单相接地的后备保护，同时提高变压器低压侧复合电压方向过流保护的灵敏性。

3.4 4种小电阻接地方案单相故障时保护配合

(1)如图1和图2所示，接地变压器接于主变压器低压侧母线，电流速断和过流保护动作后联跳主变压器低压侧断路器，同时主变压器后备保护跳低压侧断路器出口。当35 kV线路发生单相接地故障时，线路零序保护或线路开关拒动，此时由零序保护动作跳闸。第一时间零序保护I段动作跳开母联开关，将故障母线与正常系统分开；如果故障发生在接地变压器所在母线上，第二时间零序保护Ⅱ段保护动作跳开主变压器低压侧开关。

(2)如图3所示，接地变压器接于主变压器低压侧引线时，电流速断和过流保护动作后跳主变压器高低压侧断路器，主变压器后备保护跳各侧断路器时间小于接地变过电流保护动作时间。零序电流保护动作原理同本节(1)。

(3)如图4所示，在配置有平衡绕组的主变压器低压侧中性点引线上配置接地电阻。由于这种接线不含接地变压器，故小电阻接地系统保护包含在主变压器低压侧后备保护中。主变压器低压侧零序电流保护Ⅰ段第一时间跳母联断路器，第二时间跳主变压器低压侧断路器，零序电流Ⅱ段保护动作跳主变压器高低压侧断路器。

4 工程应用常见问题及对策

风电场集电线路小电阻接地方式已在多个风电项目中实施，从已参与调试和投运的电厂情况来看，小电阻接地方式总体较好，但也暴露一些问题，主要有以下几个方面。

(1)风电场集电线路采用小电阻接地系统，由于经济原因或安装位置限制，许多升压站采用站变压器与接地变压器合二为一的方案。此时在整定站变压器保护时必须考虑定值、时间与出线零序定值的配合[6]。速断保护定值应大于接地变压器的零序电流保护值，时间取0 s不变；过流保护定值应大于站变压器的额定电流值，时间大于接地变压器零序电流保护的动作时间。这样既可以保证站变压器在发生较严重的故障时保护快速动作，又可以避免单相接地故障时速断保护及过流保护的误动。

(2)集电线路的电缆屏蔽层接地线正确敷设方法为当屏蔽层接地线接地点在零序电流互感器(CT)上方时，屏蔽层接地线必须由上向下穿过零序CT；当屏蔽层接地线的接地点在零序CT下方时，电缆屏蔽层接地线不能穿过零序CT，否则会引起非故障线路零序保护误动[7]。

(3)主变压器差动保护装置的启动定值应按大于正常变压器额定负载的最大不平衡电流以及单相接地故障时的最大零序电流来整定，这样就可以防止变压器区外发生单相接地故障时主变压器差动保护误动[8]。

(4)发生单相、瞬时故障时，小电阻接地方式下的保护动作跳闸，然后重合成功[9]。零序保护的整定时间应大于因雷电等原因造成的瞬时故障时间，同时应遵守《风电场接入电网技术规定》，按照要求整定风电机组低电压保护定值及低电压穿越的能力，避免风电机组因集电线路瞬间故障而大面积脱网。

(5)过电流保护整定时，既要保证保护的灵敏度，又要保证电流大于非本线路故障时，本线路流过的最大电容电流。考虑到由于故障点的不同，单相接地故障电流变化较大，保护的灵敏度降低，所以在整定计算时应确保保护选择性的同时提高其灵敏度。

5 结束语

本文根据风电场集电线路的特点提出了4种小电阻接地系统的接线方式，并详细说明了相应的继电保护方案，同时对工程中继电保护整定及安装工程中出现的常见问题进行了归纳总结，对风电场规范建设和顺利投产具有十分现实的指导意义。

不可否认的是，小电阻接地系统在单相接地短路故障时，保护动作不区分故障类型，对风力发电企业的经济运行产生严重影响。如果自动消弧线圈在满足可靠快速切除单相接地故障方面能有市场成熟产品的支撑，谐振接地系统将是集电线路接地方式的最佳选择，这也是下一步风电场集电线路接地方式的研究方向。

参考文献：

[1]贺春，刘力军，谢颂果，等.Z型变在中性点经小电阻接地电网中的应用[J].继电器，2006，34(14)：15-19.

[2]缪成夫，计佳璐.所用变和接地变合用或分置问题的探讨[J].浙江电力，2004(5)：51-53.

[3]唐艳波.变电站35 kV系统小电阻接地方案研究[J].电力自动化设备，2006，26(5)：99-101.

[4]董景义，段玉柱，张贤国，等.平衡绕组在变压器中的作用及接线方式浅述[J].变压器，2009，46(12)：20-23.

[5]陈丽铭.经小电阻接地系统继电保护的配置及整定[J].湖北电力，2004，28(1)：53-55.

[6]李银业.“Z”型接地变零序保护误动原因分析及对策[J].青海电力，2013，32(2)：47-49.

[7]郭华君.220 kV珠海站#1主变△侧单相接地故障保护跳闸原因分析[J].电工技术，2013(7)：26-27.

[8]张新明.10 kV小电阻接地系统运行方式分析和探讨[J].电气技术，2011(7)：82-84.