光伏电站35kV系统中性点低电阻接地的应用

胡 波

（江苏海能电力设计咨询有限责任公司,南京 210000）

0 引言

选择电网中性点的接地方式是一个综合性问题。它与电压等级、单相接地短路电流、继电保护配置、过电压水平等有关，直接影响电网的绝缘水平、供电可靠性和连续性、继电保护、系统稳定以及对通信线路的干扰等。电力网中性点的接地方式有中性点有效接地和中性点非有效接地两种类型。其中，中性点非有效接地方式可分为中性点不接地方式、中性点低电阻接地方式、中性点高电阻接地方式和中性点谐振接地方式。

以往光伏电站35kV及以下系统采取中性点经消弧线圈接地或不接地方式运行。消弧线圈接地方式的缺点是降低了小电流选线装置的灵敏度、容易发生串联谐振过电压、在非正常运行方式下，无法抵消弧光接地时的全部高频分量，可能引起很高的弧光接地过电压。

近几年，光伏电站建设规模逐年快速扩大，大型光伏电站面积较大，各子系统的间距较远。光伏场区通常将逆变器的出口电压经过箱式双分裂升压变压器升压到35kV，通过35kV汇集线送往升压站，经升压站主变升压后接入系统。光伏电站35kV汇集线线路较长，一般采用电缆或架空方式，这导致35kV系统电容电流的数值大幅度增加。据统计，全国已出现多起因单相接地故障不能快速切除导致故障扩大并成为光伏发电大规模脱网的主要原因。当前，并网安全问题始终是悬在光伏产业头顶上的一把剑。因此，对于35kV系统电容电流数值较大的光伏发电站，接地方式的选择将直接影响到光伏电站电气设备的安全运行。

1 中性点低电阻接地方式的原理及特点

1.1 原理

中性点低电阻接地方式即在系统中性点与大地之间串联接入一定阻值（0.1～1500欧）的电阻。当发生单相接地短路故障时，由于电弧在重燃--熄灭--再重燃的过程中积累了大量的能量，当中性点接入电阻器后，电阻器泄放了燃弧后的能量，使中性点的电位降低，且故障相电压恢复速度减慢，电弧重燃的可能性就降低了。由于电阻吸收了故障时的弧光能量，有效限制了弧光过电压倍数，也基本消除了系统谐振过电压。

当电网发生单相接地故障时，流过故障点的接地电流等于电阻电流和电容电流的向量和，在接地电阻数值选择合理的条件下，采用零序电流保护选择故障线路并迅速切除故障线路，保证了人生设备安全。

1.2 特点

（1）发生单相接地故障时，非故障相工频过电压可限制在1.7倍以下，暂时过电压可限制在2.6倍以下。

（2）发生单相接地故障电弧从重燃、熄灭、再重燃所积累的电荷通过电阻器泄放，控制了弧光过电压的倍数。

（3）由于电阻器为一阻尼原件，基本消除了谐振过电压。

（4）低电阻接地就是为了获得较大的故障电流，利用这一特点，可利用零序保护装置快速切除故障线路，防止事故进一步扩大，提供了电网的安全水平并保证了人生安全。

（5）电缆线路发生故障一般为永久性故障，保护整定中不对故障线路进行重合闸，因此不会引起操作过电压

2 光伏电站中性点小电阻接地方式基本理论

2.1 低电阻接地方式

光伏场升压站主变压器低压侧采用低电阻接地方式，发生单相接地故障时可通过配置的零序保护快速切除故障线路。目前采用两种常用的方式：

（1）光伏电站升压站主变压器采用Y/Y+Δ接线方式，主变压器高压侧和低压侧均采用星型接线（带平衡绕组，能为3、6、9···次谐波提供通道，改善波形），低压侧中性点引出加小电阻接地。

（2）光伏电站升压站主变压器采用Y/Δ接线方式时，在35kV侧采用Z型接地变压器人为制造一个中性点后经小电阻接地。

2.2 单相接地电流计算

当A相发生单相接地故障时，忽略故障点接地电抗后由对称分量法可得A相单相接地电流为：

IA=3UaZ1+Z2+Z0+3Rd×103

式中： Z1、Z2、Z0---------网络的正序、负序、零序电抗，欧姆；

Rd---------故障点过渡电阻，欧姆；

Ua---------A相电压，kV；

2.3 中性点接地电阻阻值计算

（1）计算电阻电流 中性点接地电阻器的阻值计算应先确定故障电流。当接地电流为550A时，接地电弧可以稳定燃烧，不会发生因燃烧、熄灭、再重燃过程所引起的弧光过电压，也有利于继电保护装置的正确动作。

中性点电阻电流计算：

IN=Id2-IC2

式中：IN为电阻电流，A； Id为接地电流，A； Ic为系统电容电流，A电缆线路电容电流计算：

IC=0.1×UE×L

式中：UE为系统额定线电压，V； L为电缆长度，km；

架空线路电容电流估算：

IC=(2.7～3.3)UEL

式中：2.7为适用于无架空地线的线路；3.3为适用于有架空地线的线路；同杆双回线路的电容电流为单回路的1.3～1.6倍。

（2）接地电阻阻值及接地变容量 按10S热稳定原则进行计算RN=UE3IN IR=110.5×UE3RN S=110.5×UE3×IN

式中：UE为系统额定线电压，V； IN为电阻电流，A；IR为小电阻额定电流；

RN为电阻器阻值，欧姆；S为接地变容量，kVA

（3）计算实例。以河北张家口某100MW光伏发电项目为例，每1MW为一个子系统，每个子系统安装一台1000kVA的升压变，每10个子系统均T接到1回35kV汇集线，本站共10回汇集线，均为电缆汇集方式，电缆长度共计22公里，本站的主变压器接线形式为Y/Δ接线方式，其电容电流估算为：

IC=0.1×35×22=77A

则电阻电流为：IN=Id2-IC2=544A （取Id=550A）

电阻值为：RN=U3IN=37.14欧姆，选择37欧姆的电阻，则接地电流大于550A。

按照10S热稳定计算，接地变压器绕组的容量为: S=110.5×353×544=1047KVA

因此，选择容量为1250kVA、接线组别为ZN,yn1的曲折型接地变压器；选择电阻为37欧姆的小电阻柜。

3 低电阻接地方式的保护配置及整定原则

3.1 35kV接地变压器的保护配置及整定原则

接地变压器配置电流速断及过电流保护作为接地变内部故障及外部相间短路故障的主保护和后备保护；并配置零序过流I段、零序过流II段作为接地变单相接地故障时的主保护和后备保护。

当采用升压站主变压器低压侧中性点引出加小电阻接地方式时，零序I段保护第一时限跳低压侧母联开关，第二时限跳主变低压侧进线开关、零序II段保护动作跳主变各侧开关；当采用接地变压器中性点接小电阻接地方式时，零序I段保护第一时限跳低压侧母联开关，第二时限跳主变低压侧进线开关。

3.2 35kV汇集线线路的保护配置及整定原则

光伏电站的35kV汇集线为双侧电源线路，应装设带方向或不带方向的电流速断及过电流保护作为相间短路故障的主保护和后备保护；并配置零序电流保护，零序电流保护设二段，第一段为零序电流速断保护，时限与相间电流速断保护相同、第二段为零序过电流保护，时限与相间过电流保护时限相同，也可配置零序加速段增加保护可靠性。

3.3 现有配置方式及隐患

低电阻接到方式下零序电流保护在具体工程中运用时，保护装置零序电流采样一般采用独立的零序电流互感器，很少是装置通过接入的三相电流而自产的零序电流。当采用独立的零序电流互感器时，需注意一个原则，电缆端部的金属护层及接地线不能穿越零序电流互感器，接地线应在零序电流互感器以下直接接地。

在光伏电站扩建时，汇集线进线间隔的零序电流互感器特性必须与前期工程的零序电抗互感器特性一致，避免不一致造成的保护误动。

4 结论

随着光伏电站规模的不断扩大，光伏电站35kV侧主要由电缆线路构成配电系统，由于电缆使用量的增多使得配电系统的电容电流急剧增加，当单相接地故障电容电流较大时，选用中性点低电阻接地可以快速切除故障线路，降低工频过电压水平，提供光伏电站运行可靠性。中性点电阻接地方式对系统电容电流变化的适应范围较大，尤其当光伏电站扩建时，可以不改变接地电阻值。本文根据光伏电站集电线路的特点提出了35kV系统接地方式，同时给出了接地电阻阻值及接地变容量计算的方法，并对工程中遇到的继电保护整定原则进行了归纳总结，对光伏电站设备采购、规范建设和顺利投产具有十分现实的指导意义。

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