风电场35kV侧中性点接地方式的设计及设备选择

王欢

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

风电场装机容量不断提高，场内集电线路的长度及回路数不断增加，对风电场集电线路的持续稳定运行提出了更高要求。越来越多的风电场集电线路倾向电力电缆，而电力电缆线路在运行中存在着较大的对地电容电流，极易产生间歇性弧光过电压对电气设备造成损坏。如何准确选择系统中性点的接地方式已经是影响风电场安全运行的主要问题。本文结合相关规程规范以及国家电网公司相关条文的要求，论述了风电场35kV系统侧接地方式的选取及接地变压器容量的选择方案，为风电场中性点接地方式及接地变压器容量的选择提供了设计依据。

1 风电场系统接地方式概述

在风电场运行的过程中，接地故障占比最高的为单相接地故障，故障率约为60%。为了减少单相接地故障所带来的危害，国内外相关专家一直致力于该故障的分析及研究。世界各国风电场所采用的接地方式不尽相同，主要依赖于各国各地区的运行经验及传统做法。

在我国由于风电场属于中低压系统（集电线路母线侧电压U≤66kV），故绝大多数风电场采用系统不接地的运行方式。一般来讲中性点不接地系统通常由以下三种系统构成：系统不接地运行方式、系统经电阻接地运行方式、系统经消弧线圈接地运行方式。

1.1 系统不接地运行方式

在系统不接地运行方式中，由于系统三相电压的对称性，当发生单相接地故障时，各线电压的电压值不会发生较大变化，故接地故障点的故障电流值ID较小，通常发生单相接地故障时，系统可继续运行2h，所以中性点不接地系统属于小电流接地系统。在故障发生期间，电站运维人员可以根据继保装置信号来查找故障原因并进行处理，进而提高了系统的稳定运行。

图1 系统不接地运行方式中发生单相接地故障时等值电路图

图2 单相接地故障时的电流电压向量图

图1为发生单相接地故障时，系统不接地运行方式的等值电路图，图2为中性点不接地系统，发生单相接地故障时的电流电压向量图。图中C1、C2、C3分别为三相对地的电容值，若C=C1=C2=C3，则在系统正常运行时，中性点的对地电压为0，即UN=0。若在系统运行时，A相发生单相接地故障时，中性点对地电压升高至相电压，即UN=-UA，系统其他两相对地相电压升高为线电压UBA、UCA，对地电容C2、C3中的电流分别领先UBA、UCA 90°，其值为：

式中，I1、I2为系统B相、C相的接地故障电流，ω为系统的电角速度，UN为系统中性点的对地电压值。

故障电流为：

式中，ID为单相接地故障电流值。

由上式可以得出在系统不接地方式运行中发生单相接地故障时，流过故障回路的电容电流值为正常运行时三相正常回路对地电容电流值的总和。在系统不接地方式中发生单相接地故障时，大部分为非金属接地故障，接地电弧处于不稳定状态，这种间歇性的电弧时刻都在变化，极易形成弧光接地过电压。

文献[3]表明，中低压系统电容电流超过10A时，接地电弧将难以自动熄灭。在实际运行中，因弧光过电压造成事故的例子不在少数，如母线绝缘子、断路器对地放电，引发短路。

目前降低弧光接地过电压发生概率的两种有效方式，是风电场系统采用经消弧线圈的运行方式及系统采取经电阻接地的运行方式。系统经消弧线圈接地方式可以补偿单相接地故障时的接地电容电流值，从而降低系统弧光接地电压高幅值的概率，进而限制弧光接地的过电压的幅值；系统经电阻接地的方式在发生单相接地故障时，故障点可以产生较大的故障电流，继电保护装置可以迅速动作切除故障线路，从而降低弧光过电压现象发生的概率。

1.2 系统经消弧线圈接地运行方式

当系统采用消弧线圈的接地方式，若风电场发生单相接地故障，故障点的电容电流值可以被消弧线圈的电感电流补偿，降低故障点的电流值在10A以下，故障点的接地电弧不会重燃，从而防止接地事故进一步扩大。图3为中性点经消弧线圈接地系统的零序等效电路图。

图3 中性点经消弧线圈接地系统的零序等效电路图

由图3可知，在系统经消弧线圈的接地方式中，发生单相接地故障时，故障点的电流值为集电线路的电容电流值IC与流经消弧线圈的电感电流IL向量和，即：ID=IL+IC，，当ID小于10A时，单相接地电弧过零后易不易重燃，降低了事故的影响面积。根据系统中消弧线圈容量的大小，中线点经消弧线圈的补偿方式可以分为完全补偿、过补偿和欠补偿。

1.3 系统经电阻接地方式

在风电系统中性点串接合适电阻值电阻器，使电阻器与系统对地电容组成串联回路，在系统运行过程中，若发生单相接地故障时，可以迅速释放系统中的电容电荷，从而达到限制过电压幅值发生的概率，此种接地方式称为系统经电阻接地方式。图4为系统经电阻接地方式中零序等效电路图。

从图4可以看出系统中性点经电阻接地方式在发生单相接地故障时，故障点流经电阻器的电阻电流与故障点对地电容电流，两者相位相差90°，故障点的电流值为两者向量和。若风电场系统中性点接地电阻值选取合适，系统可以根据每回集电线路电流值的大小区别正常运行回路及故障回路，且快速切除故障线路。各回路对地电容电流值不同，为了保证每回集电线路继电保护装置能够正确动作，各回路零序保护定值易分别进行设置。

图4 中性点经电阻的接地系统零序等效电路图

2 风电场35kV侧系统接地方式选择

2.1 现行规范对风电场35kV侧系统接地方式的规定

目前国内在风电场35kV侧系统接地方式的设计选型中除依据各地区的运行经验及传统做法外，主要参考依据以下规程规定。

（1）《风电场工程电气设计规范》第4．9．2条规定：“风电场主变压器低压侧35kV及以下系统中性点宜采用低电阻接地方式接地，也可采用其他接地方式，但不应采用不接地方式。”

（2）《风力发电厂设计技术规范》中第6．5．1条规定：“35kV集电线路或电缆单相接地电容电流大于10A时，均应在变电所装设消弧线圈。”

（3）《国家电网公司十八项电网重大反事故措施（修订版）》第3．2．3．3条规定：“风电场汇集线系统单相故障应快速切除。汇集线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。经电阻接地的汇集线系统发生单相接地故障时，应能通过相应保护快速切除，同时应兼顾机组运行电压适应性要求。经消弧线圈接地的汇集线系统发生单相接地故障时，应能可靠选线，快速切除。”

由此可知：现行规程规范对风电场35kV侧系统接地方式仅明确要求风电场禁止采用不接地的运行方式，但对系统中性点经消弧线圈的接地方式以及系统中性点经电阻的接地方式未做统一要求。两种中性点接地方式均能满足相关设计要求。因此，在实际设计应用中，风电场35kV系统中性点采用方式不能只参考某一规程规范，而应结合项目所在地国家电网条文的规定，合理设计风电场系统的中性点接地方式。

2.2 工程实例分析

某风电场装机规模130MW，汇集本风电场所发电能后，通过一回220kV出线接入对侧220kV变电站。风电场220kV侧采用线变组接线方式，35kV侧采用单母线接线方式，35kV侧设置1套无功补偿装置、1套接地变装置，集电线路采用35kV全电缆方案，集电线路总长度为75．4km。

根据文献[4]，升压站35kV侧电容电流值计算方法如下：

电力电缆的电容电流：

式中，Ue为系统线电压，L为集电线路长度，为电力电缆线路的电容电流。

考虑上风电场电气设备对地电容电路增加13%，则总的电容电流值为298．2A。

若采用中性点经消弧线圈接地方式，35kV侧中性点消弧线圈的所需容量如式（2）所示

式中，K为过补偿系数，1．25，Q为消弧线圈的容量。根据文献[5]的规定，接地变压器的容量需大于消弧线圈的容量，即S≥Q,故接地变压器的容量为8000kVA。

根据文献[6]规定，35kV消弧线圈优选额定容量不宜过大，其值小于2400kVA为宜。在风电场实际运行中，若消弧线圈的容量值高于2400kVA，则该消弧线圈需定制加工，且实际应用案例较少。故在风电场设计选型中若系统的电容电流值较大时，不宜选用中性点经消弧线圈的接地方式。

当采用中性点经低电阻接地方式时，要求流过中性点电阻的阻性电流值不小于容性电流值，以限制间歇性弧光接地时的过电压水平在2．6倍的相电压内（此数值是高压电动机、电力电缆可以承受的最大过电压倍数）；同时为了保证继电保护装置能够正确动作，要求单相接地故障电流大于线路的电容电流。

故取 IR=1．5×IC=447．3A。则单相接地故障电流为：

式中，ID为单相接地故障电流，IR为流过故障点的电阻性电流，IC为流过故障点的容性电流。

根据文献[5]可知中性点接地电阻的阻值为：

式中，R为中性点电阻值，UN为中性点电压值。

接地电阻消耗的功率为：

式中，PR为中性点接地电阻消耗的功率。

根据文献[5]的规定，接地变压器的容量取值为：

式中，K为接地变压器过载系数，根据IEEE-C62．92．3标准中对接地变压器的短时允许过载系数的规定，取值为10．5。

故根据式（8）接地变压器的容量可选为1200kVA。

由上文分析计算可知，风电场系统中性点经电阻接地方式选用的接地变压器容量，较中性点经消弧线圈接地方式选用的接地变压器容量降低比较明显，设备成本大为降低。

3 结语

当风电场集电线路主要为电力电缆且风电场装机容量较大时，反生单相接地故障时，多为金属性接地故障，且故障电弧不易熄灭，故在风电场中性点接地方式的选择及接地容量的选取时，应优先考虑选用中性点经电阻接地的方式，保证故障线路快速有效的切除，减少接地事故的进一步扩大。

[1]林峰,张兰英,吕庭钦,相里碧玉,江岳文．风电场接地变及其中性点接地电阻的改进方案分析[J]．电网与清洁能源 ,2015,31(2)：126-129．

[2]曹小玲,蒋多晖．中性点经小电阻接地方式在电力系统中的应用 [J]．华东电力 ,2013,41(11)： 2205-2206．

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

[4]弋东方,钟大文等．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,2001：80-84．

[5]中华人民共和国国家发展和改革委员会．DL/T 5222-2005导体和电器选择设计技术规定[S]．北京：中国电力出版社,2005．

[6]中华人民共和国国家发展和改革委员会．DL/T1057-2007 自动跟踪补偿消弧线圈成套装置技术条件[S]．北京：中国电力出版社,2007．