光伏电站中压小电阻接地系统单相接地故障分析

江苏蓝天光伏科技有限公司 ■ 刘随生

0 引言

光伏电站中压小电阻接地系统不同位置发生单相接地故障时，接地系统的各处电流大小及相位情况复杂，此种现象会影响保护装置的正确选用及其良好表现。目前关于中压小电阻接地系统发生单相接地故障的文献较少，并且相关知识存在不够全面、系统和深入的情况。因此，本文以某光伏电站为例，对中压小电阻接地系统单相接地故障情况进行了分析。

1 某光伏电站35kV接地系统的情况

某光伏电站35 kV接地系统采用小电阻接地的方式，具体的接地系统图如图1所示。

图1 某光伏电站35 kV接地系统图

由图1可知，该接地系统中的接地变压器中性点连接接了1个阻值为50.5 Ω的接地小电阻，额定电流为400 A，允许过流时间为10 s；1#、2#、3#、6#光伏进线柜和接地变压器的电流互感器变比均为300/5 A，4#、5#光伏进线柜的电流互感器变比均为500/5 A；主变压器低压侧电流互感器变比为2×600/5 A，录波回路用电流互感器二次绕组使用的是1200/5 A抽头；主变压器高压侧电流互感器变比为200～600/5 A，录波回路用电流互感器二次绕组使用的是400/5 A抽头。

接地系统发生金属性单相接地时，根据电力系统相关理论，该故障点短路电流与流过接地变压器中性点电阻的短路电流一致[1]，即：

式中，Id为单相接地短路电流，A；UN为系统线电压，kV，此处取35 kV；R为接地变压器中性点电阻值，Ω，此处取50.5 Ω。

代入相关数值后可知，Id=400 A。

由于接地变压器的特殊结构，其零序阻抗很小，在式(1)中予以忽略。

2 35kV接地系统单相接地故障的表现

2019年3月某日夜间，该接地系统的2#光伏进线柜发生B相非金属性接地故障，发生故障时的录波图如图2所示。

图2 2#光伏进线柜发生故障时的录波图

由图2可知，发生故障后，故障回路B相二次电流idB与接地变压器回路馈线开关柜电流互感器处三相零序电流之和3I0基本相同，二者取平均值后idB=5.46 A，折算成一次电流后约为327.6 A，与理论值400 A接近。考虑到故障为非金属性接地，所以此值较为合理。由于光伏电站夜间不发电，所以故障前2#光伏进线柜相当于空载馈出线路。因此，故障前、后非故障相A相和C相的二次电流idA、idC约为零。

图3为故障段母线1#接地变压器回路的故障录波图。

图3 1#接地变压器回路的故障录波图

由图3可知，故障后，该段母线接地变压器回路的三相电流基本相等，即接地变压器三相的二次电流ijA、ijB、ijC近似为ijA=ijB=ijC，取平均值后约为1.85 A，折算成一次电流后约为111 A；该值约为故障回路故障相电流327.6 A的1/3。而3I0与故障回路故障相电流基本相等。

由图2、图3还可看出，故障回路故障相电流除了与接地变压器回路三相电流同相位，还与3I0及流过接地小电阻的电流iz同相位，且iz=3I0。

图4为故障后1#主变压器的高压、低压侧电流录波图。

由图4可知，故障后，1#主变压器低压侧B相二次电流iB为0.884 A，折算成一次电流约为212 A，该值约为故障回路单相接地电流的2/3，且与故障回路故障相电流同相位；1#主变压器低压侧A相、C相二次电流iA、iC均约为故障回路单相接地电流的1/3，且均与故障回路故障相电流相位相差180°。

由图4还可看出，故障后，1#主变压器高压侧A相二次电流近似为零，B相、C相二次电流IB、IC分别为0.485 A、0.463 A，折算成一次电流分别为38.8 A和37 A，再折算至35 kV侧分别为122 A和116 A，基本相当于1#主变压器低压侧A相、C相电流。其中，1#主变压器高压侧C相电流与低压侧B相电流同相位，高压侧B相电流与低压侧A相电流同相位。

此外，从图4中还可以看出，故障后，1#主变压器的高压、低压侧三相零序电流之和3I0均近似为零，即使主变压器高压侧中性点隔离开关合上、主变压器高压侧中性点直接接地运行也是如此。

图5为夜间时2#光伏进线柜B相接地故障后电流流向规律示意图。

图4 故障后1#主变压器的高压、低压侧电流录波图

图5 夜间2#光伏进线柜B相接地故障后电流流向示意图

图5中，iAc、iCc分别为光伏进线柜B相接地故障后正常相A相、C相的对地电容电流，∑ic为电容电流之和，3U0为三相零序电压之和。

由图5可以看出，电流的分布和流向符合故障录波图所反映的情况。

3 35kV接地系统单相接地故障理论计算与对比分析

3.1 2#光伏进线柜单相接地故障时的分析

由于金属性与非金属性单相接地故障的电流流向是一致的，因此假设图5为单相金属性接地故障，下文对其电流情况进行理论计算，并且计算结果也基本适用于非金属性接地故障。图5情况下的电压、电流相位图如图6所示。

图6 夜间时2#光伏进线柜B相接地故障时的电压、电流相位图

图6中，UA、UB、UC分别为故障前接地系统A相、B相、C相各相的电压；UdA、UdB、UdC分别为故障后A相、B相、C相各相的对地电压，故障后UdB=0。

综合图5、图6可以得出：

由于接地系统对地电容电流很小可以忽略不计，因此式(2)可表示为idB=iz。

故障回路中，3I0=idB=Id=iz=400 A，iA=iC=0。

接地变压器回路中，3I0=iz=idB=Id=400 A，由于因此，ijA、ijB、ijC同相位、同幅值。

主变压器回路中，iA=ijA=133 A，iC=ijC=133 A，因此iA、iC同相位。

由图6可知，iB、iA、iC的向量和为零，即主变压器的低压侧三相零序电流之和3I0=0。因此，iB与iA、iC相位相差180°。则iB=iA+iC=266 A。

由图6可以看出，iB+ijB=idB。

由于iB=iA+iC，主变压器低压绕组A相电流为零，B相流过电流iA，C相流过电流iC，通过电磁感应，主变压器高压绕组A相电流为零，B相感应电流iA后产生电流相感应电流iC后产生电流

主变压器高压侧电流IB与低压侧电流iA同相位，高压侧电流IC与低压侧电流iC同相位，因此，主变压器高压侧电流IB与IC大小相等、相位相差180°。故高压侧零序电流之和3I0=0。

3.2 接地变压器回路单相接地故障时的分析

当B相接地故障发生在接地变压器回路时，其电流流向示意图如图7所示。

图7 接地变压器回路中B相接地故障时电流流向示意图

图5或图7故障情况下，母线电压的表现是相同的。从图6中可以看出，35 kV母线B相对地电压为0 V，A相、C相电压比正常运行时升高A相对地电压UdA的相位比C相对地电压UdC的相位小60°。图8为35 kV故障母线的电压录波图，该图很好地证明了上述说法。需说明的是，录波图中B相对地电压过小，可忽略不计。

图8 35 kV故障母线的电压录波图

由于3U0取自母线电压互感器开口三角二次绕组，因此其二次电压可表示为：

式中，U′n为母线电压互感器开口三角二次绕组每相额定电压，V，取φac为UdA的相位与UdC的相位的夹角，取60°。

将相关数值代入式(3)后可得，3U0=100 V。

由此可知，3U0理论值与图8中的数值基本相符。

3.3 4#光伏进线柜单相故障时的分析

当白天太阳辐照良好的情况下，光伏进线相当于小电源并网联络线。2019年3月某日中午，该光伏电站4#光伏进线柜发生A相接地故障时的故障回路录波图如图9所示。

由图9可以看出，故障回路开关柜处正常相的电流大小及相位基本没有变化，而故障相的电流大小及相位均发生了变化。故障回路中的零序电流3I0折算为一次电流后约为301 A。

故障母线2#接地变压器回路录波图如图10所示。

由图10可以看出，故障后接地变压器回路电流与图3情况相同。

此次故障后，午间时4#光伏进线柜A相接地故障时的电流流向示意图如图11所示。

图9 4#光伏进线柜发生A相接地故障时的录波图

图10 2#接地变压器回路录波图

图11 午间时4#光伏进线柜A相接地故障时电流流向示意图

故障后，电流、电压相位情况如图12所示。图中，φf为光伏电站发电时功率因数角。A相接地故障后，idB、idC仍与故障前基本相同；而由图12可知，由于idA、idB、idC向量和必为零，故idA也没有变化[2]。故障回路开关柜处的故障相电流i′dA应为idA与iz的向量和，其中，中性点小电阻上的零序电压之和3U0与流过的电流iz同相位，结果如图12所示。因此可以得出，i′dA大小及相位与故障前负荷电流的大小及功率因数有关，而故障点的接地故障电流仍与中性点小电阻流过的电流相等，即理论值为400 A。

图12 午间4#光伏进线柜A相接地故障时电压、电流相位图

当然，实际单相接地故障绝大多数为非金属性接地故障，系统各处故障电流均比前述理论值偏小，正如前面录波图折算的电流值所反映的一样。

4 35kV单相接地故障时保护的正确选用

当出现图5或图11的故障时，故障回路和接地变压器回路馈线开关柜电流互感器处零序电流3I0大小相等，理论值均为400 A，零序功率方向相反。接地变压器回路若装设不带方向的零序电流继电保护，电流取自开关柜处，可能造成其保护误动断路器先跳闸；然后因系统变成不接地系统，造成故障回路零序电流保护消失，本应该动作却拒动。

当出现图7中的情况时，接地变压器回路开关柜处三相零序电流3I0=i′jB-ijA-ijC=0，若电流是来自该处，那么零序电流保护不起作用，应依靠相电流保护。

因此，接地变压器回路若要零序电流保护正确发挥作用，零序电流需取自接地变压器高压绕组中性点，即中性点小电阻处，且动作时限应与其他间隔零序电流保护相配合，即延长一个时限。

5 结论

本文通过对某光伏电站35 kV小电阻接地系统不同位置发生单相接地故障时系统各处的电流及相位情况进行分析，得出以下结论：

1)当一般馈线发生单相接地故障时，故障回路故障相电流等于零序电流3I0；金属性接地故障时，故障相电流近似等于中性点接地小电阻额定电流；接地变压器回路开关柜处三相电流相位相同，数值等于故障回路故障相电流的1/3；接地变压器回路开关柜处零序电流等于故障回路零序电流3I0，但与故障回路开关柜处零序电流方向相反。

2)当接地变压器回路发生单相接地故障时，其开关柜处故障相电流等于零序电流3I0的2/3，其他两相电流等于零序电流3I0的1/3，两正常相电流相位相同，并与故障相电流相位相反，该处零序电流为零。

3)当接地变压器高压开关柜处零序电流保护起不到该回路接地故障保护作用时，需使该回路零序电流取自接地变压器高压绕组中性点，且动作时限应与其他间隔零序电流保护相配合，即延长一个时限。

4)光伏发电时，其进线发生单相接地故障时，其正常相电流基本不变，开关柜处反映的故障相电流大小及相位与故障前负荷电流的大小及功率因数有关，开关柜处反映的零序电流与一般馈线故障时相同。