光伏电站中集电线路保护定值整定计算的探讨

顾星星，潘林俐

(1. 华电江苏能源有限公司新能源分公司，南京 210000；2. 重通成飞风电设备江苏有限公司，南通 226000)

0 引言

随着电网中光伏电力容量的增加，其对电网运行造成的影响也越来越突出。由于光伏电站具有特殊的接线方式、运行方式和运行环境，因此研究光伏电站的保护配置与整定计算，对光伏电站的稳定运行及故障切除等方面具有重要意义。本文根据江苏某110 kV光伏电站中集电线路保护定值的整定计算实例，研究了光伏电站中集电线路保护配置方案与整定计算原则。

1 江苏某光伏电站概述

江苏某110 kV光伏电站的装机容量为73.5 MW，包含98台0.75 MW的光伏逆变器，逆变器的出口电压为315 V。该光伏电站通过6条集电线路汇集到35 kV母线，然后经光伏电站主变压器将电压升高到110 kV。该光伏电站的一次主接线示意图如图1所示。

1.1 系统参数

该光伏电站的110 kV母线等效阻抗值如表1所示。

表1 110 kV母线等效阻抗表Table 1 Equivalent impedance of 110 kV busbar

选择100 MVA作为基准容量，则各电压等级下的计算基准值如表2所示。其中，Ijs为各电压等级短路电流计算的基准值；Zjs为各电压等级阻抗计算的基准值。

表2 光伏电站各电压等级下的计算基准值表Table 2 Calculating reference value under each voltage grade of PV power station

1.2 主设备参数

该光伏电站升压站共安装2台50 MVA两卷主变压器(带平衡线圈)。1#主变压器110 kV侧为直接接地方式，35 kV侧为经小电阻接地方式；2#主变压器110 kV侧为经放电间隙接地方式，35 kV侧为经小电阻接地方式。35 kV系统单母线分段接线形式，线路共计6回，通过110 kV单母线送至电网。各主设备的具体规格参数如表3～表5所示。

表3 110 kV主变压器的规格参数表Table 3 Specifications and parameters of 110 kV main transformer

要进行集电线路保护定值的整定计算，必须要掌握各主设备的等效阻抗、不同短路故障点的短路电流。下文对此进行具体计算分析。

表4 35 kV箱式变压器的规格参数表Table 4 Specifications and parameters of 35 kV box transformer

表5 35 kV集电线路 A的规格参数表Table 5 Specifications and parameters of 35 kV collecting power line

2 主设备的等效阻抗计算

2.1 1#/2#110 kV主变压器的阻抗标幺值

选取系统容量SB为100 MVA，计算1#/2#110 kV主变压器的阻抗标幺值。

式中，U110、U35、U10.5分别为主变压器110 kV侧、35 kV侧、10 kV侧的短路电压；分别为主变压器110 kV侧、35 kV侧、10 kV侧的等效阻抗；SN为各个设备的额定容量，取值参照表3～表5。

2.2 35 kV箱式变压器的阻抗标幺值

计算35 kV箱式变压器的阻抗标幺值。

式中，U1-2为高压绕组与总低压绕组间的短路 电 压；U2′-2′′为分 裂 绕组 间 的短 路电 压；U2′、U2′′分别为双绕组变压器低压侧分裂绕组的等效电压；U1为双绕组变压器高压侧的等效电压；为双绕组变压器高压侧的等效阻抗；均为双绕组变压器低压侧的等效阻抗。

2.3 35 kV集电线路A的阻抗标幺值

计算35 kV集电线路A的阻抗标幺值。其中，XR为集电线路A电缆线路每km的电阻值，XR=0.319×1.46=0.466；XL为集电线路A电缆线路每km的电抗值，XL=0.078×1.46=0.114。

式中，为集电线路A的阻抗标幺值的电阻部分；为集电线路A的阻抗标幺值的电抗部分；Z*为集电线路A的阻抗标幺值；Uav为系统平均电压。

3 短路电流的计算

计算系统最小运行方式下的短路电流。根据表2，此时短路电流计算的基准值Ijs取1.560 kA。

1)K1点：35 kV母线最小两相短路电流为：

式中，Z1∑.K1为K1点的总正序阻抗标幺值。

2)K2点：集电线路A最末端35 kV最小两相短路电流为：

式中，Z1∑.K2为K2点的总正序阻抗标幺值。

3)K3点：集电线路A最末端箱式变压器低压侧315 V处最小两相短路电流折算到35 kV侧)为：

式中，Z1∑.K3为K3点的总正序阻抗标幺值。

4 集电线路A保护定值的整定计算

前文已计算出各主设备的等效阻抗值，以及不同短路故障点的短路电流值，从而进行集电线路A的保护定值的整定计算。

4.1 集电线路A过流保护I段

根据GB/T 32900-2016《光伏发电站继电保护技术规范》[1]，整定原则1为：按对本线路最末端相间故障有灵敏度进行整定，灵敏系数Ksen取1.5。

按整定原则1，集电线路A过流保护Ⅰ段的整定值Iop.1为：

式中，nTA为35 kV集电线路A的CT变比，根据表5，此处取300/5。

根据文献[2]，整定原则2为：按躲过集电线路A最末端箱式变压器低压侧故障的三相短路电流最大短路电流)整定，可靠系数Krel取1.2。

按整定原则2，集电线路A过流保护Ⅰ段的整定值Iop.1为：

针对整定原则2的结果进行灵敏度校验：按系统最小运行方式下，箱式变压器内部线圈1/2处两相短路故障进行校核。此时的最小两相短路电流为：

式中，Z1Σ为箱式变压器内部线圈1/2处两相短路时的总正序阻抗标幺值。

则Ksen为：

计算得到的Ksen=1.27，大于1.2，根据文献[2]，该值基本符合要求。

文献[2]指出，按整定原则1整定集电线路A过流保护Ⅰ段能够保护线路全长，灵敏性较好，但选择性较差，需重点考虑过流保护Ⅰ段和箱式变压器保护之间的配合问题；按整定原则2整定集电线路A过流保护Ⅰ段，能基本保证集电线路A和箱式变压器保护之间的选择性关系，但需要考虑集电线路A过流保护Ⅰ段和箱式变压器保护之间的时间配合关系，以确保保护的选择性。

由于该光伏电站采用油浸式箱式变压器，其瓦斯保护因高压侧开关需手动操作不能电动跳闸而失去非电量主保护功能。因此，另经短路电流计算，当35 kV箱式变压器低压侧315 V处三相短路时，故障电流为44.52 kA；考虑非周期分量影响，故障0 s切除瞬间冲击电流为111.3 kA，0 s切除瞬间的冲击电流远大于光伏专用万能式空气断路器额定短时耐受电流50 kA，属于安全隐患。因此，在该光伏电站35 kV集电线路保护定值的整定计算过程中，需考虑使其保护范围尽可能覆盖箱式变压器，因此集电线路A过流保护Ⅰ段的整定值选择按整定原则2进行整定。

综上所述，集电线路A过流保护Ⅰ段整定后的动作值取7.58 A，动作时间取0 s，出口方式为跳闸。

4.2 集电线路A过流保护II段

根据GB/T 32900-2016《光伏发电站继电保护技术规范》[1]，整定原则为：按躲过集电线路箱式变压器投运过程中最大负荷电流Iloa.max进行整定，Iloa.max= 25.1×9=225.9 A，Krel取 1.15。

按此原则，集电线路A过流保护Ⅱ段的整定值Iop.2为：

灵敏度校验：按系统最小运行方式下，箱式变压器低压侧315 V处两相短路故障进行校核。

计算得到的Ksen=1.23，根据GB/T 32900-2016《光伏发电站继电保护技术规范》[1]，该值大于1.2，基本符合要求。

综上所述，集电线路A过流保护Ⅱ段整定后的动作值取4.33 A，动作时间取0.3 s，出口方式为跳闸。

4.3 过负荷保护

根据GB/T 32900-2016《光伏发电站继电保护技术规范》[1]，整定原则为：按躲过集电线路箱式变压器投运过程中最大负荷电流Iloa.max进行整定，Iloa.max取225.9 A，Krel取1。

按此原则，过负荷保护的整定值Igfh为：

因此，过负荷保护整定后的动作值取3.77 A，动作时间取7 s，出口方式为发信号告警。

4.4 零序电流I段

根据GB/T 32900-2016《光伏发电站继电保护技术规范》[1]，整定原则为：按对本线路末端单相接地故障有灵敏度，以Ksen≥2进行整定。

当集电线路A末端发生单相接地时，零序电流Ⅰ段的整定值为：

式中，为集电线路末端的零序总阻抗(标幺值)；为集电线路末端的正序总阻抗(标幺值)；R*为中性点接地电阻(标幺值)；(3I0)*为零序电流Ⅰ段的整定值(标幺值)；3I0为零序电流Ⅰ段的整定值一次值(有名值)；(3I0)op.1为零序电流Ⅰ段的整定值二次值(有名值)；nTA根据表5，此处取值为100/5。

由于35 kV集电线路A存在雷击误动隐患，因此零序电流Ⅰ段的动作时间取0.2 s。

综上所述，零序电流Ⅰ段整定后的动作值取2.54 A，动作时间取0.2 s，出口方式为跳闸。

4.5 零序电流II段

根据GB/T 32900-2016《光伏发电站继电保护技术规范》[1]，整定原则为：按可靠躲过本线路的自身电容电流进行整定，Krel取2。

电缆线路的零序电容电流Ic的计算式为：

式中，Ue为电力线路的额定电压；L为电力线路的长度；nTA根据表5，此处取值为100/5。

综上所述，零序电流Ⅱ段整定后的动作值取0.54 A，动作时间取0.5 s，出口方式为跳闸。

4.6 小结

通过上述整定计算的方法，对某光伏电站35 kV集电线路保护进行了整定计算，该光伏电站35 kV集电线路自投运以来，整定计算合理，继电保护装置未有任何不正确的拒动和误动，其作为光伏电站的第一道防线，很好地保障了设备安全、稳定的运行。

5 结论

本文结合实例，对中低压侧为低电阻接地系统的光伏电站的集电线路保护定值的整定计算给出了相应的短路电流分析及集电线路保护定值整定计算原则。通过对并网光伏电站的集电线路继电保护配置和整定计算进行探究，能够有效保障光伏电站持续、安全、稳定地运行。