增强新能源集电线零序保护动作可靠性的探索与研究

刘 杰，王志军，何志豪，童 刚

（华润电力（宜昌）有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

随着新能源装机容量不断增长，集电线的长度以及回路数量也不断增加，集电线成为了新能源重要电力输送设备[1]。由于新能源集电线地处山区，运行环境较为恶劣，雷电、鸟害、树障等因素极易导致架空线路发生故障跳闸，于是越来越多的新能源场站集电线采用电力电缆，而电力电缆线路存在着较大的对地电容电流以及间歇性弧光过电压[2]。国家电网有限公司关于印发《风电并网运行反事故措施要点》的通知（国家电网调〔2011〕974号）要求，风电场汇集线系统单相接地故障应快速切除。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[3]。经电阻接地的集电线系统发生单相接地故障时，应能通过相应保护快速动作切除，但目前普遍存在集电线零序定值整定问题，引发继电保护误动、越级跳闸事件。

1 案例分析及治理

1.1 某风场电气主接线方式

某风场电气主接线图如图1所示。其通过一回110 kV架空线路送入对侧110 kV变电站，3条35 kV集电线汇集到35 kV母线上，#1主变高压侧中性点直接接地，35 kV侧通过接地变及电阻接地。

图1 某风场电气主接线图

1.2 主要参数及集电线电容电流计算

图1中升压站内主变压器为Y-△接线方式，35 kV低压侧为不接地系统。接地成套装置为不接地系统提供人为的中性接地点，为单相接地故障电流提供接地回路。接地成套装置主要参数如表1所示。

表1 接地变参数统计表

风电场#1、#2、#3集电线均为35 kV交联聚乙烯高压电缆，依据《电力工程电气设计手册电气一次部分》电缆电容估算经验方法进行计算，结果如表2所示。电缆电容计算公式为

表2 集电线参数统计表

式中：U为电缆线电压，kV；L为电缆长度，km。

1.3 案例分析

2019年3月20日02时46分，某风场中控后台报：35 kV#1集电线报零序Ⅰ段动作，动作电流为3I0=0.504A（设定值为0.12 A、0.5 s零序电流互感器变比300/1），35 kV#1集电线开关跳闸；35 kV#2集电线报零序Ⅰ段动作，动作电流为3I0=0.153A（设定值为0.12 A、0.5 s零序电流互感器变比300/1），35 kV机2线302开关跳闸。现场检查：35 kV#2集电线路线对地绝缘，A相对地绝缘40 MΩ、B相对地40 MΩ、C相对地40 MΩ；35 kV#1集电线路线对地绝缘，A相对地绝缘0 MΩ、B相对地0 MΩ、C相对地0 MΩ（箱变高压侧负荷开关未分开）。经过现场检查分析发现，#2集电线路送电成功，#1集电线路电缆中间头发生故障击穿。故障波形如图2、3所示。

图2 #1集电线路动作波形图

图3 #2集电线路动作波形图

结合图2、图3故障波形进行分析，图中的录波采样的电流含有较大负荷分量，不易直接观察出突变量。

#1、#2集电线路动作波形图如图4所示。

图4 #1、#2集电线路动作向量图

结合图4中#1、#2集电线路动作向量进行分析，#1集电线发生故障瞬间，电流量角差已失去平衡且存在突变量，#2集电线保护动作前，三相电流仍基本对称，除零序分量外无明显突变量。初步判断#1集电线路内部发生单相接地故障，#2集电线路内部无故障，应属于保护误动跳闸。对#2集电线零序电流互感器进行通流试验及保护装置校验、传动试验，保护采样精度满足要求，装置正确动作，二次回路检查、传动试验也均合格，排除保护设备、装置、回路故障可能性[4]。

检查保护定值整定情况，由于35 kV系统中性点为非直接接地系统，出现单相接地故障时，35 kV全母线会出线零序电压，非故障线路上有电容电流，保护安装处的零序电流数值等于该线路本身的容性电流。故障线路的保护安装处零序电流为非故障线路零序电流与中性点电流之和，当集电线零序保护不带方向时，该线路的零序电流保护定值应躲过该线路容性电流。零序电流分布如图5所示。

图5 零序电流分布

例如：#2集电线路电缆的容性电流3Ic数值为48.3 A，#2集电线路零序过流保护定值I数值为45.9 A，电缆的容性电流大于零序过流保护定值，因此不满足相应的整定计算要求，造成#2集电线路零序过流保护保护误动跳闸；而#3集电线路电缆的容性电流3Ic数值为34.3 A，#3集电线路零序过流保护定值I数值为36 A，电缆的容性电流小于零序过流保护定值，因此零序保护不误动。本次#1集电线路发生单相接地故障时，#1集电线路零序保护动作跳闸，#2集电线路由于零序保护定值整定计算只从单方面考虑集电线零序保护动作灵敏度，未考虑区外故障自身的容性电流，造成保护误动跳闸，这也是目前风电场集电线零序整定较为突出、常见的问题。

2 增强可靠性措施

为增强35 kV系统零序保护的可靠性，防止保护误动、拒动、越级跳闸情况出现，制定了以下技术整改举措。

（1）接地变零序定值整定综合考虑以下因素：可按照2～3倍灵敏度设定；躲过系统容性电流；与集电线、站变等馈线零序保护配合[5,6]。

（2）集电线零序保护整定综合考虑以下因素：可按照3～4倍灵敏度整定；如#2集电线路躲过本线路最大容性电流为3I0=3Ic=48.3 A，可靠系数K取1.3，电流互感器变比为300∶1，来进行计算，计算公式如下[7]：

因此，#2集电线路零序保护电流二次侧定值整定为0.2 A。

（3）为防止集电线单相接地引发接地变越级跳闸，接地变过流定值综合考虑以下因素：躲过变压器空载投入时的最大励磁涌流；躲过外部接地故障流过接地变电流；两相短路灵敏度。结合实际接地电流进行核对定值合理性。

3 结 论

新能源产业的蓬勃发展必将带来一系列的电网技术问题，其中继电保护的可靠性又尤为关键。如果零序保护整定不合适，易造成相应的保护发生误动、越级跳闸，尤其是早期及基建刚转运营场站，在计算零序定值时，未考虑线路类型、长度、电容电流。目前，新能源正快速发展，文章结合日常保护动作真实案例进行解析，按照整定计算相关规程提出了新能源35 kV系统零序保护整定的原则及增强其可靠性的举措。