光伏電站接地變應用淺析

何朝陽，徐殿飛，許可

（蘇州愛康能源工程技術股份有限公司，江蘇 張家港 215600）

光伏電站接地變應用淺析

何朝陽，徐殿飛，許可

（蘇州愛康能源工程技術股份有限公司，江蘇 張家港 215600）

介紹了光伏發電系統中性點接地形式的選擇，給出了中性點電阻、接地變壓器的容量計算和選擇方法，指出了項目上實際存在的常見問題，提出了零序保護和配合的原則。

電阻；零序；接地變壓器；容量；保護

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.044

1 引言

電力系統接地方式的選擇是個綜合性的問題，應根據供電可靠性要求、電網和線路結構、過電壓與絕緣配合、繼電保護技術要求、人身及設備安全、對通訊及電子設備的電磁干擾、本地的運行經驗等進行技術經濟分析，權衡利弊確定適當的接地方式。

電力系統中性點接地方式：直接接地、不接地、經消弧線圈接地（也稱諧振接地）、電阻接地。

電力系統中最常見的故障為單相接地故障，約占全部短路故障的80%。單相接地可分為永久性和非永久性故障兩種。如在架空線路和電纜的混合線路上，發生單相永久性故障，電纜方面主要是終端、本體和中間接頭的擊穿；架空線方面主要是導線斷線（含絕緣導線）、絕緣子破裂或外部物體碰及導線等。對于永久性故障，都應該停電排除故障后恢復供電。發生單相接地非永久性故障，一般在架空線路的裸導線處，主要原因是雷擊使絕緣子閃烙或樹枝碰線；在中性點經電阻接地時將使線路跳閘，重合閘后可恢復供電。10~35kV電纜發生單相接地基本上是永久性故障，不存在自行熄弧的可能。

大中型光伏電站一般為架空線路和電纜的混合線路，電纜用的數量很大。消弧線圈對瞬時性弧光接地曾有很好的消弧效果，但固體絕緣材料的大量使用，系統諧波電流的增大，消弧線圈消弧已不具備普遍適應性；消弧線圈只能補償工頻電流，而弧光接地初期存在數十秒的高頻振蕩；消弧線圈接地統系存在選線難的技術問題。

由于上述原因，35kV光伏開關站一般采用中電阻接地系統。為節省投資費用，接地變一般含有兩個用途：供給開關站使用的低壓交流電源；在35kV側形成人為的中性點，同中性點電阻相結合，用于35kV發生單相接地時，產生較大的接地電流，該系統加裝零序電流互感器和零序保護（速斷和過流），迅速切斷故障回路，保證人身的安全以及線路、設備安全。

2 電阻的選擇

中電阻接地系統在運行中存在接地故障電流值大，會引起地電位的升高達數千伏，大大地超過安全的允許值，對低壓設備、通訊線路、電子設備和人身保安都有危險。接入中性點電阻的阻值應根據本網絡中電容電流確定。

系統的過電壓水平，采用電阻器接地方式可以降低系統的過電壓水平，:研究表明：當XC/XR<0.25時，系統的過電壓水平達到3.5倍；XC/XR≥1時，系統的過電壓水平基本變化不大；當XC/XR≥2時系統的過電壓水平基本不變。工程上一般取IR=（1.5～2）×IC。

接地電阻阻值選取，XC/XR的大小與過電壓倍數關系如表1所示。

表1 XC/XR的大小與過電壓倍數關系

電阻的容量應能保證在通過額定電流時持續時間10s情況下能保持熱穩定，在中性點偏移2%情況下可以長期運行。

3 接地變壓器

3.1 接地變壓器工作原理

Z型變壓器通常用作對Y/d電力系統二次側人為制造中性點，接地變由6個繞組組成，每一鐵芯柱有兩個繞組，然后反極性串聯成曲折形的星形繞組：即A1繞組的末端和B2繞組的末端相連；即B1繞組的末端和C2繞組的末端相連；即C1繞組的末端和A2繞組的末端相連，然后A2、B2、C2的首端則形成曲折型變壓器的中性點；這樣連接的好處是正序激磁電流小，正序阻抗大，而零序磁通可沿磁柱流通，零序阻抗較小，零序電流大。接地變除可帶接地電阻外，也可帶二次負載，可代替所用變，從而節省投資費用。

3.2 繞組電氣參數計算

設Ubc2為Z型變壓器高壓半相線圈相電壓；Uob為Z型接地變壓器高壓整相線圈；Upl為Z型接地變壓器高壓整相線圈線電壓。

相電壓電壓關系推導如下：

根據電路理論Y接法相、線電壓數量關系知：

在Z型接地變壓器中，高壓半相線圈的相電壓為線電壓的1/3 。

3.3 接地變壓器短路容量問題

3.3.1 短路電流計算

設中性點接地電阻為R，接地變每相零序電抗為X0；如忽略零序電抗對單相接地短路電流的影響，則零序電流3I0=Uph/R。如考慮零序電抗對單相短路電流的影響，則3I0=Uph/（R+jX0/3），注意單相零序電抗值轉化為等值系統零序電抗值時有系數1/3。

上述式中Uph為系統相電壓。

表2 典型額定電流計算

由表2可知：接地變壓器每相零序電抗值對單相短路電流有影響，一般在1%～5%之內，基本可以忽略。即便如此，每相零序電抗值仍然是重要的電氣參數，在制造過程中必須控制，誤差應限制在±10%范圍之內。

3.3.2 接地變容量選擇

根據IEEC的C62.92.3標準關于過載系數的規定，換算變壓器的短時容量與持續容量，表3為容量與過載時間對應表。

表3 容量與過載時間對應表

設站用變二次繞組容量為Sz，接地電阻額定發熱量為Sr，站用變及接地變壓器的一次側容量Sm至少滿足下式要求：

考慮到功率因數一般在0.8以上，工程項目中可用Sm=Sr/ 10.5+Sz來簡化，并考慮5%～10%的裕量。

4 使用時常見問題

中性點經地電阻接地后不能通過短時帶故障運行來保證供電可靠性，而是靠加強電網結構和提高自動化水平來提高供電的可靠性。否則會出現設備燒毀事故，違背系統增設小電阻接地裝置的初衷。在項目使用過程中，設備常見設計、施工問題是：

未考慮電力系統不平衡等因數，電阻長期有小電流通過，造成電阻熱疲勞。

中性點接地零序電流互感器雖然接線，但是在保護設備中處于未投入狀態，接地電阻柜未設綜合測控保護裝置或綜合測控保護裝置未接入電氣監控系統。

青山湖綠道環線總長約為43 km，在選線過程中發現環湖一帶有較多的原有機耕路，約占綠道線路總長的30%，在綠道實際建設中，設計師對該部分機耕路進行二次利用，并借道部分市政道路，以更低碳、生態化的手段進行建設，并針對湖面淺灘地帶等生態敏感性區域因地制宜地設置了棧道，保留青山湖自然的氣息(圖4)。

測溫元件安裝位置，安裝在箱變本體外殼，沒起到監測接地電阻本體溫度的作用，當實際溫度超過允許值時，沒有告警、跳閘。

故障錄波器未能反映相關告警和有關數據，缺少相關數據基礎，且延長了故障處理時間。

保護原則不對，未注意接地變保護裝置定值和時間選擇與其他設備保護配合問題，造成設備過熱損壞。

5 單相接地發生時零序電流的分布

以普通20MWP光伏電站項目的35kV開關站為例，其主接線為單母線接線，含兩回集電線路間隔、一回輸出線路間隔、一回站用變間隔、一回PT及母線保護間隔、一回SVG補償柜間隔。設IR=Uph/R，全系統容性接地電流為I∑C，各間隔線路單相接地電容電流ICj，j=1，2，3，…，n。

母線單相接地、線路接地、站用變間隔發生單相金屬性接地（過渡性接地時發生的零序電流相適當會小些）時，零序電流有以下分布特點：在非故障線路上有零序電流，其數值為該線路本身電容電流ICj；在故障線路上（不包括接地變間隔），零序電流為全系統非故障元件的對地電容電流以及電阻電流的相量和，即IC=I∑C-ICj+IR；接地變間隔發生單相接地故障，該間隔零序電流全系統非故障元件的對地電容電流，即IC=I∑C-ICj；接地變中性點均有零序電流通過，其值為IR。

6 零序保護定值設置

6.1 饋線整定

1）零序過流I段

（2）考慮到發生過渡性(高電阻)接地，零序過流I段的定值I1＝（0.2～0.3）IR，當系統的IR較小時，可以考慮適當放大I1；對于純電纜系統In可以取值大一些，對于架空或者混合系統I1可以取值低一些；

（3）一般而言，所有饋線的零序過流定值相同；

（4）零序過流I段的時間可以整定T1=0.2～0.3s。

2）零序過流II段

（1）零序過流II段可以考慮按照躲過本回路的電容電流，一般取I2>（1.5～2）ICj（ICj是本饋線的電容電流），這里需要知道每條線路的電容電流；對于電容電流最大的線路該值可能比較大；

（2）由于系統運行方式的變化，饋線的電容電流可能變化，一般對于所有饋線的定值相同，但是這種情況下需要考慮避開單回饋線的電容電流最大值；

（3）零序過流II段的定值一般小于零序過流I段的定值，I2＝（0.2～0.5）I1，對于架空線路或者架空電纜混合線路，I2取值較低；

（4）零序過流II段的時間可以整定T2=1～1.3s，常規時間級差為0.5～1s，而且時間大于饋線電流II段的動作時間；

3）饋線保護：饋線的速斷、過流保護、重合閘保護按常規配置。

6.2 接地變整定

1）高壓側零序或者電阻中性點CT的保護定值主要作用是母線接地保護和作為饋線保護的后備保護，同時考慮躲開系統的不平衡電流，同時在時間上和饋線零序過流II段配合；

2）3 Io的定值小于饋線零序過流II段的定值，一般設為10s額定電流的5%；

3）高壓中性點零序保護時間：一般為 1.5～2s，和饋線零序過流II段的時間配合，時間級差為0.5～0.7s；

4）中壓中性點零序保護跳開接地變的同時，還需要依次跳開相連的母聯開關并且閉鎖備自投、主變的出線開關（對于有接地變的系統），時間級差為0.5s；對于直接從主變中性點引出的系統：應該依次跳開相連的母聯開關并且閉鎖備自投、主變的出線開關；

5）接地變本身的保護：過流和電流速斷保護，按照相間短路和低壓側短路考慮，接地變壓器保護需要關閉重合閘。

【1】弋東方.電力工程電氣設計手冊[M].北京：中國電力出版社，1989.

【2】王鑫.DL/T5222導體和電器選擇設計技術規定[M].北京：中國電力出版社，2005.

【3】平紹勛.接地變壓器及其容量計算方法[J].變壓器，2000，37（4）：17-19.

【4】孫美君，等.工業與民用配電設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2006.

Application of PV Power Station Grounding

HEChao-yang,XUDian-fei,XUKe
（SuzhouIcahnEnergyEngineeringConstructionTechnologyCo.Ltd.,Zhangjiagang215600,China）

This paper introduced photovoltaic power systemneutral grounding selection, and also presented the capacity calculation and selectionmethod of neutral point resistance and grounding transformer, pointed out actual common questions on the project, proposed the principle of zero-sequence protection and coordination.

resistance;zero-sequence;groundingtransformer;capacity;protection

TU271.1

A

1007-9467（2016）07-0068-02

2016-6-23

何朝陽（1974～），男，浙江諸暨人，高級工程師、國家注冊發輸電、供配電工程師，從事電力工程設計研究，（電子信箱）hechaoyang@akcome.com。