風(fēng)電場(chǎng)接地變壓器容量選擇

靖 峰,韓 源,孫 靜

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路由于處在風(fēng)區(qū)，運(yùn)行條件差，集電線(xiàn)路系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障屬于比較常見(jiàn)的故障類(lèi)型。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，要求保護(hù)能夠做到準(zhǔn)確選線(xiàn)、快速切除，而中性點(diǎn)低電阻接地方式能很好的適應(yīng)這一要求，并且具有較低的弧光接地過(guò)電壓水平，目前在風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路系統(tǒng)中廣泛采用[1-4]。隨著部分風(fēng)電項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)間的增加，暴露出接地變壓器容量選擇不恰當(dāng)導(dǎo)致接地變壓器回路過(guò)流保護(hù)未正確整定和投入的問(wèn)題，給系統(tǒng)的可靠保護(hù)和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行留下隱患。本文對(duì)接地變壓器容量選擇過(guò)程進(jìn)行分析，總結(jié)出接地變壓器容量計(jì)算過(guò)程中的常識(shí)錯(cuò)誤和解決辦法。

1 接地變壓器容量計(jì)算的常見(jiàn)問(wèn)題

中性點(diǎn)低電阻接地系統(tǒng)的接地變壓器容量計(jì)算通常按圖1步驟開(kāi)展。

圖1 傳統(tǒng)接地變壓器容量計(jì)算流程圖

在項(xiàng)目實(shí)際的實(shí)施過(guò)程中，中性點(diǎn)接地成套裝置的選型過(guò)程經(jīng)常存在如下問(wèn)題：

(1) 未分析系統(tǒng)單相接地故障后電容電流的流通過(guò)程，對(duì)電容電流計(jì)算的理論基礎(chǔ)理解模糊；

(2) 電容電流計(jì)算未考慮系統(tǒng)連接的其它電力設(shè)備提供的電容電流，導(dǎo)致最終計(jì)算的電容電流值偏小；

(3) 認(rèn)為單相接地故障時(shí)電容電流會(huì)流過(guò)接地電阻，因此需要接地電阻額定電流大于電容電流；

(4) 對(duì)單相接地故障的原理分析不清，混淆電容電流、電阻電流和故障電流；

(5) 接地變壓器容量未考慮與接地變壓器本體過(guò)流保護(hù)裝置的配合。

2 系統(tǒng)電容電流計(jì)算

2.1 系統(tǒng)電容電流的產(chǎn)生原理

圖2 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)電容電流相量圖

2.2 單相接地故障時(shí)電容電流的回路

圖3 單相接地短路時(shí)電容電流相量圖

單相接地故障時(shí)電容電流的回路示意圖詳見(jiàn)圖4。

2.3 電容電流的計(jì)算

電力線(xiàn)路、電力設(shè)備對(duì)地都有一定的分布電容，電容電流的計(jì)算主要考慮電纜或架空線(xiàn)路，由于其它電力設(shè)備對(duì)地也都有一定的分布電容，但量值相對(duì)較小，工程設(shè)計(jì)中一般不單獨(dú)計(jì)算，工程應(yīng)用中按線(xiàn)路電容電流的10%計(jì)算附加即可滿(mǎn)足要求[9-11]。電纜和架空線(xiàn)路電容電流可按下式進(jìn)行計(jì)算。

(1) 對(duì)于電纜線(xiàn)路，電容電流計(jì)算方法：

IC=0.1Ue×L

(1)

式中:IC為線(xiàn)路電容電流，A；Ue為線(xiàn)路額定線(xiàn)電壓，kV；L為線(xiàn)路長(zhǎng)度，km。

(2) 對(duì)于架空線(xiàn)路，電容電流計(jì)算方法：

IC=(2.7或3.3)Ue×L×10-3

(2)

式中:IC為線(xiàn)路電容電流，A；Ue為線(xiàn)路額定線(xiàn)電壓，kV；L為線(xiàn)路長(zhǎng)度，km；(2.7或3.3)為系數(shù)，無(wú)架空地線(xiàn)時(shí)取2.7，有架空地線(xiàn)時(shí)取3.3。

3 接地電阻額定參數(shù)選擇

3.1 低電阻接地系統(tǒng)單相接地故障保護(hù)原理

由上節(jié)分析可以看出，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，短路點(diǎn)會(huì)流過(guò)系統(tǒng)所有回路的電容電流，即故障回路流過(guò)系統(tǒng)所有回路的電容電流，非故障回路流過(guò)本回路的電容電流。當(dāng)該電容電流流過(guò)各回路零序電流互感器時(shí)，單相接地零序保護(hù)即是通過(guò)判斷該零序電流的大小來(lái)確定并切除故障回路。

以A相發(fā)生單相接地短路為例，當(dāng)單相接地故障發(fā)生時(shí)，對(duì)非故障回路而言，其流過(guò)非故障回路零序電流互感器的電流即為該回路B、C相電容電流的合電流，該電容電流基本可以保持穩(wěn)定。但對(duì)于故障回路，其流過(guò)零序電流互感器的電容電流會(huì)根據(jù)故障時(shí)投運(yùn)回路數(shù)的不同，在比較大的區(qū)間內(nèi)變化，例如當(dāng)僅有一回線(xiàn)路運(yùn)行時(shí)，由于B、C相電容電流的合電流會(huì)經(jīng)過(guò)A相接地短路點(diǎn)流回系統(tǒng)，也就是流過(guò)故障回路零序電流互感器的電容電流為零；當(dāng)所有回路均運(yùn)行時(shí)，所有非故障回路的B、C相電容電流均會(huì)通過(guò)故障回路A相接地短路點(diǎn)流回系統(tǒng)，也就是流過(guò)故障回路零序電流互感器的電容電流為系統(tǒng)總的電容電流。可以看出，由于系統(tǒng)運(yùn)行回路數(shù)的不同，流過(guò)單相接地故障回路零序電流互感器的電容電流變化區(qū)間大，導(dǎo)致保護(hù)裝置無(wú)法準(zhǔn)確且靈敏的判斷故障并快速切除。采用低電阻接地方式，在發(fā)生單相接地的情況下，能為接地故障回路提供一個(gè)穩(wěn)定的電阻電流，從而確保故障回路準(zhǔn)確判斷、快速切除。

圖4 單相接地故障時(shí)電容電流的回路示意圖

發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障電流(即電阻電流和電容電流的矢量和)的回路示意圖詳見(jiàn)圖5。

通過(guò)以上分析可以看出，系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，單相接地故障電流由兩部分組成，一部分為系統(tǒng)電容電流，一部分為由接地電阻回路提供的電阻電流。即故障回路流過(guò)的電流為系統(tǒng)電容電流與電阻電流的合電流，非故障回路流過(guò)的電流僅為本回路電容電流，單相接地零序保護(hù)即是通過(guò)判斷該電流的大小來(lái)切除故障回路。

3.2 電阻額定參數(shù)的選擇

電阻額定參數(shù)的選擇主要考慮額定電壓和額定電流，電阻額定電壓應(yīng)不小于接入系統(tǒng)的額定電壓。額定電流的選擇主要考慮2個(gè)方面：一是為獲得快速選擇性繼電保護(hù)所需的足夠電流，需要較大的接地故障電流，目前低電阻接地系統(tǒng)一般采用接地故障電流為100～1 000 A[12]；二是為限制故障點(diǎn)間歇性電弧接地時(shí)的過(guò)電壓水平，要求流過(guò)故障點(diǎn)的電阻性電流不小于電容性電流，一般取電阻性電流為電容性電流的1～1.5倍，可以限制內(nèi)部過(guò)電壓不超過(guò)2.6倍，進(jìn)一步提高阻性電流對(duì)降低內(nèi)部過(guò)電壓收效不大[13]。可以看出，進(jìn)行接地電阻額定電流計(jì)算時(shí)，要求電阻額定電流大于電容電流，主要從降低過(guò)電壓水平的角度考慮，而不是由于電容電流需要流過(guò)接地電阻。

因此，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地電容電流小于100 A時(shí)，電阻額定電流應(yīng)取不小于100 A；當(dāng)電容電流超過(guò)100 A時(shí)，電阻額定電流取為電容電流的1～1.5倍。

圖5 單相接地故障時(shí)故障電流的回路示意圖

4 接地變壓器額定參數(shù)選擇

4.1 接地變壓器參數(shù)計(jì)算

接地變壓器額定電壓及絕緣水平應(yīng)與其所連接系統(tǒng)的額定電壓和絕緣水平保持一致。

接地變壓器的負(fù)荷僅為接地電阻，因此其容量應(yīng)不小于接地電阻的額定容量，即：

SN≥Pr

(3)

式中:SN為接地變壓器額定容量；Pr為接地電阻額定容量。

采用上述方法進(jìn)行容量計(jì)算時(shí)未考慮接地變壓器的運(yùn)行方式及特點(diǎn)。在低電阻接地系統(tǒng)中，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，接地電阻回路沒(méi)有工作電流，接地變壓器繞組僅流過(guò)很小的勵(lì)磁電流。只有當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，接地變壓器繞組中才流過(guò)電阻電流，即接地變壓器的運(yùn)行方式為長(zhǎng)期空載運(yùn)行；當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)短時(shí)滿(mǎn)載運(yùn)行，因此接地變壓器容量計(jì)算應(yīng)充分利用接地變壓器的短時(shí)過(guò)載能力。

低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障時(shí)要求快速切除，根據(jù)繼電保護(hù)要求，其持續(xù)時(shí)間應(yīng)小于10 s，因此，接地變壓器容量計(jì)算時(shí)可充分利用變壓器10 s短時(shí)過(guò)載能力。接地變的過(guò)載能力通常與設(shè)備的制造參數(shù)有關(guān)，經(jīng)計(jì)算，油變10 s短時(shí)過(guò)載倍數(shù)可達(dá)16倍，干變(H級(jí)絕緣)10 s短時(shí)過(guò)載倍數(shù)可達(dá)19倍[14]，實(shí)際選型中一般按IEEE-C62.92.3推薦的過(guò)載系數(shù)取值為10.5倍。

4.2 接地變壓器容量復(fù)核

前述計(jì)算得出的接地變壓器容量已經(jīng)可以滿(mǎn)足接地變壓器運(yùn)行功能及單相接地保護(hù)的要求，但能否滿(mǎn)足接地變壓器內(nèi)部相間故障的過(guò)流保護(hù)要求，還需要結(jié)合電流互感器參數(shù)對(duì)接地變?nèi)萘窟M(jìn)行進(jìn)一步復(fù)核。

過(guò)流保護(hù)按躲過(guò)接地變壓器額定電流整定[15]。

Idz=KkIe

(4)

式中:Ie為接地變壓器額定電流；Kk為可靠系數(shù)，Kk≥1.3，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值取1.5。

保護(hù)裝置整定值下限為0.05 In(In為二次側(cè)電壓，取1 A)，即0.05 A。故Idz=1.5Ie>0.05IN(IN為流過(guò)保護(hù)安裝處的一次側(cè)額定電流)。經(jīng)計(jì)算，接地變壓器額定電流應(yīng)大于流過(guò)保護(hù)安裝處的一次側(cè)額定電流的1/30。

為保證保護(hù)動(dòng)作的可靠性和安全性，需對(duì)電流互感器參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)。電流互感器參數(shù)選擇受制造工藝與安裝制約，主要體現(xiàn)在繞組內(nèi)阻Rct、額定二次負(fù)荷Rbn和準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf三者的合理選擇上。

綜上，需通過(guò)接地變壓器額定電流最小值對(duì)接地變壓器額定容量進(jìn)行復(fù)核，若不滿(mǎn)足要求，則需適當(dāng)增大接地變壓器容量直至滿(mǎn)足要求為止。

計(jì)算流程如圖6所示。

圖6 接地變壓器容量計(jì)算流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要通過(guò)相量圖分析，從單相接地電容電流產(chǎn)生的源頭及低電阻接地系統(tǒng)單相接地故障保護(hù)的要求入手，重點(diǎn)對(duì)接地變壓器容量設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行梳理和總結(jié)，提出接地變?nèi)萘窟x擇需重點(diǎn)考慮和注意的問(wèn)題：

(1) 對(duì)單相接地故障時(shí)的電容電流回路進(jìn)行分析，通過(guò)相量分析建立正確的理論模型；

(2) 站內(nèi)除線(xiàn)路外的其它電力設(shè)備提供的電容電流是系統(tǒng)電容電流的組成部分，不應(yīng)被忽略；

(3) 電阻額定電流的確定主要是考慮系統(tǒng)過(guò)電壓的水平，而不是電容電流的通流容量；

(4) 應(yīng)考慮接地變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)，充分利用變壓器設(shè)備的短時(shí)過(guò)載能力，從而降低設(shè)備采購(gòu)成本；

(5) 接地變壓器容量除滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行功能及單相接地保護(hù)要求外，還需關(guān)注與電流互感器過(guò)流保護(hù)繞組參數(shù)的配合，從而實(shí)現(xiàn)本體保護(hù)的安全可靠性。