光伏電站中壓小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障分析

江蘇藍天光伏科技有限公司 ■ 劉隨生

0 引言

光伏電站中壓小電阻接地系統(tǒng)不同位置發(fā)生單相接地故障時，接地系統(tǒng)的各處電流大小及相位情況復(fù)雜，此種現(xiàn)象會影響保護裝置的正確選用及其良好表現(xiàn)。目前關(guān)于中壓小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的文獻較少，并且相關(guān)知識存在不夠全面、系統(tǒng)和深入的情況。因此，本文以某光伏電站為例，對中壓小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障情況進行了分析。

1 某光伏電站35kV接地系統(tǒng)的情況

某光伏電站35 kV接地系統(tǒng)采用小電阻接地的方式，具體的接地系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 某光伏電站35 kV接地系統(tǒng)圖

由圖1可知，該接地系統(tǒng)中的接地變壓器中性點連接接了1個阻值為50.5 Ω的接地小電阻，額定電流為400 A，允許過流時間為10 s；1#、2#、3#、6#光伏進線柜和接地變壓器的電流互感器變比均為300/5 A，4#、5#光伏進線柜的電流互感器變比均為500/5 A；主變壓器低壓側(cè)電流互感器變比為2×600/5 A，錄波回路用電流互感器二次繞組使用的是1200/5 A抽頭；主變壓器高壓側(cè)電流互感器變比為200～600/5 A，錄波回路用電流互感器二次繞組使用的是400/5 A抽頭。

接地系統(tǒng)發(fā)生金屬性單相接地時，根據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)理論，該故障點短路電流與流過接地變壓器中性點電阻的短路電流一致[1]，即：

式中，Id為單相接地短路電流，A；UN為系統(tǒng)線電壓，kV，此處取35 kV；R為接地變壓器中性點電阻值，Ω，此處取50.5 Ω。

代入相關(guān)數(shù)值后可知，Id=400 A。

由于接地變壓器的特殊結(jié)構(gòu)，其零序阻抗很小，在式(1)中予以忽略。

2 35kV接地系統(tǒng)單相接地故障的表現(xiàn)

2019年3月某日夜間，該接地系統(tǒng)的2#光伏進線柜發(fā)生B相非金屬性接地故障，發(fā)生故障時的錄波圖如圖2所示。

圖2 2#光伏進線柜發(fā)生故障時的錄波圖

由圖2可知，發(fā)生故障后，故障回路B相二次電流idB與接地變壓器回路饋線開關(guān)柜電流互感器處三相零序電流之和3I0基本相同，二者取平均值后idB=5.46 A，折算成一次電流后約為327.6 A，與理論值400 A接近?？紤]到故障為非金屬性接地，所以此值較為合理。由于光伏電站夜間不發(fā)電，所以故障前2#光伏進線柜相當于空載饋出線路。因此，故障前、后非故障相A相和C相的二次電流idA、idC約為零。

圖3為故障段母線1#接地變壓器回路的故障錄波圖。

圖3 1#接地變壓器回路的故障錄波圖

由圖3可知，故障后，該段母線接地變壓器回路的三相電流基本相等，即接地變壓器三相的二次電流ijA、ijB、ijC近似為ijA=ijB=ijC，取平均值后約為1.85 A，折算成一次電流后約為111 A；該值約為故障回路故障相電流327.6 A的1/3。而3I0與故障回路故障相電流基本相等。

由圖2、圖3還可看出，故障回路故障相電流除了與接地變壓器回路三相電流同相位，還與3I0及流過接地小電阻的電流iz同相位，且iz=3I0。

圖4為故障后1#主變壓器的高壓、低壓側(cè)電流錄波圖。

由圖4可知，故障后，1#主變壓器低壓側(cè)B相二次電流iB為0.884 A，折算成一次電流約為212 A，該值約為故障回路單相接地電流的2/3，且與故障回路故障相電流同相位；1#主變壓器低壓側(cè)A相、C相二次電流iA、iC均約為故障回路單相接地電流的1/3，且均與故障回路故障相電流相位相差180°。

由圖4還可看出，故障后，1#主變壓器高壓側(cè)A相二次電流近似為零，B相、C相二次電流IB、IC分別為0.485 A、0.463 A，折算成一次電流分別為38.8 A和37 A，再折算至35 kV側(cè)分別為122 A和116 A，基本相當于1#主變壓器低壓側(cè)A相、C相電流。其中，1#主變壓器高壓側(cè)C相電流與低壓側(cè)B相電流同相位，高壓側(cè)B相電流與低壓側(cè)A相電流同相位。

此外，從圖4中還可以看出，故障后，1#主變壓器的高壓、低壓側(cè)三相零序電流之和3I0均近似為零，即使主變壓器高壓側(cè)中性點隔離開關(guān)合上、主變壓器高壓側(cè)中性點直接接地運行也是如此。

圖5為夜間時2#光伏進線柜B相接地故障后電流流向規(guī)律示意圖。

圖4 故障后1#主變壓器的高壓、低壓側(cè)電流錄波圖

圖5 夜間2#光伏進線柜B相接地故障后電流流向示意圖

圖5中，iAc、iCc分別為光伏進線柜B相接地故障后正常相A相、C相的對地電容電流，∑ic為電容電流之和，3U0為三相零序電壓之和。

由圖5可以看出，電流的分布和流向符合故障錄波圖所反映的情況。

3 35kV接地系統(tǒng)單相接地故障理論計算與對比分析

3.1 2#光伏進線柜單相接地故障時的分析

由于金屬性與非金屬性單相接地故障的電流流向是一致的，因此假設(shè)圖5為單相金屬性接地故障，下文對其電流情況進行理論計算，并且計算結(jié)果也基本適用于非金屬性接地故障。圖5情況下的電壓、電流相位圖如圖6所示。

圖6 夜間時2#光伏進線柜B相接地故障時的電壓、電流相位圖

圖6中，UA、UB、UC分別為故障前接地系統(tǒng)A相、B相、C相各相的電壓；UdA、UdB、UdC分別為故障后A相、B相、C相各相的對地電壓，故障后UdB=0。

綜合圖5、圖6可以得出：

由于接地系統(tǒng)對地電容電流很小可以忽略不計，因此式(2)可表示為idB=iz。

故障回路中，3I0=idB=Id=iz=400 A，iA=iC=0。

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

主變壓器回路中，iA=ijA=133 A，iC=ijC=133 A，因此iA、iC同相位。

由圖6可知，iB、iA、iC的向量和為零，即主變壓器的低壓側(cè)三相零序電流之和3I0=0。因此，iB與iA、iC相位相差180°。則iB=iA+iC=266 A。

由圖6可以看出，iB+ijB=idB。

由于iB=iA+iC，主變壓器低壓繞組A相電流為零，B相流過電流iA，C相流過電流iC，通過電磁感應(yīng)，主變壓器高壓繞組A相電流為零，B相感應(yīng)電流iA后產(chǎn)生電流相感應(yīng)電流iC后產(chǎn)生電流

主變壓器高壓側(cè)電流IB與低壓側(cè)電流iA同相位，高壓側(cè)電流IC與低壓側(cè)電流iC同相位，因此，主變壓器高壓側(cè)電流IB與IC大小相等、相位相差180°。故高壓側(cè)零序電流之和3I0=0。

3.2 接地變壓器回路單相接地故障時的分析

當B相接地故障發(fā)生在接地變壓器回路時，其電流流向示意圖如圖7所示。

圖7 接地變壓器回路中B相接地故障時電流流向示意圖

圖5或圖7故障情況下，母線電壓的表現(xiàn)是相同的。從圖6中可以看出，35 kV母線B相對地電壓為0 V，A相、C相電壓比正常運行時升高A相對地電壓UdA的相位比C相對地電壓UdC的相位小60°。圖8為35 kV故障母線的電壓錄波圖，該圖很好地證明了上述說法。需說明的是，錄波圖中B相對地電壓過小，可忽略不計。

圖8 35 kV故障母線的電壓錄波圖

由于3U0取自母線電壓互感器開口三角二次繞組，因此其二次電壓可表示為：

式中，U′n為母線電壓互感器開口三角二次繞組每相額定電壓，V，取φac為UdA的相位與UdC的相位的夾角，取60°。

將相關(guān)數(shù)值代入式(3)后可得，3U0=100 V。

由此可知，3U0理論值與圖8中的數(shù)值基本相符。

3.3 4#光伏進線柜單相故障時的分析

當白天太陽輻照良好的情況下，光伏進線相當于小電源并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線。2019年3月某日中午，該光伏電站4#光伏進線柜發(fā)生A相接地故障時的故障回路錄波圖如圖9所示。

由圖9可以看出，故障回路開關(guān)柜處正常相的電流大小及相位基本沒有變化，而故障相的電流大小及相位均發(fā)生了變化。故障回路中的零序電流3I0折算為一次電流后約為301 A。

故障母線2#接地變壓器回路錄波圖如圖10所示。

由圖10可以看出，故障后接地變壓器回路電流與圖3情況相同。

此次故障后，午間時4#光伏進線柜A相接地故障時的電流流向示意圖如圖11所示。

圖9 4#光伏進線柜發(fā)生A相接地故障時的錄波圖

圖10 2#接地變壓器回路錄波圖

圖11 午間時4#光伏進線柜A相接地故障時電流流向示意圖

故障后，電流、電壓相位情況如圖12所示。圖中，φf為光伏電站發(fā)電時功率因數(shù)角。A相接地故障后，idB、idC仍與故障前基本相同；而由圖12可知，由于idA、idB、idC向量和必為零，故idA也沒有變化[2]。故障回路開關(guān)柜處的故障相電流i′dA應(yīng)為idA與iz的向量和，其中，中性點小電阻上的零序電壓之和3U0與流過的電流iz同相位，結(jié)果如圖12所示。因此可以得出，i′dA大小及相位與故障前負荷電流的大小及功率因數(shù)有關(guān)，而故障點的接地故障電流仍與中性點小電阻流過的電流相等，即理論值為400 A。

圖12 午間4#光伏進線柜A相接地故障時電壓、電流相位圖

當然，實際單相接地故障絕大多數(shù)為非金屬性接地故障，系統(tǒng)各處故障電流均比前述理論值偏小，正如前面錄波圖折算的電流值所反映的一樣。

4 35kV單相接地故障時保護的正確選用

當出現(xiàn)圖5或圖11的故障時，故障回路和接地變壓器回路饋線開關(guān)柜電流互感器處零序電流3I0大小相等，理論值均為400 A，零序功率方向相反。接地變壓器回路若裝設(shè)不帶方向的零序電流繼電保護，電流取自開關(guān)柜處，可能造成其保護誤動斷路器先跳閘；然后因系統(tǒng)變成不接地系統(tǒng)，造成故障回路零序電流保護消失，本應(yīng)該動作卻拒動。

當出現(xiàn)圖7中的情況時，接地變壓器回路開關(guān)柜處三相零序電流3I0=i′jB-ijA-ijC=0，若電流是來自該處，那么零序電流保護不起作用，應(yīng)依靠相電流保護。

因此，接地變壓器回路若要零序電流保護正確發(fā)揮作用，零序電流需取自接地變壓器高壓繞組中性點，即中性點小電阻處，且動作時限應(yīng)與其他間隔零序電流保護相配合，即延長一個時限。

5 結(jié)論

本文通過對某光伏電站35 kV小電阻接地系統(tǒng)不同位置發(fā)生單相接地故障時系統(tǒng)各處的電流及相位情況進行分析，得出以下結(jié)論：

1)當一般饋線發(fā)生單相接地故障時，故障回路故障相電流等于零序電流3I0；金屬性接地故障時，故障相電流近似等于中性點接地小電阻額定電流；接地變壓器回路開關(guān)柜處三相電流相位相同，數(shù)值等于故障回路故障相電流的1/3；接地變壓器回路開關(guān)柜處零序電流等于故障回路零序電流3I0，但與故障回路開關(guān)柜處零序電流方向相反。

2)當接地變壓器回路發(fā)生單相接地故障時，其開關(guān)柜處故障相電流等于零序電流3I0的2/3，其他兩相電流等于零序電流3I0的1/3，兩正常相電流相位相同，并與故障相電流相位相反，該處零序電流為零。

3)當接地變壓器高壓開關(guān)柜處零序電流保護起不到該回路接地故障保護作用時，需使該回路零序電流取自接地變壓器高壓繞組中性點，且動作時限應(yīng)與其他間隔零序電流保護相配合，即延長一個時限。

4)光伏發(fā)電時，其進線發(fā)生單相接地故障時，其正常相電流基本不變，開關(guān)柜處反映的故障相電流大小及相位與故障前負荷電流的大小及功率因數(shù)有關(guān)，開關(guān)柜處反映的零序電流與一般饋線故障時相同。