接地變中性點經電阻接地在風電場中的應用

陳小劍

（福建省福能新能源有限責任公司，福建 莆田 351148）

1 風電場接地變繞組一般采用Z型的接線方式，提高了變壓器的可用容量

接地變多采用Z型接線的變壓器，結構分布與普通三相芯式電力變壓器基本相同，只是每相鐵芯外連接上、下匝數相等的兩段繞組，連接方式以曲折狀為主，即在連接時以兩個磁柱為基點，將每相線圈分別繞于磁柱。該連接方式可使零序磁通相互抵消，使Z型接地變壓器的實用性更強，且其Z型接地變壓器的零序阻抗小于10 Ω。依據該連接優勢，它的空載損耗也更低，遠猶豫普通變壓器，且容量利用率超過90%。Z型接線的變壓器還可裝有低壓繞組，接成星形中性點接地（yn）等方式，兼做廠用電變壓器使用。從整體應用優勢看，Z型接線可以成為接地變壓器的首選方式。

Z型接線的繞組變壓器如圖1所示。

圖1 Z型接線的繞組變壓器

2 接地變中性點接地電阻的選擇

在風電場6～35 kV中性點不接地系統中，中性點往往存在消弧線圈接地、經高電阻接地和經低電阻接地3種接地方式。國家電網調[2011]974號文件《關于印發風電場并網運行事故反措要點的通知》要求，對于“風電場集電線系統單相故障應快速切除，不應采用不接地或經消弧線圈接地方式”“經電阻接地的集電線路系統發生單相接地故障應通過相應保護快速切除”。

2.1 接地變經消弧線圈接地方式

（1）集電電線線路在對地電容電流的補償機制中，應當以消弧線圈的感性電流為主。若脫諧度小，容易造成諧振過電壓；脫諧度大，則可能引起間歇性弧光接地過電壓。

（2）風電場風機出線變頻器是一個諧波源，消弧線圈不能補償諧波，仍可能發生弧光接地過電壓。

（3）受風況影響，系統電容電流變化的頻率增加，在系統運行方式和電壓發生變化時，采取消弧線圈跟蹤補償的方式將更加困難。

電纜線路的系統在工作狀態下產生的電容電流較大，一旦電流突破閾值，可能產生弧光接地過電壓，給系統的設置造成較大危害。同時，中性點經消弧線圈接地的作用有限，僅能夠在一定概率上降低弧光接地過電壓，而非能夠完全消除，更無法降低弧光接地過電壓的幅值。在產生弧光接地過電壓時，它的倍數一般較高。當經過電纜線路或者緊湊型配電裝置時，極易突破其所能承受的極限，進而擊穿絕緣層而導致短路，從而損壞相關的配電裝置。因此，經消弧線圈接地的適用范圍應當以單相接地、瞬時性單相接地的架空線路電網為主，不適合于電纜線路。

2.2 接地變經高電阻接地方式

《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（GB/T50064—2014）第3.1.5條提到，在涉及到6 kV和10 kV配電系統時，為提升安全應用水平，當單相接地故障電容電流較小時，為避免電力設備受到損害以及避免諧振、電弧接地過電壓等問題，應選取中性點高電阻接地模式，且故障電流不應大于10 A。因此，根據中性點接地電阻的特點，它的電阻值設備范圍較廣，一般從數百到數千歐姆不等。在實際應用中可以適用于大部分情況，并對間歇性弧光接地過電壓有良好的抑制作用，較為適用于6 kV和10 kV配電系統。

2.3 接地變經低電阻接地方式

在電力行業規程中已經納入中性點經電阻接地方式，充分說明該接地方式的優越性。《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（GB/T50064—2014）標準第3.1.4條[1]對中性點經電阻接地方式進行了明確，即包括送配電系統、電廠用電系統及風力發電場集電線路等6～35 kV電纜線路中可采取中性點低電阻接地方式。例如，單相接地發生故障后，通過中性點電阻的電流在10～100 A時為小電阻接地方式。這種方式主要適用于以不易產生瞬時單相接地故障、電纜線路及35 kV及以下不接地系統的風電場。

因此，采用中性點經電阻接地的方式相當于給接地故障點注入阻性電流，使接地故障電流呈阻容性質，減小故障相的電流與電壓的相位差，從而降低故障點電流過零點熄滅后的重燃率，使故障時產生的過電壓小于相電壓的2.6倍，提高繼電保護靈敏度，降低設備絕緣要求，觸發保護作用于跳閘，有效保護母線連接的電力設備的安全運行。因此，大多數風電場10 kV或35 kV集電線系統均采用接地變經接地電阻方式運行。

3 風電場接地變保護的配置

風電場集電線由幾臺風電機組通過電纜線路聯接，以分組的形式接于變電站主變低壓側6～35 kV母線上。當母線或集電線路發生接地故障時，電纜線路將產生很大的電容電流，在絕緣薄弱處易造成擊穿形成對地短路，危及設備的安全運行。因此，風電場采用電阻接地方式，在發生接地故障時可以準確迅速判斷故障線路，并在短時間內進行切除，大幅度縮短設備耐受過電壓的時間。需要說明的是，接地變保護設置由接地變本體的相間短路保護和集電線路聯接的母線接地保護組成。

3.1 接地變本體設置保護

3.1.1 電流速斷保護

對于容量較小的接地變壓器，在它的電源側裝設電流速斷保護作為接地變本體及繞組引出線上相間短路保護；當接地變壓器本體發生故障、短路電流由母線流向故障點時，當短路電流大于其動作定值時，通過電流采樣和邏輯判斷保護出口，瞬時動作跳開接地變本體開關。

3.1.2 過電流保護

過電流保護具有一定的動作時限，作為主保護（電流速斷保護）的后備保護。

3.2 接地變作為集電線母線接地保護設置

依據《3～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》（DL/T584-2007）規定[2]：低電阻接地系統必須只能一個中性點接地運行；當失去接地變壓器中性點電阻時，供電變壓器的同級開關必須同時打開；當兩段母線共用一臺主變輸送有功功率時，只能一臺接地變運行。

零序電流Ⅰ段保護（考慮特殊運行方式）是集電線路聯接母線上發生接地故障的保護。當母線上發生接地故障時，在接地變中性點的電流互感器上感應到零序電流分量。當零序電流分量達到保護的動作定值時，通過電流采樣和邏輯判斷保護出口，延時繼電器常開觸點閉合，接通保護出口回路，低壓零流以第Ⅰ時限跳開母線母分開關。當母線母分開關跳開后，如故障仍存在（動作電流沒有衰減，零序電流繼電器的常開觸點仍在閉合位置），低壓零流Ⅱ時限的延時繼電器常開觸點閉合，接通保護出口回路跳開主變低壓側開關及接地變本體開關將故障點切除。

4 結 論

大多數風電場6～35 kV集電線系統母線采用經電阻接地方式運行，但投運以來由于保護定值不完善、廠家配備及保護不到位等原因，存在保護不正確動作、接地變燒毀等事故，對風電場及電網系統安全運行存在嚴重的安全隱患。因此，接地變在保護原則、保護匹配、設備容量以及接地電阻的選擇等方面，應在實際運行中不斷總結經驗教訓，不斷改進，同時加強接地變的外部監測手段的介入，如提高接地電流自動報警及溫度巡檢、故障錄波自動化水平等手段的水平，保證設備在不完全接地保護未能啟動情況下能及早發現隱患，從而第一時間消除隱患，保證設備安全穩定運行。