風電場集電系統接地保護及零序保護整定計算

張 穎

（智方設計股份有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

風電場集電系統接地是在風電場的主變壓器低壓側或者匯集線路上，通過接地變壓器或者小電阻，人為制造一個中性點，以提供零序電流和零序電壓，保證在系統發生接地故障時保護裝置能夠動作[1,2]。風電場集電系統接地的方式有多種，如消弧線圈接地、小電阻接地、中性點不接地等，具體選擇應根據風電場的實際情況和技術要求確定[3,4]。

風電場實際發生的單相接地故障大多數為永久性接地，對人身、環境、設備安全影響較大。經電阻接地方式具有選擇性，能夠快速切除接地故障，是目前風電場集電系統和電網配電系統接地方式的主要發展方向[5]。以湖北省某風電場為例，該風電場于2021年3月完成集電系統接地方式改造。設備改造后，風電場需要修改集電線路母線上各支路的零序Ⅰ段、零序Ⅱ段、接地變的過流Ⅰ段以及過流Ⅱ段的保護定值。基于該背景，文章重點介紹改造后的集電線路和接地變壓器（以下簡稱接地變）的零序電流保護定值的整定計算。

1 中性點接地設備（接地變和接地電阻）的選擇原則

中性點接地設備（接地變和接地電阻）的選擇原則包括以下2 個方面。

一方面，提供足夠的零序電流，保證繼電保護的選擇性。當線路發生單相接地時，故障線路上的零序電流為系統電容電流與中性點設備電流之和，非故障線路零序電流僅為本線路的電容電流。只有保證故障線路的零序電流顯著大于非故障線路，繼電保護才能有選擇性地切除故障線路。因此，中性點設備需要提供充足的零序電流。

另一方面，提供一定的阻性電流，抑制弧光接地過電壓。在中性點接入接地電阻的條件下，當線路發生單相接地故障時，中性點電阻將向故障點輸出一定阻性電流，抑制電弧的間歇性燃熄，防止在零序保護動作之前出現弧光接地過電壓。

在滿足以上2 個條件的前提下，應選擇盡量大的中性點接地電阻，使故障電流盡可能小，降低故障電流對設備造成的影響，減小中性點接地變容量。

2 單相接地故障電流

2.1 單相接地故障電流計算

為滿足繼電保護的選擇性，單相故障電流ID應滿足

式中：ID為單相接地故障電流；Icmax為各線路中最大的電容電流值；Kre為可靠系數。單相接地故障電流應為零序Ⅰ段的2 倍，保證零序過流Ⅰ段對單相接地故障有較高的靈敏度。零序Ⅰ段定值應大于線路電容電流的2 倍，保證零序Ⅰ段安全躲過線路電容電流，因此取Kre=4。

為抑制弧光接地過電壓，單相故障電流至少為1.5倍系統總電容電流，即

式中：Ic∑為系統總電容電流。

單相接地故障電流應以式（1）和式（2）的最大值為最低限度，即

2.2 確定接地電阻阻值

根據單相故障電流ID確定通過中性點的電流Ir。單相故障電流ID由系統總電容電流Ic∑與中性點電流Ir組成。單相故障電流的組成如圖1 所示。其中，Ir為純阻性電流，Ic∑為純容性電流，兩者相位差為90°。

圖1 單相故障電流的組成

Ir的計算公式為

根據Ir確定中性點電阻值R。當單相故障時，中性點電壓升至相電壓，中性點電流Ir為相電壓UN與中性點電阻R的比值，因此R的值為相電壓與Ir之比，即

根據中性點電阻值R確定接地變容量。接地變應滿足電網正常運行的條件，并能夠與空載相容。接地變接通電流時間較短時，短時間內會通過故障電流，在接地變起作用前，故障線路采用無序保護。因此，在運行中，接地變表現為長期空載或短時間過載。根據《IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems，Part Ⅲ-Generator Auxiliary Systems》（IEEE-C62.92.3—2012）標準的過載系數規定，將變壓器的短時容量換算為持續容量。干式變壓器允許過負荷能力如表1 所示，油浸式變壓器允許過負荷能力如表2 所示。

表1 干式變壓器允許過負荷能力

表2 油浸式變壓器允許過負荷能力

零序保護的動作時間不允許超過10 s，因此按照工作10 s 過負荷時間計算接地變容量SN，即

接地變壓的零序阻抗XT0原則上不應大于中性點電阻R，即要求中性點零序感抗小于零序電阻的1/3，接地變產生的感性電流可以忽略，中性點電流可視為純阻性。如果接地變零序阻抗過大，則其產生的感性電流會補償電容電流，導致單相故障電流低于ID，零序保護無法正確動作。

如果無法滿足XT0≤R這一條件，則應重新核算單相故障電流ID的值。若ID值低于式（1）的選擇值，則應進一步降低中性點電阻R或采用具有平衡繞組的接地變壓器，直至ID達到式（1）的選擇值。

3 線路和接地變零序保護的整定

集電線路是指連接發電機和變電站的輸電線路。它的保護裝置應能快速和準確地切除故障，保證發電機的安全運行。集電線路的保護裝置通常包括相間短路保護和接地短路保護，其中接地短路保護主要利用零序電流實現。

零序電流是指三相電流中相同方向和相同大小的分量，反映了電力系統的不對稱程度。正常運行狀態下，三相電流是對稱的，沒有零序分量。當發生接地故障時，三相電流會產生較大的零序電流，可以用零序電流檢測和判斷接地故障的位置和性質。

零序電流保護的整定基本原則如下。

（1）零序電流速斷保護（零序Ⅰ段）。要求不帶延時，保護本線路的一部分。動作電流應躲過本線路末端或下一條線路出口處單相或兩相接地故障時流過保護裝置的最大零序電流。對于不加方向的零序電流Ⅰ段，還需要躲過母線接地短路時流過保護裝置的最大零序電流。

（2）零序電流Ⅱ段保護。帶較短時限的延時，盡可能切除本線路范圍內的故障。它的動作時間應與下一級線路的零序Ⅰ段或Ⅱ段保護相配合。

（3）零序電流Ⅲ段保護（零序過電流保護）。帶較長延時，可靠保護本線路的全長。在本線路末端金屬性接地短路時有一定的靈敏系數，動作時間應按照階梯型配合的原則來確定。

（4）零序電流Ⅳ段保護。作為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的后備，定值不大于300 A，用于保護本線路的高阻接地短路。

零序電流方向保護在零序電流元件和零序方向元件的串聯作用下實現，可以通過比較零序電壓和零序電流的相位來判斷故障方向。規定正方向為零序電壓從線路向大地，反方向為零序電流從母線向線路。當正方向故障時，I0在相位上超前U0有100°；當反方向故障時，U0超前I0有100°。

4 單相接地故障零序電流計算

風電場35 kV 集電系統任一點單相接地故障時，單相接地故障電流會流過接地變和中性點接地電阻，因此選擇接地變零序保護作為集電系統單相接地故障的總后備保護。系統發生單相接地時的系統零序電路圖，如圖2 所示。單相接地電流包括系統電容電流Ic和中性點電流Irx（未考慮線路阻抗）。

圖2 單相接地時的零序電路

湖北省某風電場集電系統正序阻抗和電容電流均較小，忽略回路阻抗和電容電流影響，則集電系統任一點發生金屬性單相接地故障時，流過故障點和中性點接地電阻的故障零序電流為

式中：U為集電系統額定線電壓，取值為35 kV；R0為中性點接地電阻柜電阻值；r0為接地變零序電阻值。

風電場選用R0=202 Ω，r0=93.10 Ω/相，由此得

代入數據，得3I0≈86.7 A，即35 kV 母線各連接元件出現單相接地故障時故障電流相同，為86.7 A。

5 零序保護整定計算

集電線路零序段設定原則如下：本線路末端單相接地故障準確判斷的靈敏系數不低于 2；調試時間應滿足風電場運營電壓適應的要求。

根據集電線路零序Ⅱ段整定原則，為躲過線路電容電流整定值，其整定時間比零序電流Ⅰ段多一個級差。以風電場35 kV 集電線路3504 線為例，單相接地時，故障電流計算公式為

根據式（8）的計算結果，ID3504≈86.7 A。

零序Ⅰ段對本線路末端單相接地故障有足夠的靈敏性，靈敏系數不小于2，即

式中：Ksen為靈敏系數，取值為2。

代入相關數據，得3I0,op=43.35 A。零序電流互感器（Current Transformer，CT）的變比為150/5，則對應的二次值為，取1.4 A。3504 線開關的動作時間取為0.1 s，以躲過斷路器三相合閘的不同期性。

零序電流Ⅱ段保護定值按照可靠躲開本線路電容電流整定，取可靠系數Kre=2。3504 線零序電流Ⅱ段定值為

代入數據，得IDZ.Ⅱ=7.76 A，對應得到二次值為，取為0.3 A，3504 線開關動作時間取為0.4 s。

接地變保護是集電系統接地故障的后備保護。按照單相接地故障靈敏度整定接地變零序Ⅰ段保護定值，靈敏系數不小于2，并與匯集母線各連接元件零序電流Ⅱ段配合，動作時間大于母線各連接元件零序電流Ⅱ段的最長動作時間。零序電流Ⅱ段按可躲過線路電容電流整定，動作時間應大于接地變零序電流Ⅰ段的動作時間。以風電場35 kV 的#1 接地變為例，零序電流Ⅰ段單相接地時，故障電流計算公式為

代入數據，得ID#1=86.7 A。

需要保證零序Ⅰ段的高壓側單相接地故障有足夠的靈敏性，靈敏系數不小于2，得

代入數據，得Iod1=43.35 A。零序CT 變比為150/5，則對應的二次值為，取1.4 A。#1 接地變35 kV 開關和#1 主變35 kV 的動作時間與母線各連接元件零序電流Ⅱ段配合，取為0.7 s。

零序Ⅱ段躲過線路電容電流整定得

式中：Ic.3504=3.88 A；Ic.3506=3.70 A；Ic.3508=2.30 A。代入相關數據，得Iozd2＞19.76 A。對應得到二次值為，取0.7 A，#1 接地變35 開關和#1主變低壓側開關動作時間長于零序電流Ⅰ段動作時間，取為1 s。

6 結 論

改造后的風電場具備了快速切除接地故障的能力，同時能夠滿足《國家電網公司關于印發風電并網運行反事故措施要點的通知》（國家電網調〔2011〕974 號）對電阻接地的要求，即發生接地故障時，通過相應保護快速切除故障。根據計算結果，在不考慮線路阻抗和電容電流的影響情況下，集電系統任一點發生金屬性單相接地故障時，故障電流均相同，所有電流均流過接地變和中性點接地電阻。接地變的零序保護是系統接地故障的總后備保護，應注意與母線各連接支路的零序保護相配合。