新能源電廠接入對電網繼電保護的影響

張秋怡 ，李夢娜 ，胡 珩

（1.國網湖北送變電工程有限公司，湖北 武漢 432000;2.國網孝感供電公司大悟縣供電公司，湖北 孝感 432100）

1 新能源電網現狀

隨著新能源的快速發展，風電、光伏等新型能源作為電源網絡的重要組成部分，獲得了大力開發和廣泛應用。同時，由于新能源的大規模接入，給傳統電網帶來了一系列的技術問題。大規模風電接入的繼電保護問題屬于智能電網的兼容性范疇[1]。對接入點而言，規模化的風電場對系統運行的影響，已不能象早期小型風電接入一樣被完全忽略掉，這已不僅僅是風電調度的問題，繼電保護所面臨的故障特征同樣也發生了顯著的變化[2]。

110 kV 及以下電網主要采用的是輻射式網絡，新能源電廠接入后，供電方式由輻射網變成多端有源網，導致電網運行方式發生改變，從而對電網系統的電壓、電流、潮流走向等產生影響。在繼電保護配置上，傳統的保護配置已不能滿足新能源電網的需求。傳統繼電保護主要針對輻射網，保護方向從電源側指向負荷側，新能源接入后，聯絡線保護方向由單側指向變為雙向指向，由于電源點的增加，系統總阻抗也發生變化，零序保護靈敏度發生變化。系統發生接地故障時，零序電流由單回路方式變為多回路方式，導致新能源線路發生誤動。

2 110 kV 保護主要配置

110 kV 電網線路主要配置差動保護、距離保護、零序保護。差動保護主要保護本線路，出現故障時快速動作。三段式距離保護主要保護本線路，并作為下一級線路的后備。三段式零序保護主要針對接地故障，有較高的靈敏度，作為本線路主保護及下級線路的后備保護。線路上下級定值與時間依次配合。新能源電廠接入電網，電網潮流隨發電廠出力變化而發生改變。由于110 kV 及以下網絡屬于輻射式網絡，保護配置遵循上下級配合原則，新能源電廠接入后，大部分升壓變壓器采用中性點接地方式，導致主系統電網零序網絡結構發生變化。單電源輻射式網絡變為雙端或多端有源網絡，導致故障發生時原有電網電流保護出現保護范圍過大、誤動、靈敏度降低等問題[4]。當聯絡變電站處于主系統與新能源電廠之間時，須線路保護同時與主網系統和新能源電廠出線配合，導致系統與電廠間繼電保護配合矛盾，發生故障時使繼電保護無選擇性跳閘，從而導擴大停電范圍。

3 110 kV 線路主保護計算原則

3.1 距離保護整定原則

距離Ⅰ段：可靠躲過本線路末端故障整定。

距離Ⅱ段：保本線路末端金屬性接地故障有規定的靈敏系數整定，與相鄰線路接地距離I 段配合整定。若無法滿足配合要求，按與相鄰線路接地距離Ⅱ段配合整定。

距離Ⅲ段：按與相鄰下級線路接地距離Ⅱ段或接地距離 Ⅲ 段配合整定。

3.2 零序保護整定原則

零序I 段：躲本線末端接地故障最大零序電流整定。

零序Ⅱ段：優先與相鄰下級線路零序 Ⅱ 段保護配合整定，在條件允許的情況下，可按與相鄰下級線路零序I 段保護配合整定。

零序Ⅲ段：與相鄰下級線路零序 Ⅱ 段或零序Ⅲ 段保護配合整定，保證高阻接地故障時能可靠切除，一次值一般不大于 300 A。

4 典型繼電保護動作實例分析

4.1 繼電保護動作情況

某220 kV 變電站110 kV 側出現多條線路同時發生跳閘，接線圖如圖1 所示。

圖1 某220 kV 變電站110 kV 側主接線

11:26，西平站上西線平115 開關零序Ⅲ段動作跳閘；

11:26，西平站風電場平117 開關零序Ⅳ段動作跳閘；

11:26，上11 開關距離Ⅱ段，零序Ⅱ段動作跳閘，重合成功。

搶修人員第一時間到達現場檢查設備情況，檢查發現，城04 出口附近出現放電痕跡。

4.2 故障點電網序網結構分析

目前我國110 kV 電網系統線路保護配置主要有差動保護、距離保護和零序保護。其中差動和距離保護不受系統阻抗變化影響，受系統阻抗影響的只有零序保護。因此本次故障主要是零序保護發生動作，下面從電流走向來重點分析本次動作過程。

當有新能源電廠接入系統時，發生短路時短路電流有一部分由新能源電廠提供，阻抗圖如圖2所示。

圖2 系統正序阻抗圖

由于零序阻抗與變壓器中性點是否接地密切相關，風電場1 和風電場2 以及系統主變接地，因此零序阻抗圖如圖3 所示。

圖3 系統零序阻抗圖

故障點零序電流大小與系統至故障點的正序阻抗和零序阻抗有關，但是零序電流走向與系統接地點有關。

電流走向圖如圖4 所示，零序電流主要通過故障點經過大地流向主變中性點。

圖4 零序電流走向圖

本次故障中，風電場1、風電場2 以及主系統三條零序回路給故障點提供零序電流。上11 零序二段動作，屬于正確動作，確保本線路有故障時可靠切除。平115 零序三段保護動作，平117 零序四段保護動作屬于誤動作。因故障發生區外造成本線路調閘，導致出現損失負荷的情況。風電廠1 由于零序電流未達到定值，故未動作。

4.3 線路整定計算及配合

根據《湖北電網繼電保護整定計算細則》，110 kV 電網線路主要配置差動保護、距離保護、零序保護。差動保護主要保護本線路，出現故障時快速動作。三段式距離保護主要保護本線路，并作為下一級線路的后備。三段式零序保護主要針對接地故障，有較高的靈敏度，作為本線路主保護及下級線路的后備保護。線路上下級定值與時間依次配合。由于本次誤動主要是零序電流引起，因此著重討論零序電流整定及配合。

按躲本線末端接地故障最大零序電流整定，對于線變組接線，可按躲過變壓器中（低）壓側相間故障的最大不平衡電流整定，動作時間一般取0 s。

優先與相鄰下級線路零序 Ⅱ 段保護配合整定，在條件允許的情況下，可按與相鄰下級線路零序 I段保護配合整定。

按保本線路末端接地故障有不小于規定的靈敏系數整定，并力保相鄰線路末端接地故障有不小于規定的遠后備靈敏系數。

應可靠躲過所供變壓器其他各側三相短路最大不平衡電流。

應保證高阻接地故障時能可靠切除，一次值一般不大于 300 A。如無法滿足，應設置零序 Ⅳ 段。

各線路保護一次值如圖5 所示。

圖5 110 kV 線路定值配合圖

本系統線路計算過程中，由于上廟為主系統，上11 主送城04，故計算過程中未考慮與區外線路上平（上17—平115）線配合。上平線與主系統聯絡線，主要潮流為上17 送至平115，不考慮平115送至上17 母線后與出線配合情況，具體定值如圖5所示。

由于平117 零序四段時間0.6 s，平115 三段時間0.6 s，上11 零序二段時間0.6 s，當城04 附件發生接地故障時，主系統與風電場提供零序電流，故引起上城線區外動作，擴大停電范圍。

4.4 措施及建議

電網接地方式一般有3 種，主要有中性點直接接地，中性點不接地和中性點經間隙接地。目前220 kV 主變一般采用中性點接地方式運行。110 kV變壓器采用經間隙接地或直接接地運行。對于有效直接接地系統而言，變壓器中性點對地偏移電壓通常被限制在一定范圍內。本地區目前已投運的110 kV風電廠，大部分采用中性點直接接地方式，導致本地區零序網絡過于復雜，出現變壓器檢修時，零序網絡變化較大[3]。

若本次故障，若風電廠1 和風電場2 升壓變壓器中性點選擇經間隙接地方式，零序電流只剩下主系統至故障點回路，則至故障點正序阻抗不變，零序阻抗將發生變化，零序回路圖如圖6 所示。

圖6 中性點不接地后零序電流回路

新能源電廠升壓變經間隙接地后，線路發生接地故障后，零序回路只有系統與故障點之間連通，新能源電廠不再提供零序電流，故不會引起故障線路區外跳閘情況。

綜上所述，為維護零序網絡穩定，建議新能源電廠升壓變中性點通過間隙接地，在單相接地過電壓條件下，中性點間隙經過延時后擊穿，從而實現保護變壓器保護的目的，同時避免因區外故障產生誤動作[5]。

5 結束語

隨著新能源電廠的快速發展，廠內的110 kV 變壓器中性點接地方式對電網零序網路的影響也越來越顯著。為維護電網穩定，確保零序保護正確可靠動作，建議采取以下措施。

新能源升壓變壓器中性點采用經間隙接地方式運行，以保持電網零序網絡穩定，避免因接地故障產生穿越性跳閘，造成停電范圍擴大。

新能源區域設備保護宜配置差動保護，確保設備發生故障時快速動作。

梳理全區110 kV 定值單，取消零序四段無方向保護，避免保護出現無選擇性跳閘。