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風(fēng)電場接地方式與接地保護(hù)探討

文檔作者：吳小洪唐煥集郝曉宇張冬平		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2022年02月10日
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· 44· 水利水電工程設(shè)計DWRHE·2012年第31卷第3期
風(fēng)電場接地方式與接地保護(hù)探討
吳小洪唐煥集郝曉宇 張冬平
摘要風(fēng)電場占地面積廣、集電線路長、電容電流較大，其接地方式涉及到風(fēng)電場安全穩(wěn)定運(yùn)行，選擇一種安全可靠的
接地保護(hù)方式是非常重要的，系統(tǒng)地總結(jié)了幾種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并簡要地介紹了電阻接地設(shè)備的參數(shù)選擇，為類似
工程提供一個有益的借鑒。
關(guān)鍵詞 單相接地 故障接地電容 電流接地保護(hù)
中圖分類號TK83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼B 文章編號1007—6980(2012}03—0044—03
風(fēng)電場由于集電線路長并且分支多，發(fā)生單
相接地故障的頻次相對較多，容易造成 故障、
箱變避雷器燒壞、線路保護(hù)動作以致全場停機(jī)，
甚至造成升壓站系統(tǒng)側(cè)斷路器跳閘等事故。其原
因是場內(nèi)集電線路的導(dǎo)線在大風(fēng)時擺動或脫落，
發(fā)生對橫擔(dān)、拉線的接地，并發(fā)生間歇性放電。
目前風(fēng)電場10 kV和35 kV場內(nèi)集電線路采用中
性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，由于線路回路數(shù)較多，容性
電流較大，單相接地引起系統(tǒng)狀態(tài)瞬間改變，
導(dǎo)致了電網(wǎng)中電感電容回路的電磁振蕩(即諧振)，
造成弧光接地過電壓。為了消除上述影響，根
據(jù)接地容性電流大小不同． 目前風(fēng)電場通常采
用電阻接地、消弧線圈接地及消弧消諧裝置等
接地方式
1 中性點(diǎn)采用消弧線圈接地方式
在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，當(dāng)單相接地電容電
流超過一定數(shù)值時，會在接地點(diǎn)產(chǎn)生電弧，引起
間歇過電壓，采取中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的措施
來減小這一接地電流，熄滅電弧，避免過電壓的
產(chǎn)生。
1．1 消弧線圈的工作原理
中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖1
所示，系統(tǒng)正常運(yùn)行時．由于三相電壓、電流對
稱，中性點(diǎn)對地電位為零，線圈上電壓為零，線
圈中沒有電流流過。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，
流過接地點(diǎn)的電流是接地電容電流，c與流過線圈
的電感電流 之和。由于 超前Uc90。，而 滯
后 、90。，，。與厶相位相反，在接地點(diǎn)相互補(bǔ)償。
只要消弧線圈電感量選取合適。就會使接地電流
減小到小于發(fā)生電弧的最小生弧電流，電弧就不
會產(chǎn)生．也就不會產(chǎn)生問歇過電壓。
一賭 乙
(a)電路圖 (b1相量圖
圖1 一相接地時的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)圖
1．2 消弧線圈補(bǔ)償方式
根據(jù)消弧線圈中電感電流對接地電容電流的
補(bǔ)償程度不同，分為全補(bǔ)償、欠補(bǔ)償和過補(bǔ)償3
種補(bǔ)償方式。風(fēng)電場一般采用過補(bǔ)償方式。過補(bǔ)償
可以避免出現(xiàn)電壓串聯(lián)諧振過電壓．補(bǔ)償后殘余電流
一般不超過5～1O A。運(yùn)行實踐也證明，不同電壓等級
的電網(wǎng)，只要?dú)堄嚯娏鞑怀^允許值，接地電弧就會
自動熄滅，從而保證電氣設(shè)備不會受到損壞。
2 中性點(diǎn)采用消弧消諧裝置接地方式
2．1 消弧消諧裝置工作原理
消弧消諧裝置一次原理接線如圖2所示。消
弧消諧裝置通常采用微機(jī)控制方式，具有消弧功
能、P，r功能及內(nèi)部與外部各類過電壓保護(hù)、小電
流選線等功能。根據(jù)電壓互感器提供的信號，判定
故障類別(PT斷線、金屬接地、弧光接地)和相別。
當(dāng)發(fā)生弧光接地時，立即向故障相真空接觸器發(fā)
出動作命令．將弧光接地轉(zhuǎn)化為金屬性接地，使
故障點(diǎn)的電弧立即熄滅，消除了弧光接地過電壓。
2．2 消弧消諧裝置的缺陷
(1)故障相接地消弧方法在消弧時是一種病
態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，主要是消弧功能，其過電壓保護(hù)設(shè)備
采用避雷器。并且只能用于線路消弧。
(2)消弧消諧裝置不能用于電容電流大于
吳小洪等·風(fēng)電場接地方式與接地保護(hù)探討 ·45·
圖2 消弧消諧接地系統(tǒng)圖
30 A的系統(tǒng)。
(3)對于容量較小的所用變，由于線路較短，
一旦繞組發(fā)生單相接地，消弧消諧裝置動作短接
一部分電源，但速斷過流保護(hù)又不會動作，由此
將會造成很大的事故。如云南楊梅山風(fēng)電場2010
年3月11日出現(xiàn)單相接地，就造成1臺所用變、
2臺箱變及避雷器損壞。
(4)消弧消諧裝置退出消弧時可能引發(fā)PT鐵
磁諧振。
(5)消弧消諧裝置需要100 ms以上時間才能
實現(xiàn)消弧。
3 中性點(diǎn)采用電阻接地方式
3_1 電阻接地的工作原理
中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式，即是中性點(diǎn)與大地之
間接人一定電阻值的電阻。該電阻與系統(tǒng)對地電
容構(gòu)成并聯(lián)回路．由于電阻是耗能元件，也是電
容電荷釋放元件和諧振的阻壓元件，對防止諧振
過電壓和間歇性電弧接地過電壓，有一定優(yōu)越性。
中性點(diǎn)經(jīng)接地變壓器并在變壓器二次側(cè)接人
合適電阻的接地方式，就是中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地，
變壓器的作用二次側(cè)使低壓電阻起到高壓大電阻
的作用，如此可以簡化電阻器的結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品
成本，并且便于布置安裝。此種接地方式的優(yōu)點(diǎn)
是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，電阻產(chǎn)生功率損耗．
以降低故障電流。由于高電阻增大了回路的阻尼
率，對過電壓的幅值和陡度有明顯的阻尼作用．
從而保證電位偏移不會引起串聯(lián)諧振過電壓。
采用電阻接地方式．一旦發(fā)生單相接地故障，
產(chǎn)生一個三相不平衡電流，用零序電流互感器很
容易檢測到．因此可通過零序保護(hù)裝置可靠迅速
地檢測并切除故障．從而有效地保證了電網(wǎng)的安
全穩(wěn)定運(yùn)行。
3_2 電阻值的選擇
系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式中電阻值的選
取一般需考慮以下幾個方面：(1)限制系統(tǒng)過電壓
水平；(2)保證系統(tǒng)繼電保護(hù)動作的靈敏性；(3)降
低人身觸電危險；(4)降低對通信線路的干擾。
其中后兩個因素主要受故障電流影響，但可
通過現(xiàn)場采取一定的措施彌補(bǔ)，如設(shè)置均壓網(wǎng)、
使用帶屏蔽層通訊電纜等，所以在選取電阻值的
過程中不做主要考慮因素。
確定電阻值一般是先確定系統(tǒng)三相對地電容
電流，在滿足限制系統(tǒng)過電壓水平的前提下，確
定系統(tǒng)中性點(diǎn)注入的最小阻性電流，再結(jié)合現(xiàn)場
具體情況確保注入的阻性電流保證繼電保護(hù)動作
的靈敏性，兩種情況注入的阻性電流取較大值．
最后按照系統(tǒng)單相金屬性接地故障的情形計算相
應(yīng)的電阻值。
圖3給出了中性點(diǎn)電阻接地網(wǎng)絡(luò)中過電壓的
倍數(shù)( )與有功電流厶和電容電流，c的比值關(guān)系。由
圖可見，有功接地電流為0．8，c時，已經(jīng)能夠滿足
限制系統(tǒng)過電壓水平的要求，但此時注入阻性電
流不能保證系統(tǒng)動作的靈敏性。由于系統(tǒng)發(fā)生故
障時非故障相流過的電流為自身線路對地的容性
電流．故障相流過的電流為系統(tǒng)對地容性電流和
中性點(diǎn)阻性電流之和，但中性點(diǎn)阻性電流是按照
系統(tǒng)金屬性單相接地故障類型考慮，而實際系統(tǒng)
圖3 過電壓的倍數(shù)與有功電流厶和電容電流，c比值的關(guān)系
發(fā)生單相接地故障時電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計值，考慮
過渡電阻的影響和繼電保護(hù)動作的靈敏性，為保
· 46· 水利水電工程設(shè)計DWRHE．2012年第31卷第3期
證系統(tǒng)故障時繼電保護(hù)有足夠的靈敏性以便于故
障線路能夠迅速可靠的切除，當(dāng)過渡電阻較小時．
系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地系統(tǒng)中注入的阻性電流一
般選取(2～3)／c， 但當(dāng)過渡電阻較大時，為保證系
統(tǒng)動作靈敏性注入的阻性電流要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)
容性電流。
根據(jù)近年來產(chǎn)品的制造及運(yùn)行經(jīng)驗．對不同
35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)電阻值的選取推薦如表1、2
(表中值僅供參考，最終電阻值的選取以工程實際
情況確定為準(zhǔn))。
表1 系統(tǒng)為純電纜線路時
4 結(jié)論和建議
風(fēng)電場場內(nèi)集電線路均采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)
行方式．一旦產(chǎn)生弧光接地、過電壓以及大的接
地電流．對電氣設(shè)備的危害是十分嚴(yán)重的，因此
選擇一種安全可靠的接地保護(hù)方式是十分重要的。
消弧線圈接地方式的特點(diǎn)是當(dāng)發(fā)生單相接地
故障時，可以帶故障短時運(yùn)行一段時間，這對于
風(fēng)電場風(fēng)機(jī)的運(yùn)行十分有利，也是以往風(fēng)電場普
遍采用的一種接地方式，但對于電力系統(tǒng)而言，
則要求風(fēng)電場一旦發(fā)生接地故障?？焖偾谐收?，
從而最大限度保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。國家電
網(wǎng)調(diào)(201 1)974號文件關(guān)于“風(fēng)場并網(wǎng)運(yùn)行反事故
措施要點(diǎn)”要求，風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)應(yīng)采用經(jīng)電
阻或消弧線圈接地方式，不應(yīng)采用不接地或經(jīng)消
弧消諧柜接地方式。經(jīng)消弧線圈接地的匯集線系
統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，應(yīng)能可靠選線，快速切
除；經(jīng)電阻接地的匯集線系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障
時，應(yīng)能通過相應(yīng)保護(hù)快速切除，同時應(yīng)兼顧機(jī)
組運(yùn)行電壓適應(yīng)性要求
為滿足電網(wǎng)要求，目前風(fēng)電場若采用中性點(diǎn)
經(jīng)消弧線圈接地方式，則消弧線圈推薦采用偏磁
式可無級調(diào)節(jié)形式，并加裝小電流選線裝置。
偏磁式消弧線圈帶有自動跟蹤補(bǔ)償控制系統(tǒng)．
當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時．可自動跟蹤補(bǔ)償電
網(wǎng)中單相接地電容電流，對電網(wǎng)電容電流自動實
施最快速自動補(bǔ)償，使故障點(diǎn)電流小于允許值。
偏磁式消弧線圈控制器選用DSP芯片控制，測量
精度高，響應(yīng)速度快，利用施加直流勵磁電流，
改變鐵芯上的磁導(dǎo)，可以帶高壓狀態(tài)以毫秒級速
度調(diào)節(jié)電抗值，補(bǔ)償響應(yīng)時間不超過20 ms，可實
現(xiàn)無級、連續(xù)、靜態(tài)的調(diào)節(jié)。
雖然目前根據(jù)電網(wǎng)要求來看，對于風(fēng)電場匯
集線系統(tǒng)采用經(jīng)電阻或消弧線圈接地方式都是可
行的，但從技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性綜合性考慮，采用經(jīng)
電阻接地方式具有明顯的優(yōu)越性，未來的電網(wǎng)發(fā)
展趨勢是消弧線圈接地方式將逐漸被電阻接地方
式所取代。
由于風(fēng)電場運(yùn)行方式的多樣化及弧光接地點(diǎn)
的隨機(jī)性，消弧線圈要對電容電流進(jìn)行有效補(bǔ)償
確有難度，且消弧線圈僅僅補(bǔ)償了工頻電容電流。
而實際通過接地點(diǎn)的電流不僅有T頻電容電流。而
且包含大量的高頻電流及阻性電流，嚴(yán)重時僅高頻
電流及阻性電流就可以維持電弧的持續(xù)燃燒。另外
當(dāng)集電線路發(fā)生斷線、非全相、同桿線路的電容耦
合等非接地故障．使集電線路的不對稱電壓升高．
可能導(dǎo)致消弧線圈的自動調(diào)節(jié)控制器誤判集電線路
發(fā)生接地而動作，這時將會在集電線路中產(chǎn)生很高
的中性點(diǎn)位移電壓，造成系統(tǒng)中一相或兩相電壓升
高很多，以致?lián)p壞電網(wǎng)中的其它設(shè)備。而采用電阻
接地方式，一旦發(fā)生單相接地故障，其繼電保護(hù)裝
置能夠可靠迅速地檢測并瞬時切除故障，從而有效
地保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
作者簡介
吳小洪 男 高級工程師 中國福霖風(fēng)能公司北京 100034
唐煥集 男 助理工程師 中國福霖風(fēng)能公司北京 100034
郝曉宇 男 工程師 中國水電建設(shè)集團(tuán)新能源開發(fā)有限責(zé)
任公司 北京100044
張冬平 男 工程師 龍源電力集團(tuán)安生部 北京 100034
(收稿日期2012-05-23)

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