风电场接地变及其中性点接地电阻的改进方案分析

林峰，张兰英，吕庭钦，相里碧玉，江岳文

（ 1. 国网福州供电公司， 福建 福州 350009； 2. 国网南平供电公司， 福建 南平 353000；3. 福州大学 电气工程与自动化学院， 福建 闽侯 350108）

风电场内35 kV或10 kV侧集电线路大量地使用电缆，使得电容电流越来越大，一旦发生接地故障，产生的弧光过电压以及较大的接地电流对电气设备的危害十分严重[1-2]。 因此，风电场35 kV或10 kV侧大部分采用小电阻接地方式。 继电保护风电场接地变参数及接地电阻选取不合理，存在保护整定困难及接地变烧毁的风险。 本文通过某风电场实例，分析了其2台接地变参数及其接电电阻选取均不合理将造成集电线路继电保护无法同时满足选择性与灵敏性的要求，对设备和电网安全稳定运行造成威胁。 综合考虑经济性和可靠性，提出了将两期工程接地变对换及根据需要改造接地电阻达到继电保护整定要求。 改造后，风电场已安全稳定运行多年，证明方案可行。

1 风电场主要设备现状

1.1 风电场主接线示意图

某风电场的主接线型式如图1所示。风电场分二期建成，即1号主变、1号接地变、1号电容器组及A组、C组、E组为一期工程；2号主变、2号接地变、2号电容器组及B组、D组、F组为二期工程。 35 kV母联35 M开关正常运行均处于开断状态。 2台主变型号均为SZ11-50000/110， 连接组别均为YNd11，35 kV侧运行电压为37 kV。

图1 风电场主接线图Fig. 1 Main wiring diagram of the wind farm

1.2 风电场35 kV侧接地变及中性点电阻主要参数

接地变接线示意图如图2所示。

图2 Z型接地变接线示意图Fig. 2 Wiring diagram of the Z-type grounding transformer

接地变的零序阻抗值设计应远小于电阻值，但实际情况应具体分析。 此风电场35 kV侧接地变及中性点电阻主要参数如表1所示。

表1 接地变及中性点电阻主要参数Tab. 1 Main parameters of the grounding transformer and neutral point resistance

1.3 集电线路电容电流的计算

1.3.1 集电线路参数收集

集电线路接线示意图如图3所示。

根据集电线路示意图，收集统计每组集电线路长度及相应电缆的截面，用于电容电流计算。

1.3.2 电容电流的计算

现在有许多配网线路电容电流的估算公式，但各估算公式均有其运用的局限性[3-5]。 随着科技进步， 目前35 kV电力电缆的绝缘一般是用交联聚乙烯或聚氯乙烯材料，绝缘性能好，介电常数小，而且现在的电力电缆内部都有屏蔽层，至少有钢铠保护层，同时接有接地线，因此电缆敷设受土壤、环境等影响很小。 交联聚乙烯材料也不断升级，电力电缆生产厂家所提供的技术资料都有单位长度的电感、电容等技术参数（ 如表2所示），同时随着测量仪器、仪表精度的提高，也可用直接测量线路空载电流来计算，可不必再使用“ 经验公式”来计算电缆线路的电容电流。

图3 集电线路接线示意图Fig. 3 Wiring schematic of the power collecting line

表2 35 kV电缆电容参考值Tab. 2 Capacitor reference value of 35 kV cables

根据IC=ω×Ue×C×L×10－3可计算得出各组集电线的电容电容，如表3所示。

式中，Ic为接地电容电流，A； Ue为电网线电压，V；C为电容值，μF/km；L为导体长度，km。

表3 集电线路电容电流计算表Tab. 3 Capacitive current calculation table of the power collecting line

表3中总电容电流考虑在集电线路总电容电流的基础上增加13%。 各集电线路电容电流实测值与计算值接近，误差可忽略。

2 集电线路保护整定分析

2.1 零序网络分析

当某组集电线路发生单相金属性接地故障时，其接线示意图如图4所示， 简化零序网络接线图如图5所示，零序网络相量图如图6所示。 图6中，因正序和负序阻抗远小于零序阻抗， 忽略了正序和负序阻抗，IJD为流过故障集电线路保护装置的零序电流，IC.∑为非故障集电线路的综合电容电流，IN为故障时流过中性点接地电阻的额定电流，IR为中性点额定电流的电阻分量，IX0为中性点额定电流的电感分量。

图4 接线示意图Fig. 4 Wiring schematic diagram

图5 简化的零序网络图Fig. 5 Simplified zero sequence network diagram

图6 零序图络相量图Fig. 6 The phasor diagram of zero sequence network

2.2 故障时中性点接地电阻的零序电流

故障时流过接地变中性点接地电阻器RN的零序电流IN，如式（ 1）所示。

式中，Up为电网相电压，V；RN为中性点接地电阻，Ω；X0为接地变零序阻抗，Ω。 当集电线路发生单相金属性故障时，根据式（ 1）计算两期风电场接地变的额定电流，分别为：IN1，IN2。

2.3 故障集电线路保护装置最小零序电流

如图6所示， 流过故障集电线路保护装置的零序电流IJD等于流过接地变中性点电流IN与母线上非故障线路单相金属性接地电容电流IC的向量和。 因非故障线路单相金属性接地综合电容电流IC将随着集电线路的投退而变化，流过故障线路的零序电流的最小值将发生在接地变中性点电流的电感电流与集电线路的综合电容电流最为接近的运行方式（ IC.JJ为此方式下的电容电流）下。

当集电线路发生单相金属性故障时，根据式（ 2）计算两期风电场流过故障集电线路的最小零序电流：IJD.min1，IJD.min2。 经分析，IJD.min1发生条件为A组或E组集电线路故障，且仅C组集电线路（ 其电容电流为IC.C） 无故障运行时；IJD.min2发生条件为B组或F组集电线路故障，且仅D组集电线路（ 其电容电流为IC.D）无故障运行时；

计算分析表明， 当感性电流与容性电流相等时，流过故障集电线路保护装置的最小零序电流等于流过接地变中性点额定电流的电阻分量。 即校验集电线路零序电流保护灵敏度可以直接用此值进行校核。

2.4 集电线零序电流保护整定分析

零序电流保护应对本线路单相接地故障有不小于2的灵敏度（ 即灵敏性），并可靠躲过本线路的电容电流（ 即选择性）[6]。 继电保护装置的零序电流整定必须同时满足灵敏性及选择性，即应同时满足式（ 3）、（ 4），才能保证电网的安全运行。

对于风电场一期，根据式（ 3）、（ 4）计算如下：

因此，对于风电场一期工程，集电线路的零序电流整定9.65 A至35 A之间。

对于风电场二期，根据式（ 3）、（ 4）计算如下：

IDZ.2≥1.5IC.max.2=1.5×43.88=65.8（ A）

因此，对于风电场二期工程，集电线路的零序电流整定无法同时满足选择性与灵敏性的要求。 主要原因为中性点接地电阻器阻值偏大，导致接地故障电流偏小所致。

3 改造方案

3.1 方案一

方案一：直接调整二期工程接地变接地电阻阻值，以使集电线路单相金属性接地故障时有足够的零序电流流过集电线路保护装置，保证保护的动作灵敏性。

3.1.1 中性点电阻器阻值的选取

计算表明，当IN≥3IC时，接地保护有选择性和灵敏性，并限制暂态过电压在2.5倍相电压以下（ 且限制过电压的变化也不大）。电阻器的阻值ZN按下式选

取[7-9]：

同时满足

在风电场二期中，35 kV系统总的电容电流为134 A，依式（ 5），

中性点电阻器的阻值选取范围为53～80 Ω。 本期选取接地电阻为66 Ω，对应流过接地变中性点的接地电流为322 A。

3.1.2 接地变容量校核

用于低电阻接地系统的接地变压器， 通常按30 s以内承受的最大故障电流来选取。 接地变压器的额定容量的计算公式[6]：

式中，Se.r为接地变压器的额定容量，kV·A；Sd.r为接地变压器的短时容量，kV·A；UL为线电压，kV；Ijd为单相接地故障电流，A；K为换算系数。 根据IEEEC62.92.3标准，K值系数如表4所示。

表4 K值系数Tab. 4 The value of coefficient K

按式（ 7）计算二期接电变额定容量为：

二期接地变的额定容量为150 kV·A，不满足要求。 因此，不采用方案一。

3.2 方案二

方案二：风电场一期的接地电容电流较小，但配了一个容量很大的接地变，不合理。 因此考虑将原二期的接地变及接地电阻用于一期，而将一期的接地变用于二期，同时将原一期的接地电阻改造为66 Ω。

两期风电场的接地变均位于同一配电室，相向布置。 接地变体积较大，移动不便，因此一次接线的改造，只需将接地变的一次接线对调即可。 而原一期接地电阻的改造，只需将片状接地电阻拆去几片或者用铜线短接部分电阻， 使改造后的电阻值为66 Ω即可。

改造后接地变及中性点电阻主要参数如表5所示。

3.2.1 接地变容量校核

3.2.1.1 风电场一期接地变容量校核

风电场一期35 kV系统总的电容电流为18 A，因此接地变的接地电流可以考虑取

表5 改造后接地变及中性点电阻主要参数Tab. 5 Main parameters of grounding transformer and neutral point resistance after the transformation

由式（ 7）进行校核如下。

一期接地变的额定容量为150 kV·A，满足要求。

3.2.1.2 风电场二期接地变容量校核

按式（ 7）计算二期接电变额定容量要求为：

对换后接地变容量为750 kV·A，满足要求。

3.2.2 继电保护灵敏度及选择性校核

根据式（ 1），改造后接地变的额定电流为

据式（ 2）计算发生单相金属性接地故障后，流过集电线路的最小零序电流。

依式（ 3）、（ 4）进行校核如下：

对于风电场一期：

对于风电场二期：

由此可见经方案二改造以后，当集电线路发生单相金属性故障后风电场两期的零序动作电流均能满足灵敏性与选择性的要求。

3.2.3 瞬态电压电流及通信校核

对于6～35 kV的以电缆为主的配电线路， 因电容电流大，采用低电阻接地时，除应考虑供电可靠性要求及继电保护技术要求外， 还应考虑瞬态电压、瞬态电流对设备的影响以及对通信的影响[8]。

改造后，满足IN＞IC，即均能将非接地相电压倍数限制在2.5倍相电压以下。 满足瞬态电压要求。

由于正序等值阻抗加负序等值阻抗比零序等值阻抗小很多，其三相短路电流要比单相接地故障电流要大很多。 单相接地电流远远低于电网三相短路电流。 因此改造后满足瞬态电流要求。

最大单相接地故障电流一般认为控制在2 000～1 000 A或以下时，对通信线路的干扰不会超过允许范围。 因此改造后满足通信要求。

4 结论

本文结合风电场实例，分析了风电场电容电流计算、零序网络、接地变及其接地电阻的选取方法，并强调了集电线路继电保护对零序电流要求的重要性。 此风电场运用本文所提方案改造了接地变及其接地电阻， 并优化了35 kV相关设备保护定值后，已安全稳定运行多年。 后续结合其他风电场运行期间故障录波波形的辅助分析也验证本文所提方案可行。

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