格尔木光伏电站送出线路零序保护异常动作分析

曹 娜，屈红军，王剑锋，王悦霖

(1.上海电力设计院有限公司，上海 200025；2. 国网海西供电公司，青海 格尔木 817000)

格尔木光伏电站送出线路零序保护异常动作分析

曹 娜1，屈红军2，王剑锋2，王悦霖1

(1.上海电力设计院有限公司，上海 200025；2. 国网海西供电公司，青海 格尔木 817000)

青海格尔木某50MW光伏电站两回35kV送出线路出现零序电流异常现象。根据该电站送出系统接线形式，结合现场调研情况，建立基于ATP-EMTP光伏送出系统仿真模型，研究线路间互感对各相电流分布的影响。研究发现，在光伏电站两回送出线路两端各并列于同段母线情况下，若线路间距较近，线路间的感应作用将较大程度改变相电流分布，进而产生较大的零序电流，现场增功率试验结果证明了上述结论。在调整两回线路间距并严格按照品字形排列后，两回35kV线路零序电流大幅降低，线路送出恢复正常。

零序电流；电力电缆；电流分布；多相并联

2015年底，青海格尔木某50 MW光伏发电项目完工并网，在试运行期间，屡次发生送出线路零序电流保护动作跳闸的现象，导致光伏电站无法全额送出，对电网安全运行造成威胁。据了解，格尔木地区有多个光伏电站均存在这些问题。本文结合实地调查情况，依照光伏电站送出系统接线方式，建立计算模型进行仿真分析。同时，光伏电站配合格尔木地调做增功率试验，发现零序电流分布规律，找出问题原因，并提出解决方案。

1 零序电流异常问题

格尔木50 MW光伏电站通过2回35 kV线路接入电网，线路长度2×1.8 km，采用截面400 mm2的交联聚乙烯电缆。电缆以直埋方式敷设，采用品字形排列，护层两端接地，线路间距250 mm。线路送出端35 kV开关站为单母线接线，对侧接入110 kV电业站35 kV I段母线，即两回送出线路首末端分别接于同段母线。

在试运行期间发现送出线路零序电流异常情况如下：

(1)任意一回35 kV线路运行，另一回线路热备用，系统正常运行,并且投运线路的零序电流较小。

(2)任意一回35 kV线路运行，另一回线路检修(及线路两侧接地刀闸合上)，系统正常运行,检修线路上有一定的零序电流。

(3)当两回35 kV线路同时运行时，两回线路零序电流随着线路负荷增大而增大，当总送出功率达到17 MW，线路零序电流接近零序电流I段整定值(30 A)时，送出功率继续增大时两回35 kV线路零序电流I 段保护动作跳开电业站侧线路断路器。

由于双回线路并列运行时零序电流异常，光伏电站功率无法全额送出，不仅严重影响了电站的正常运营，对系统安全也造成一定的威胁。

2 增功率试验结果

为发现线路零序电流分布规律，光伏电站配合格尔木地调做了增功率试验：两回线路并列运行，光伏电站送出功率由0 MW逐步增加至15 MW。在此过程中当光伏电站送出总功率分别达到5、8、10、12、14、15 MW时，提取同时段每回线路两侧的故障录波器波形，实测线路零序电流异常值。

试验中记录到光伏电站不同功率节点时，两回线路三相电流、外接零序电流有效值见表1。其中三相电流互感器变比为1 000/1 A；零序电流互感器变比为100/1 A。

表1 线路增功率时各相电流试验结果 A

根据试验结果，并列运行时两回线路零序电流大小相近、方向相反。零序电流随着送出功率的增加而增长，送出功率增至15 MW时，每回线路零序电流(3I0)达到26.5 A,接近30 A的限额。两回线路零序电流-功率图(见图1、图2)。

图1 I线零序电流—功率变化图

图2 II线零序电流—功率变化图

3 原因分析

3.1 计算条件

根据现场调研情况，由于光伏电站送出线路施工不规范，部分地段没有夹具固定或捆扎固定，导致该路段电缆未按品字形排列，而变成了一字形排列。

参看增功率试验零序电流随送出功率变化情况，初步分析线路零序电流异常原因如下：施工不规范导致线路间距过近，线路互感作用改变了各相电路分布，从而导致线路零序电流过大。

为验证初步分析的结果，并考虑到电缆实际可能的排列情况，按以下3种方式进行计算：

(1)两回线路“一”字型紧密排列。

(2)两回线路“一”字型排列，两回线路间相距100 mm。

(3)两回线路“品”字型排列，两回线路间相距250 mm。

本工程采用截面400 mm2交联聚乙烯电缆，3种排列方式见图3。

图3 电缆排列方式

光伏电站满功率送出功率为50 MW，为与增功率试验结果相比对，还对两回线路一字型排列送出15 MW进行了仿真计算。

3.2 光伏电站送出仿真

根据光伏电站送出系统接线情况，基于ATP-EMTP对光伏送电系统建立模型进行仿真，研究不同排列方式下满功率送出时两回线路A相、B相、C相电流有效值与相角，计算每回线路零序电流分布。

光伏电站送出系统等值电路如图4所示。

图4 光伏电站送出系统等值电路

电缆选用Bergeron模型。电缆结构参数见表2。

表3 光伏电站送出15 MW时线路零序电流分布 A

注：按金属护套两端接地计算。

表4 一回线路零序电流分布 A

注：另一回线路零序电流计算结果相近，相位相差接近180°。

表2 电缆结构参数

相关电气参数按以下取值：

电缆芯电阻率： 2.3×10-8Ω·m

电缆芯相对磁导率：1

导体绝缘层相对磁导率：1

导体绝缘层相对介电常数：2.3

金属护套层电阻率： 2.8×10-8Ω·m

金属护套相对磁导率：1

金属护套绝缘层相对磁导率：1

金属护套层绝缘层相对介电常数：2.3

与增功率试验结果相比对，光伏电站两回线路送出15 MW时，两回线路电流分布结果见表3。

在增功率试验中，光伏电站送出15 MW时， 线路3I0约为26 A(I0约为8.7 A)，两回线路零序电流大小相等、方向相反。仿真计算结果中，电缆一字型排列、间距100 mm时零序电流大小与试验结果相近，两回线路零序电流方向相反，考虑到电缆排布结构及电气参数与实际存在误差，可认为仿真结果与试验基本相近。

若光伏电站满发，即两回线送出50 MW，考虑电缆不同排列及护套接地方式，一回线路电流分布情况见表4。

由计算结果可见，若两回线路一字型紧密排列，线路间互感作用强，各相电流分布不均衡[1]，每回线路产生的零序电流超过60 A。随着两回线路间距的增加，互感作用逐渐降低，相电流分布不均衡程度减轻。若电缆一字型排列，两回线路间距100 mm时，每回线路产生的零序电流约为24 A；若电缆品字型排列，两回线路间距250 mm时，每回线路产生的零序电流约为9 A。计算表明，较一字型排列，品字形排列更有利于均衡各相电流。

电缆金属护套接地方式对线路零序电流大小影响较小，对零序电流分布有较大影响：①金属护套两端接地，护套层将感应出较大不对称电流，通过零流互感器与芯线不平衡电流叠加，共同形成线路零序电流；②金属护套一端接地，护套层未形成回路，其上感应的电流接近为0；③金属护套交叉互联两端接地，护套层换位后感应电流大幅降低至极小的水平。

3.3 计算结果分析

通过仿真计算可以看出，两回线路首末端各并列于同段母线，从电气关系看相当于两回电缆双拼运行，若线路间距离近，则互感作用将改变各相电流分布，从而在每回线路上产生较大的零序电流[2]，容易导致零序电流保护动作，另一回线路上零序电流大小相等方向相反，两回线路零序电流合计为0。

零序电流的大小与线路间距、排列方式相关：

(1)线路间距决定了互感强弱，线路间距是零序电流大小的决定性因素。两回线路距离越近，相电流分布越不均衡，零序电流越大。

(2)并列运行的两回线路产生的零序电流大小相近，相位相差接近180°，叠加后总零序电流接近为0。

(3)电缆金属护套接地方式对线路总体零序电流大小影响较小，对零序电流在芯线、金属互层的分布有较大影响。若金属护套两端接地，芯线电流及护套感应电流生成的零序电流幅值接近；若金属护套一端接地或交叉互联两端接地，护套层感应电流接近0，零序电流主要由芯线不对称相电流产生。

4 解决方法

从分析结果来看，由于现场施工不规范，使得部分路段电缆由品字形排列变成了一字形排列，线路间距变小，线路互感变强，零序电流变大。为解决零序电流过大的问题，本工程将两回35 kV送出电缆间距由250 mm放大至500 mm，施工时将每回35 kV线路3根单芯电缆每隔一定距离夹具固定或捆扎固定，保证每回电缆线路均成品字形排列。按此方案将35 kV电缆重新敷设后，零序电流大大减小，满负荷状态下零序电流接近于0，解决了光伏电站线路并列运行零序电流异常问题。

5 结语

在光伏电站两回送出线路首末端各并列于同段母线情况下，若线路间距较近，线路间的感应作用将较大程度改变相电流分布，进而产生较大的零序电流，影响光伏电站的送出。为避免这一现象，一方面在设计阶段应尽量避免两回线路接入同段母线，另一方面电缆之间距离应适当放大，现场施工时保障线路按设计排列，减少此类问题的发生。

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(本文编辑：赵艳粉)

AnalysisofZero-SequenceProtectionActionAnomalyonGolmudPVPowerPlantTransmissionLine

CAONa1，QUHongjun2，WANGJianfeng2，WANGYuelin1

(1.ShanghaiElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200025,China；2.StateGridHaixiPowerSupplyCompany,Golmud817000,China)

Somezerosequencecurrentanomaliesoccurredintwo-circuit35kVtransmissionlineofa50MWPVpowerplantinGolmud,Qinhai.Accordingtotheplantdesigndrawingsandon-siteinvestigation,thispaperestablishedthedispensingsystemsimulationmodelbasedonATP-EMTP,studiedtheimpactofmutualinductancebetweenlinesoncurrentdistributionineachphase.Whenbothsidesoftwoparallellinesaretiedatthesamebussegmentrespectively,wefoundthatifthelinespacingiscloser,thelinebetweentheinductionofagreaterdegreeofphasechangescurrentdistributionsothatitwillproducelargezero-sequencecurrent.Thisfindingisprovedbyon-siteincreasing-powertest.Afterlinespacingadjustmentandstrictarrangementinatriangle,thezero-sequencecurrentinthetwo-circuit35kVlinesisgreatlyreducedandrecoveredtonormal.

zero-sequencecurrent;powercable;currentdistribution;multi-phaseparallel

10.11973/dlyny201702012

曹 娜(1979—)，女，硕士，高级工程师，主要从事电力规划设计、电力系统分析控制研究。

TM

A

2095-1256(2017)02-0145-04

2016-11-25