风电场接地变压器容量选择

2018-07-25靖峰,韩源,孙静

西北水电 2018年3期

靖峰,韩源,孙静

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前言

风电场集电线路由于处在风区，运行条件差，集电线路系统发生单相接地故障属于比较常见的故障类型。当发生单相接地故障时，要求保护能够做到准确选线、快速切除，而中性点低电阻接地方式能很好的适应这一要求，并且具有较低的弧光接地过电压水平，目前在风电场集电线路系统中广泛采用[1-4]。随着部分风电项目运行时间的增加，暴露出接地变压器容量选择不恰当导致接地变压器回路过流保护未正确整定和投入的问题，给系统的可靠保护和长期稳定运行留下隐患。本文对接地变压器容量选择过程进行分析，总结出接地变压器容量计算过程中的常识错误和解决办法。

1 接地变压器容量计算的常见问题

中性点低电阻接地系统的接地变压器容量计算通常按图1步骤开展。

图1 传统接地变压器容量计算流程图

在项目实际的实施过程中，中性点接地成套装置的选型过程经常存在如下问题：

(1) 未分析系统单相接地故障后电容电流的流通过程，对电容电流计算的理论基础理解模糊；

(2) 电容电流计算未考虑系统连接的其它电力设备提供的电容电流，导致最终计算的电容电流值偏小；

(3) 认为单相接地故障时电容电流会流过接地电阻，因此需要接地电阻额定电流大于电容电流；

(4) 对单相接地故障的原理分析不清，混淆电容电流、电阻电流和故障电流；

(5) 接地变压器容量未考虑与接地变压器本体过流保护装置的配合。

2 系统电容电流计算

2.1 系统电容电流的产生原理

图2 系统正常运行时电容电流相量图

2.2 单相接地故障时电容电流的回路

图3 单相接地短路时电容电流相量图

单相接地故障时电容电流的回路示意图详见图4。

2.3 电容电流的计算

电力线路、电力设备对地都有一定的分布电容，电容电流的计算主要考虑电缆或架空线路，由于其它电力设备对地也都有一定的分布电容，但量值相对较小，工程设计中一般不单独计算，工程应用中按线路电容电流的10%计算附加即可满足要求[9-11]。电缆和架空线路电容电流可按下式进行计算。

(1) 对于电缆线路，电容电流计算方法：

IC=0.1Ue×L

(1)

式中:IC为线路电容电流，A；Ue为线路额定线电压，kV；L为线路长度，km。

(2) 对于架空线路，电容电流计算方法：

IC=(2.7或3.3)Ue×L×10-3

(2)

式中:IC为线路电容电流，A；Ue为线路额定线电压，kV；L为线路长度，km；(2.7或3.3)为系数，无架空地线时取2.7，有架空地线时取3.3。

3 接地电阻额定参数选择

3.1 低电阻接地系统单相接地故障保护原理

由上节分析可以看出，当系统发生单相接地短路时，短路点会流过系统所有回路的电容电流，即故障回路流过系统所有回路的电容电流，非故障回路流过本回路的电容电流。当该电容电流流过各回路零序电流互感器时，单相接地零序保护即是通过判断该零序电流的大小来确定并切除故障回路。

以A相发生单相接地短路为例，当单相接地故障发生时，对非故障回路而言，其流过非故障回路零序电流互感器的电流即为该回路B、C相电容电流的合电流，该电容电流基本可以保持稳定。但对于故障回路，其流过零序电流互感器的电容电流会根据故障时投运回路数的不同，在比较大的区间内变化，例如当仅有一回线路运行时，由于B、C相电容电流的合电流会经过A相接地短路点流回系统，也就是流过故障回路零序电流互感器的电容电流为零；当所有回路均运行时，所有非故障回路的B、C相电容电流均会通过故障回路A相接地短路点流回系统，也就是流过故障回路零序电流互感器的电容电流为系统总的电容电流。可以看出，由于系统运行回路数的不同，流过单相接地故障回路零序电流互感器的电容电流变化区间大，导致保护装置无法准确且灵敏的判断故障并快速切除。采用低电阻接地方式，在发生单相接地的情况下，能为接地故障回路提供一个稳定的电阻电流，从而确保故障回路准确判断、快速切除。

图4 单相接地故障时电容电流的回路示意图

发生单相接地故障时，故障电流(即电阻电流和电容电流的矢量和)的回路示意图详见图5。

通过以上分析可以看出，系统发生单相接地故障后，单相接地故障电流由两部分组成，一部分为系统电容电流，一部分为由接地电阻回路提供的电阻电流。即故障回路流过的电流为系统电容电流与电阻电流的合电流，非故障回路流过的电流仅为本回路电容电流，单相接地零序保护即是通过判断该电流的大小来切除故障回路。

3.2 电阻额定参数的选择

电阻额定参数的选择主要考虑额定电压和额定电流，电阻额定电压应不小于接入系统的额定电压。额定电流的选择主要考虑2个方面：一是为获得快速选择性继电保护所需的足够电流，需要较大的接地故障电流，目前低电阻接地系统一般采用接地故障电流为100～1 000 A[12]；二是为限制故障点间歇性电弧接地时的过电压水平，要求流过故障点的电阻性电流不小于电容性电流，一般取电阻性电流为电容性电流的1～1.5倍，可以限制内部过电压不超过2.6倍，进一步提高阻性电流对降低内部过电压收效不大[13]。可以看出，进行接地电阻额定电流计算时，要求电阻额定电流大于电容电流，主要从降低过电压水平的角度考虑，而不是由于电容电流需要流过接地电阻。

因此，当系统发生单相接地电容电流小于100 A时，电阻额定电流应取不小于100 A；当电容电流超过100 A时，电阻额定电流取为电容电流的1～1.5倍。

图5 单相接地故障时故障电流的回路示意图

4 接地变压器额定参数选择

4.1 接地变压器参数计算

接地变压器额定电压及绝缘水平应与其所连接系统的额定电压和绝缘水平保持一致。

接地变压器的负荷仅为接地电阻，因此其容量应不小于接地电阻的额定容量，即：

SN≥Pr

(3)

式中:SN为接地变压器额定容量；Pr为接地电阻额定容量。

采用上述方法进行容量计算时未考虑接地变压器的运行方式及特点。在低电阻接地系统中，系统正常运行时，接地电阻回路没有工作电流，接地变压器绕组仅流过很小的励磁电流。只有当系统发生单相接地短路故障时，接地变压器绕组中才流过电阻电流，即接地变压器的运行方式为长期空载运行；当发生单相接地故障时短时满载运行，因此接地变压器容量计算应充分利用接地变压器的短时过载能力。

低电阻接地系统发生单相短路故障时要求快速切除，根据继电保护要求，其持续时间应小于10 s，因此，接地变压器容量计算时可充分利用变压器10 s短时过载能力。接地变的过载能力通常与设备的制造参数有关，经计算，油变10 s短时过载倍数可达16倍，干变(H级绝缘)10 s短时过载倍数可达19倍[14]，实际选型中一般按IEEE-C62.92.3推荐的过载系数取值为10.5倍。