35kV光伏接入线路单相接地保护方案

邢志宏 张明 王春笋 杜新春 邢泽龙 张彩辉 董于琛

（1． 国网榆林供电公司 2． 国网西咸新区供电公司 3． 北京清源继保科技有限公司）

0 引言

为了满足新能源消纳的需求，装机规模在30MW及以下的新能源并入35kV及以下的电网。榆林电网现有10条35kV光伏上网线路。光伏电站采用箱变升压至35kV，然后通过35kV集电线接至35kV母线，最后通过35kV上网线路与系统相连。光伏线路接入前，榆林电网对电容电流不超过10A的 35kV系统普遍采用中性点不接地方式。一旦电容电流超过10A，则接地电弧不易自熄，易产生较高弧光间歇接地过电压，波及整个电网安全，因此对该类系统采用中性点经消弧线圈接地方式[1,2]。

另一方面，光伏电站接入中性点非有效接地的35kV电网时，为了满足新能源发电站具备快速切除站内汇集系统单相接地故障的要求，部分光伏发电站在汇集站35kV母线处加装了中性点经电阻接地的接地变压器。光伏电站接入后，原来的中性点非有效接地的35kV配电网变为了中性点经电阻接地系统。

分布式光伏接入后，35kV配电网中性点接地方式由原来的非有效接地变为了中性点经电阻接地。未接入前，35kV配电线路单相接地故障不构成短路回路，电流保护不能快速动作隔离。光伏电站接入后，35kV接入线路单相接地故障构成了短路回路，电流增大。虽然光伏电站过电流幅值有限，但采用灵敏接地零序电流保护可满足快速动作要求。如果系统侧和光伏电站侧的电流保护都能动作，则故障可以可靠隔离。但在光伏电站接入的系统中，一旦光伏侧首先跳开，则系统侧恢复为中性点非有效接地系统，测量点检测电流降低，电流保护复归，故障不能被隔离。因此有必要研究分布式光伏接入线路上发生单相接地故障后，光伏电站侧首先断开后系统侧如何可靠隔离故障的问题。

本文借鉴无通道保护的思想[3]，提出了35kV光伏接入线路单相接地保护方案。光伏接入线路发生单相接地故障后，由于光伏电站侧采用电阻接地，则线路系统侧和光伏侧同时检测到过电流，电流保护同时启动。如果系统侧保护先动作，则光伏侧依然检测到过电流，继续满足动作条件；如果光伏侧先动作，则系统侧过电流消失，不再满足电流保护动作条件，但是由于接地点存在，电压不平衡，并能检测到对端动作后健全相电流的变化。

本文首先分析了35kV光伏接入线路上发生单相接地故障特征，接着提出了光伏电站侧基于过电流保护动作，系统侧基于对侧断路器动作引起的二次扰动信息的保护方案，最后总结了全文。

1 基本原理

正常运行的35kV线路如图1所示。220kV变电站变压器低压侧有一条35kV线路出线。为保证供电可靠性，变压器35kV侧采用中性点不接地。单相接地故障情况下，35kV侧可不中断对负荷的供电，继续运行。35kV出线端配置过电流保护，线路上发生相间短路时，快速隔离故障。

接入10MW的光伏电源后的线路如图2所示。光伏电源经汇流线接入35kV/0.4kV升压变，接入35kV线路与电网相连。为保证光伏侧发生单相接地故障后，光伏电源能可靠与系统隔离，光伏侧的升压变压器采用Y接，中性点经电阻接地。

光伏侧相当于输出功率可变的电源。针对图2所示的35kV配电线路，可等效如图3所示。

在不同的运行方式下，系统侧和光伏侧的等效内阻抗不同，但系统的拓扑结构不变。当在线路上发生单相接地故障后，系统中的三序网络如图4所示。

其中，Zm1和Zm2分别为故障点系统侧等效电源的正序和负序阻抗；ZLm1和ZLm2分别为故障点系统侧线路正序和负序阻抗；Zn1和Zn2分别为故障点光伏电站侧等效电源的正序和负序阻抗；ZLn1、ZLn2和ZLn0分别为故障点系统侧线路正序、负序和和零序阻抗；Zn0为35kV系统的零序阻抗。

当35kV光伏接入线路MN上F点发生单相接地故障时，以故障相为相序变换的基准相，求解故障点电气量的系统三序网络如图5所示。

其中，IF1、IF2和IF0分别为故障点故障支路上的正序、负序和零序电流；Zm1和Zm2分别为故障点系统侧的等效正序和负序阻抗；Zn1、Zn2和Zn0分别为故障点光伏电站侧的等效正序、负序和零序阻抗；Smn1为故障网络等效正序电压源。

由图5可得故障点的三序电流为：

式中，Emn1为故障网络等效正序电压。

根据三序网络中的电流分配系数，可分别得线路系统侧M端和光伏电站侧N端的三序电流为：

由式（2）和式（3）可得：线路单相接地后，光伏侧零序电流显著增加，而系统侧零序电流依然为0。

2 保护方案

2.1 光伏侧零序电流保护

式中，I0为实时检测的零序电流；I0set为零序电流整定值，用于躲过正常运行时的零序电流。由于正常运行时零序电流很小，因此光伏侧的零序电流保护可以整定的很零序。

2.2 系统侧相单相接地保护

单相接地发生后，系统侧检测到接地相电压降低，电流增大。如果光伏侧保护先动作后，则系统侧电流降低，非接地相电压升高。构造系统侧单相接地保护如下：

式中，实时检测的相电压的变化量，只要三相电压中的任一相电流满足即可；实时检测的相电流的变化量，只要三相电流中的任一相电流满足即可；且电压与电流的判据中不能为同一相。

3 结束语

本文针对我国目前大量存在的光伏电站接入中性点非有效接地系统配电线路上发生的单相接地故障问题，提出了一种基于光伏侧零序电流和系统侧感知的二次扰动信息的保护方案。其主要特点在于：光伏接入线路单相接地故障能从故障线路的系统侧和光伏电站两侧切除，保证了故障切除的可靠性，避免了系统侧持续单相接地威胁设备和人身安全的风险。