风电场集电系统接地保护及零序保护整定计算

张 颖

（智方设计股份有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引 言

风电场集电系统接地是在风电场的主变压器低压侧或者汇集线路上，通过接地变压器或者小电阻，人为制造一个中性点，以提供零序电流和零序电压，保证在系统发生接地故障时保护装置能够动作[1,2]。风电场集电系统接地的方式有多种，如消弧线圈接地、小电阻接地、中性点不接地等，具体选择应根据风电场的实际情况和技术要求确定[3,4]。

风电场实际发生的单相接地故障大多数为永久性接地，对人身、环境、设备安全影响较大。经电阻接地方式具有选择性，能够快速切除接地故障，是目前风电场集电系统和电网配电系统接地方式的主要发展方向[5]。以湖北省某风电场为例，该风电场于2021年3月完成集电系统接地方式改造。设备改造后，风电场需要修改集电线路母线上各支路的零序Ⅰ段、零序Ⅱ段、接地变的过流Ⅰ段以及过流Ⅱ段的保护定值。基于该背景，文章重点介绍改造后的集电线路和接地变压器（以下简称接地变）的零序电流保护定值的整定计算。

1 中性点接地设备（接地变和接地电阻）的选择原则

中性点接地设备（接地变和接地电阻）的选择原则包括以下2 个方面。

一方面，提供足够的零序电流，保证继电保护的选择性。当线路发生单相接地时，故障线路上的零序电流为系统电容电流与中性点设备电流之和，非故障线路零序电流仅为本线路的电容电流。只有保证故障线路的零序电流显著大于非故障线路，继电保护才能有选择性地切除故障线路。因此，中性点设备需要提供充足的零序电流。

另一方面，提供一定的阻性电流，抑制弧光接地过电压。在中性点接入接地电阻的条件下，当线路发生单相接地故障时，中性点电阻将向故障点输出一定阻性电流，抑制电弧的间歇性燃熄，防止在零序保护动作之前出现弧光接地过电压。

在满足以上2 个条件的前提下，应选择尽量大的中性点接地电阻，使故障电流尽可能小，降低故障电流对设备造成的影响，减小中性点接地变容量。

2 单相接地故障电流

2.1 单相接地故障电流计算

为满足继电保护的选择性，单相故障电流ID应满足

式中：ID为单相接地故障电流；Icmax为各线路中最大的电容电流值；Kre为可靠系数。单相接地故障电流应为零序Ⅰ段的2 倍，保证零序过流Ⅰ段对单相接地故障有较高的灵敏度。零序Ⅰ段定值应大于线路电容电流的2 倍，保证零序Ⅰ段安全躲过线路电容电流，因此取Kre=4。

为抑制弧光接地过电压，单相故障电流至少为1.5倍系统总电容电流，即

式中：Ic∑为系统总电容电流。

单相接地故障电流应以式（1）和式（2）的最大值为最低限度，即

2.2 确定接地电阻阻值

根据单相故障电流ID确定通过中性点的电流Ir。单相故障电流ID由系统总电容电流Ic∑与中性点电流Ir组成。单相故障电流的组成如图1 所示。其中，Ir为纯阻性电流，Ic∑为纯容性电流，两者相位差为90°。

图1 单相故障电流的组成

Ir的计算公式为

根据Ir确定中性点电阻值R。当单相故障时，中性点电压升至相电压，中性点电流Ir为相电压UN与中性点电阻R的比值，因此R的值为相电压与Ir之比，即

根据中性点电阻值R确定接地变容量。接地变应满足电网正常运行的条件，并能够与空载相容。接地变接通电流时间较短时，短时间内会通过故障电流，在接地变起作用前，故障线路采用无序保护。因此，在运行中，接地变表现为长期空载或短时间过载。根据《IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems，Part Ⅲ-Generator Auxiliary Systems》（IEEE-C62.92.3—2012）标准的过载系数规定，将变压器的短时容量换算为持续容量。干式变压器允许过负荷能力如表1 所示，油浸式变压器允许过负荷能力如表2 所示。

表1 干式变压器允许过负荷能力

表2 油浸式变压器允许过负荷能力

零序保护的动作时间不允许超过10 s，因此按照工作10 s 过负荷时间计算接地变容量SN，即

接地变压的零序阻抗XT0原则上不应大于中性点电阻R，即要求中性点零序感抗小于零序电阻的1/3，接地变产生的感性电流可以忽略，中性点电流可视为纯阻性。如果接地变零序阻抗过大，则其产生的感性电流会补偿电容电流，导致单相故障电流低于ID，零序保护无法正确动作。

如果无法满足XT0≤R这一条件，则应重新核算单相故障电流ID的值。若ID值低于式（1）的选择值，则应进一步降低中性点电阻R或采用具有平衡绕组的接地变压器，直至ID达到式（1）的选择值。

3 线路和接地变零序保护的整定

集电线路是指连接发电机和变电站的输电线路。它的保护装置应能快速和准确地切除故障，保证发电机的安全运行。集电线路的保护装置通常包括相间短路保护和接地短路保护，其中接地短路保护主要利用零序电流实现。

零序电流是指三相电流中相同方向和相同大小的分量，反映了电力系统的不对称程度。正常运行状态下，三相电流是对称的，没有零序分量。当发生接地故障时，三相电流会产生较大的零序电流，可以用零序电流检测和判断接地故障的位置和性质。

零序电流保护的整定基本原则如下。

（1）零序电流速断保护（零序Ⅰ段）。要求不带延时，保护本线路的一部分。动作电流应躲过本线路末端或下一条线路出口处单相或两相接地故障时流过保护装置的最大零序电流。对于不加方向的零序电流Ⅰ段，还需要躲过母线接地短路时流过保护装置的最大零序电流。

（2）零序电流Ⅱ段保护。带较短时限的延时，尽可能切除本线路范围内的故障。它的动作时间应与下一级线路的零序Ⅰ段或Ⅱ段保护相配合。

（3）零序电流Ⅲ段保护（零序过电流保护）。带较长延时，可靠保护本线路的全长。在本线路末端金属性接地短路时有一定的灵敏系数，动作时间应按照阶梯型配合的原则来确定。

（4）零序电流Ⅳ段保护。作为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的后备，定值不大于300 A，用于保护本线路的高阻接地短路。

零序电流方向保护在零序电流元件和零序方向元件的串联作用下实现，可以通过比较零序电压和零序电流的相位来判断故障方向。规定正方向为零序电压从线路向大地，反方向为零序电流从母线向线路。当正方向故障时，I0在相位上超前U0有100°；当反方向故障时，U0超前I0有100°。

4 单相接地故障零序电流计算

风电场35 kV 集电系统任一点单相接地故障时，单相接地故障电流会流过接地变和中性点接地电阻，因此选择接地变零序保护作为集电系统单相接地故障的总后备保护。系统发生单相接地时的系统零序电路图，如图2 所示。单相接地电流包括系统电容电流Ic和中性点电流Irx（未考虑线路阻抗）。

图2 单相接地时的零序电路

湖北省某风电场集电系统正序阻抗和电容电流均较小，忽略回路阻抗和电容电流影响，则集电系统任一点发生金属性单相接地故障时，流过故障点和中性点接地电阻的故障零序电流为

式中：U为集电系统额定线电压，取值为35 kV；R0为中性点接地电阻柜电阻值；r0为接地变零序电阻值。

风电场选用R0=202 Ω，r0=93.10 Ω/相，由此得

代入数据，得3I0≈86.7 A，即35 kV 母线各连接元件出现单相接地故障时故障电流相同，为86.7 A。

5 零序保护整定计算

集电线路零序段设定原则如下：本线路末端单相接地故障准确判断的灵敏系数不低于 2；调试时间应满足风电场运营电压适应的要求。

根据集电线路零序Ⅱ段整定原则，为躲过线路电容电流整定值，其整定时间比零序电流Ⅰ段多一个级差。以风电场35 kV 集电线路3504 线为例，单相接地时，故障电流计算公式为

根据式（8）的计算结果，ID3504≈86.7 A。

零序Ⅰ段对本线路末端单相接地故障有足够的灵敏性，灵敏系数不小于2，即

式中：Ksen为灵敏系数，取值为2。

代入相关数据，得3I0,op=43.35 A。零序电流互感器（Current Transformer，CT）的变比为150/5，则对应的二次值为，取1.4 A。3504 线开关的动作时间取为0.1 s，以躲过断路器三相合闸的不同期性。

零序电流Ⅱ段保护定值按照可靠躲开本线路电容电流整定，取可靠系数Kre=2。3504 线零序电流Ⅱ段定值为

代入数据，得IDZ.Ⅱ=7.76 A，对应得到二次值为，取为0.3 A，3504 线开关动作时间取为0.4 s。

接地变保护是集电系统接地故障的后备保护。按照单相接地故障灵敏度整定接地变零序Ⅰ段保护定值，灵敏系数不小于2，并与汇集母线各连接元件零序电流Ⅱ段配合，动作时间大于母线各连接元件零序电流Ⅱ段的最长动作时间。零序电流Ⅱ段按可躲过线路电容电流整定，动作时间应大于接地变零序电流Ⅰ段的动作时间。以风电场35 kV 的#1 接地变为例，零序电流Ⅰ段单相接地时，故障电流计算公式为

代入数据，得ID#1=86.7 A。

需要保证零序Ⅰ段的高压侧单相接地故障有足够的灵敏性，灵敏系数不小于2，得

代入数据，得Iod1=43.35 A。零序CT 变比为150/5，则对应的二次值为，取1.4 A。#1 接地变35 kV 开关和#1 主变35 kV 的动作时间与母线各连接元件零序电流Ⅱ段配合，取为0.7 s。

零序Ⅱ段躲过线路电容电流整定得

式中：Ic.3504=3.88 A；Ic.3506=3.70 A；Ic.3508=2.30 A。代入相关数据，得Iozd2＞19.76 A。对应得到二次值为，取0.7 A，#1 接地变35 开关和#1主变低压侧开关动作时间长于零序电流Ⅰ段动作时间，取为1 s。

6 结 论

改造后的风电场具备了快速切除接地故障的能力，同时能够满足《国家电网公司关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知》（国家电网调〔2011〕974 号）对电阻接地的要求，即发生接地故障时，通过相应保护快速切除故障。根据计算结果，在不考虑线路阻抗和电容电流的影响情况下，集电系统任一点发生金属性单相接地故障时，故障电流均相同，所有电流均流过接地变和中性点接地电阻。接地变的零序保护是系统接地故障的总后备保护，应注意与母线各连接支路的零序保护相配合。