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風電場接地方式與接地保護探討

文檔作者：吳小洪唐煥集郝曉宇張冬平		點擊數：	更新時間： 2022年02月10日
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· 44· 水利水電工程設計DWRHE·2012年第31卷第3期
風電場接地方式與接地保護探討
吳小洪唐煥集郝曉宇 張冬平
摘要風電場占地面積廣、集電線路長、電容電流較大，其接地方式涉及到風電場安全穩定運行，選擇一種安全可靠的
接地保護方式是非常重要的，系統地總結了幾種接地方式的優缺點，并簡要地介紹了電阻接地設備的參數選擇，為類似
工程提供一個有益的借鑒。
關鍵詞 單相接地 故障接地電容 電流接地保護
中圖分類號TK83 文獻標識碼B 文章編號1007—6980(2012}03—0044—03
風電場由于集電線路長并且分支多，發生單
相接地故障的頻次相對較多，容易造成 故障、
箱變避雷器燒壞、線路保護動作以致全場停機，
甚至造成升壓站系統側斷路器跳閘等事故。其原
因是場內集電線路的導線在大風時擺動或脫落，
發生對橫擔、拉線的接地，并發生間歇性放電。
目前風電場10 kV和35 kV場內集電線路采用中
性點不接地系統，由于線路回路數較多，容性
電流較大，單相接地引起系統狀態瞬間改變，
導致了電網中電感電容回路的電磁振蕩(即諧振)，
造成弧光接地過電壓。為了消除上述影響，根
據接地容性電流大小不同． 目前風電場通常采
用電阻接地、消弧線圈接地及消弧消諧裝置等
接地方式
1 中性點采用消弧線圈接地方式
在中性點不接地系統中，當單相接地電容電
流超過一定數值時，會在接地點產生電弧，引起
間歇過電壓，采取中性點經消弧線圈接地的措施
來減小這一接地電流，熄滅電弧，避免過電壓的
產生。
1．1 消弧線圈的工作原理
中性點經消弧線圈接地系統運行方式如圖1
所示，系統正常運行時．由于三相電壓、電流對
稱，中性點對地電位為零，線圈上電壓為零，線
圈中沒有電流流過。當系統發生單相接地故障時，
流過接地點的電流是接地電容電流，c與流過線圈
的電感電流 之和。由于 超前Uc90。，而 滯
后 、90。，，。與厶相位相反，在接地點相互補償。
只要消弧線圈電感量選取合適。就會使接地電流
減小到小于發生電弧的最小生弧電流，電弧就不
會產生．也就不會產生問歇過電壓。
一賭 乙
(a)電路圖 (b1相量圖
圖1 一相接地時的中性點經消弧線圈接地系統圖
1．2 消弧線圈補償方式
根據消弧線圈中電感電流對接地電容電流的
補償程度不同，分為全補償、欠補償和過補償3
種補償方式。風電場一般采用過補償方式。過補償
可以避免出現電壓串聯諧振過電壓．補償后殘余電流
一般不超過5～1O A。運行實踐也證明，不同電壓等級
的電網，只要殘余電流不超過允許值，接地電弧就會
自動熄滅，從而保證電氣設備不會受到損壞。
2 中性點采用消弧消諧裝置接地方式
2．1 消弧消諧裝置工作原理
消弧消諧裝置一次原理接線如圖2所示。消
弧消諧裝置通常采用微機控制方式，具有消弧功
能、P，r功能及內部與外部各類過電壓保護、小電
流選線等功能。根據電壓互感器提供的信號，判定
故障類別(PT斷線、金屬接地、弧光接地)和相別。
當發生弧光接地時，立即向故障相真空接觸器發
出動作命令．將弧光接地轉化為金屬性接地，使
故障點的電弧立即熄滅，消除了弧光接地過電壓。
2．2 消弧消諧裝置的缺陷
(1)故障相接地消弧方法在消弧時是一種病
態運行狀態，主要是消弧功能，其過電壓保護設備
采用避雷器。并且只能用于線路消弧。
(2)消弧消諧裝置不能用于電容電流大于
吳小洪等·風電場接地方式與接地保護探討 ·45·
圖2 消弧消諧接地系統圖
30 A的系統。
(3)對于容量較小的所用變，由于線路較短，
一旦繞組發生單相接地，消弧消諧裝置動作短接
一部分電源，但速斷過流保護又不會動作，由此
將會造成很大的事故。如云南楊梅山風電場2010
年3月11日出現單相接地，就造成1臺所用變、
2臺箱變及避雷器損壞。
(4)消弧消諧裝置退出消弧時可能引發PT鐵
磁諧振。
(5)消弧消諧裝置需要100 ms以上時間才能
實現消弧。
3 中性點采用電阻接地方式
3_1 電阻接地的工作原理
中性點經電阻接地方式，即是中性點與大地之
間接人一定電阻值的電阻。該電阻與系統對地電
容構成并聯回路．由于電阻是耗能元件，也是電
容電荷釋放元件和諧振的阻壓元件，對防止諧振
過電壓和間歇性電弧接地過電壓，有一定優越性。
中性點經接地變壓器并在變壓器二次側接人
合適電阻的接地方式，就是中性點經高電阻接地，
變壓器的作用二次側使低壓電阻起到高壓大電阻
的作用，如此可以簡化電阻器的結構，降低產品
成本，并且便于布置安裝。此種接地方式的優點
是當系統發生接地故障時，電阻產生功率損耗．
以降低故障電流。由于高電阻增大了回路的阻尼
率，對過電壓的幅值和陡度有明顯的阻尼作用．
從而保證電位偏移不會引起串聯諧振過電壓。
采用電阻接地方式．一旦發生單相接地故障，
產生一個三相不平衡電流，用零序電流互感器很
容易檢測到．因此可通過零序保護裝置可靠迅速
地檢測并切除故障．從而有效地保證了電網的安
全穩定運行。
3_2 電阻值的選擇
系統中性點經低電阻接地方式中電阻值的選
取一般需考慮以下幾個方面：(1)限制系統過電壓
水平；(2)保證系統繼電保護動作的靈敏性；(3)降
低人身觸電危險；(4)降低對通信線路的干擾。
其中后兩個因素主要受故障電流影響，但可
通過現場采取一定的措施彌補，如設置均壓網、
使用帶屏蔽層通訊電纜等，所以在選取電阻值的
過程中不做主要考慮因素。
確定電阻值一般是先確定系統三相對地電容
電流，在滿足限制系統過電壓水平的前提下，確
定系統中性點注入的最小阻性電流，再結合現場
具體情況確保注入的阻性電流保證繼電保護動作
的靈敏性，兩種情況注入的阻性電流取較大值．
最后按照系統單相金屬性接地故障的情形計算相
應的電阻值。
圖3給出了中性點電阻接地網絡中過電壓的
倍數( )與有功電流厶和電容電流，c的比值關系。由
圖可見，有功接地電流為0．8，c時，已經能夠滿足
限制系統過電壓水平的要求，但此時注入阻性電
流不能保證系統動作的靈敏性。由于系統發生故
障時非故障相流過的電流為自身線路對地的容性
電流．故障相流過的電流為系統對地容性電流和
中性點阻性電流之和，但中性點阻性電流是按照
系統金屬性單相接地故障類型考慮，而實際系統
圖3 過電壓的倍數與有功電流厶和電容電流，c比值的關系
發生單相接地故障時電流遠遠小于設計值，考慮
過渡電阻的影響和繼電保護動作的靈敏性，為保
· 46· 水利水電工程設計DWRHE．2012年第31卷第3期
證系統故障時繼電保護有足夠的靈敏性以便于故
障線路能夠迅速可靠的切除，當過渡電阻較小時．
系統中性點經低阻接地系統中注入的阻性電流一
般選取(2～3)／c， 但當過渡電阻較大時，為保證系
統動作靈敏性注入的阻性電流要求遠遠大于系統
容性電流。
根據近年來產品的制造及運行經驗．對不同
35 kV系統中性點電阻值的選取推薦如表1、2
(表中值僅供參考，最終電阻值的選取以工程實際
情況確定為準)。
表1 系統為純電纜線路時
4 結論和建議
風電場場內集電線路均采用中性點不接地運
行方式．一旦產生弧光接地、過電壓以及大的接
地電流．對電氣設備的危害是十分嚴重的，因此
選擇一種安全可靠的接地保護方式是十分重要的。
消弧線圈接地方式的特點是當發生單相接地
故障時，可以帶故障短時運行一段時間，這對于
風電場風機的運行十分有利，也是以往風電場普
遍采用的一種接地方式，但對于電力系統而言，
則要求風電場一旦發生接地故障。快速切除故障，
從而最大限度保證電網的安全穩定運行。國家電
網調(201 1)974號文件關于“風場并網運行反事故
措施要點”要求，風電場匯集線系統應采用經電
阻或消弧線圈接地方式，不應采用不接地或經消
弧消諧柜接地方式。經消弧線圈接地的匯集線系
統發生單相接地故障時，應能可靠選線，快速切
除；經電阻接地的匯集線系統發生單相接地故障
時，應能通過相應保護快速切除，同時應兼顧機
組運行電壓適應性要求
為滿足電網要求，目前風電場若采用中性點
經消弧線圈接地方式，則消弧線圈推薦采用偏磁
式可無級調節形式，并加裝小電流選線裝置。
偏磁式消弧線圈帶有自動跟蹤補償控制系統．
當電網發生單相接地故障時．可自動跟蹤補償電
網中單相接地電容電流，對電網電容電流自動實
施最快速自動補償，使故障點電流小于允許值。
偏磁式消弧線圈控制器選用DSP芯片控制，測量
精度高，響應速度快，利用施加直流勵磁電流，
改變鐵芯上的磁導，可以帶高壓狀態以毫秒級速
度調節電抗值，補償響應時間不超過20 ms，可實
現無級、連續、靜態的調節。
雖然目前根據電網要求來看，對于風電場匯
集線系統采用經電阻或消弧線圈接地方式都是可
行的，但從技術性和經濟性綜合性考慮，采用經
電阻接地方式具有明顯的優越性，未來的電網發
展趨勢是消弧線圈接地方式將逐漸被電阻接地方
式所取代。
由于風電場運行方式的多樣化及弧光接地點
的隨機性，消弧線圈要對電容電流進行有效補償
確有難度，且消弧線圈僅僅補償了工頻電容電流。
而實際通過接地點的電流不僅有T頻電容電流。而
且包含大量的高頻電流及阻性電流，嚴重時僅高頻
電流及阻性電流就可以維持電弧的持續燃燒。另外
當集電線路發生斷線、非全相、同桿線路的電容耦
合等非接地故障．使集電線路的不對稱電壓升高．
可能導致消弧線圈的自動調節控制器誤判集電線路
發生接地而動作，這時將會在集電線路中產生很高
的中性點位移電壓，造成系統中一相或兩相電壓升
高很多，以致損壞電網中的其它設備。而采用電阻
接地方式，一旦發生單相接地故障，其繼電保護裝
置能夠可靠迅速地檢測并瞬時切除故障，從而有效
地保證了電網的安全穩定運行。
作者簡介
吳小洪 男 高級工程師 中國福霖風能公司北京 100034
唐煥集 男 助理工程師 中國福霖風能公司北京 100034
郝曉宇 男 工程師 中國水電建設集團新能源開發有限責
任公司 北京100044
張冬平 男 工程師 龍源電力集團安生部 北京 100034
(收稿日期2012-05-23)

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