應對光伏電站單相接地故障的設備選擇與保護整定分析與探討

上?？睖y設計研究院有限公司 劉愉

1 引言

并網型中大規模光伏電站通常采用多級匯流、集中并網的接線形式，發電單元多采用擴大單元接線，通過多條集電線路匯集后，經主變升壓并網。規?；墓夥娬揪哂姓嫉孛娣e較大、集電線路長等特點，大規模集電線路帶來較大的單相接地故障電容電流，這種情況將產生較高的弧光過電壓，從而對電氣設備絕緣及安全運行帶來威脅。

針對上述類型的工程，選擇參數合理的接地設備、可靠的保護形式以及合理的保護定值，在單相接地故障發生時對電力設備的保護起到關鍵作用。本文結合實際工程，圍繞接地系統設備選擇、保護整定、CT參數選擇等環節展開探討。

2 并網光伏電站中性點接地設備的選擇

2.1 光伏電站單相接地故障過電壓機理

在電力系統中，對各種類型的短路故障，單相接地短路是最為普遍的故障形式[1]，據統計約占60%以上。在中大規模光伏電站中，因發電系統設有較長的集電線路，而集電線路又廣泛采用電纜類型導體，因此主變低壓側系統各相導體有較大的對地電容。研究表明，在這類系統中，單相接地故障易導致電弧接地過電壓，如果不增加一定的保護措施，則過電壓將威脅電力設備的安全運行。

主變低壓側等效網絡（假定為不接地系統）如圖1所示，且假定該系統中性點不接地。設主變低壓側系統等效電源相電壓為Ea,Eb,Ec，各等效相導體對地電壓為Ua，Ub，Uc，設定相電壓幅值為1。假設C 相導體發生單相接地短路，短路故障發生在t=0 時刻，此時線路相對地的電壓分別為Ua(0-)=Ub(0-)= 0.5，Uc(0-)=-1。接地瞬間，C 相電壓變為低電位0，A、B 工頻相電壓被分別瞬間抬升為AC線電壓與BC線電壓1.5。

圖1 主變低壓側等效網絡（假定為不接地系統）

在接地故障發生瞬時，電源經過線路電感給A、B相對地電容充電，而因電容電壓不可突變，A、B相電壓從故障前0.5過渡到故障發生后1.5的過程中，將在線路的等效LC回路中發生高頻率振蕩的過渡過程，高頻振蕩過程中，健全相的相電壓可以等效為直流分量E=1.5（高頻振蕩過程很短，期間的工頻量變化很小，可視作直流分量）與暫態分量U(t)的疊加，即：

C 相發生金屬性接地引起的弧光過電壓過程如圖2所示。

圖2 C相發生金屬性接地引起的弧光過電壓過程

因線路電阻的存在，暫態分量U(t)是一個衰減分量，且最終衰減為0，而直流分量E則為被抬升后的工頻電壓值1.5?？紤]電容電壓不可突變，則在故障發生t=0 時刻，衰減分量瞬時值為U(0) =Ua(0-)-E；該瞬時值為高頻衰減分量的三角函數最大幅值，并隨過渡過程逐漸衰減為0。因此，高頻振蕩過程中，健全相最大相電壓幅值即達到|E|+|Ua(0-)-E|=|1.5|+|0.5 - 1.5|= 2.5。

經過半個周期后，A、B相對地電容上的電壓將等于-1.5，此時接地點的工頻故障電流達到過零點，電弧熄滅。此刻，C 相對地電容電壓依然為熄弧前的值0，電網儲有總電荷值為三相對地的全部電荷q= 2C0(-1.5) =-3C0。由于系統無接地點，電荷無處泄放，其將在三相對地電容間均勻分配。因此中性點產生對地直流電壓uN=q/3C0=-1。由于中性點對地直流電壓的存在，熄弧后的瞬間，A、B相對地電壓為-0.5+（-1）=-1.5，C 相對地電壓為1+（-1）=0，這與熄弧前瞬間電壓水平一致，因此不會產生高頻振蕩的過渡過程。

熄弧后的半個周期內，由于系統中無接地點，中性點對地直流電壓-1將一直存在，各相對地電容電壓均將疊加中性點對地直流電壓，在半個周期后的t2時刻，C相對地電容電壓將達到-2，將大概率引起電弧重燃，一旦重燃發生，則A、B 相對地電壓將從-0.5被瞬間抬升至AC線電壓和BC線電壓的值1.5，由于電壓不能突變，A、B相的等效LC回路上將再次發生高頻振蕩過渡過程，最大振蕩電壓幅值達到|E|+|Ua(0-)-E|=|1.5|+| - 0.5 - 1.5|= 3.5。高頻過渡過程在短時間內衰減后，A、B相對地電壓將穩定維持AC線電壓與BC線電壓水平。

根據以上分析，對過電壓產生過程簡單總結如下。電弧周而復始形成重燃—熄弧的過程，熄弧后的時刻在系統中形成電荷積累并造成中性點對地電壓偏置，導致各相對地電壓最大值被抬升，造成故障點在相對地電壓達到最大值時產生電弧重燃，電弧重燃瞬間造成非故障對地電容電壓的突然變化，在非故障相上形成電壓高頻振蕩的過渡過程，產生高幅值的過電壓。

2.2 限制單相接地故障過電壓的措施分析

根據以上分析，在中大規模光伏電站中壓系統中，如果不采取合理的措施，則易在單相接地故障時發生弧光過電壓。

為限制單相接地時的過電壓，并保證快速切除故障，通?？刹捎弥行渣c經消弧線圈接地系統或中性點經小電阻接地系統[2]。

中性點經消弧線圈接地方式是通過在故障下的零序網絡中增加與容性支路并接的感性支路，使故障點的容性電流被充分抵償，從而避免電弧重燃及過電壓的產生。因此，在單相接地故障發生時，故障線路可在一定時間內繼續運行。

關于中性點經小電阻接地方式限制過電壓的機理，有多種理論支撐，從工頻電流熄弧理論角度出發可解釋如下，在單相接地故障發生并產生電弧時，在電弧熄滅至重燃前的階段，接地電阻為系統向大地泄放電荷提供了通道，中性點的電壓偏移量減小，降低了故障相對地的最大電壓值，在一定程度上降低了電弧重燃的概率，即便電弧重燃產生，重燃后非故障相的電壓比對重燃前時刻的電壓變化量相比于不接地系統的情況有一定的減小，電壓過渡過程的最高電壓幅值勢必減小，即降低了非故障相的過電壓水平。

在新建的中大規模光伏電站中，中壓系統多采用小電阻接地形式，而較少采用經消弧線圈接地形式，分析原因如下。

一是按照GB/T 32900《光伏發電站繼電保護技術規范》以及其他相關運行管理規定，如果采用消弧線圈接地，則須依靠小電流接地選線裝置實現快速選線跳閘；而小電阻接地系統則是依靠判斷故障時的零序電流來識別故障，小電流接地選線裝置的可靠性及靈敏性通常不及后者。

二是中性點經電阻接地相比經消弧線圈接地在設備結構上更加簡單，成本更低，運行維護也更加簡單，設備占地面積相比更小。

在中、大規模光伏電站中，主變低壓繞組通常采用三角形接線，因此需要設置接地變來構造中性點經小電阻接地。接地電阻的大小直接影響單相接地故障時阻性電流的大小，根據參考文獻[3]的研究，阻性電流與容性電流比值IR/IC越大，非故障相弧光過電壓水平將得到越好的限制，當過電壓的限制效果在IR/IC達到2 以上時趨于平緩，而單相接地故障電流過大，則又不利于設備選型。因此，IR/IC通常選擇在1.5～3。

2.3 工程實例計算

以某200MW 光伏電站工程為例，計算電容電流，并選擇中性點接地設備參數。該光伏電站地處山地，項目總容量為260.27456MWp，交流容量為200MW。光伏發電系統就地采用64 臺箱變，通過10 回35kV 集電線路接至220kV 升壓站。35kV 集電線路由直埋電纜和架空線路組成。35kV集電線路型號及長度統計見表1。

表1 35kV集電線路型號及長度統計（單位：km）

35kV集電線路電容電流計算如下。

光伏電站線路分為電纜線路、架空線路。

線路部分單相接地電容電流計算公式：

式中：IC為單相接地電容電流（A）；ICl為單相接地的單位長度電容電流（A/km）；l為線路長度（km）。

電纜線路電容電流IC1計算如下。

結合電纜廠家提供樣本參數，并參照參考文獻[4]的公式（3-1）。本示例電纜集電線路單位電容電流計算結果見表2。

表2 示例電纜集電線路單位電容電流計算結果

單回路架空線路電容電流IC2計算如下。

光伏箱式變壓器電容電流IC3計算如下。

經統計設備廠家數據，光伏箱變的電容電流按0.18A/臺估算。

式中：n為箱變數量。

35kV系統總電容電流計算如下。

考慮0.13 倍的變電站增大系數[4]，總電容電流IC：

2.4 接地電阻選擇

依據參考文獻[2]及參考文獻[5]，因本案例電容電流在10A 以上，故35kV 系統按照小電阻接地型式選擇設備。

單相接地電阻電流Id如下。

單相接地電阻電流Id可按下式選定：

式中：K為配合系數。

根據前文分析，K 值取1.5～3 之間，選取Id為500A。

中性點接地電阻RN

[6]計算如下：

式中：UN為系統額定線電壓（V）。

接地變容量計算如下。

本案例按接地變不兼用站用變考慮。接地變容量應與所接電阻容量相匹配，又由于單相接地故障會被保護快速切除，所以接地電阻匹配的接地變容量僅按短時間過載容量考慮即可，依據IEEEC62.92.3 標準：變壓器在10s 內可按額定容量的10.5 倍容量連續運行，故接地變的容量可僅按中性點接地電阻容量的1/10.5選擇。計算如下。

接地變短時容量為：

考慮10.5倍過載倍數，設計容量計算為：

接地變設計容量取為1000kVA。

3 單相接地故障保護配置與整定

3.1 零序電流作為單相接地故障特征量的機理

針對單相接地故障，可使用零序電流作為單相接地故障的特征量來進行故障判別，使用對稱分量法[1]分析，單相接地短路如圖3所示。

圖3 單相接地短路

圖3示意系統中導體a相發生單相接地短路。故障的三個邊界條件為：

根據對稱分量法原理，將上述相量轉換為對稱分量形式，即：

整理后得到：

根據對稱分量法，寫出短路點的正序、負序、零序網絡電壓方程如下：

同時，短路點短路電流可表示為

可見，發生單相接地短路時，系統中產生了零序電流，且短路點故障電流的大小為3 倍的零序電流。而正常無故障運行情況下，因系統呈三相對稱，理想狀態下是不存在零序電流的。因此，零序電流是單相接地短路的明顯特征量，可以使用零序電流作為單相接地故障的電流判據。

3.2 零序過流保護整定分析

根據以上分析，中、大規模光伏電站可在中壓側匯集母線各饋線回路裝設零序過流保護來切除單相接地故障。對于零序過流保護的整定與配合，分析如下。某光伏電站的簡化等效電路如圖4所示。

圖4 某光伏電站的簡化等效電路

把光伏電站中壓系統與大地視作兩個導體，兩個導體通過各線路的對地電容、接地電阻以及故障短路點相連，依照基爾霍夫定理，流出任意封閉回路的總電流之和等于流入該封閉回路的總電流?，F將“大地”導體視作一個封閉回路，由序網分析可知，零序網絡中的零序電源來自故障點，按照基爾霍夫定理，零序電流從故障點流出大地，從各線路的對地電容以及接地變接地電阻流入大地。

按照保護整定的原則，零序保護需對本段區內故障有足夠靈敏度，同時在區外故障時不動作。為推導零序保護的整定值范圍，需分別探討區內故障與區外故障兩種情況的故障特征量。

假設故障發生在集電線路A 上，零序保護a 安裝位置的零序電流等于除線路A 以外全部系統的對地電容電流與接地變流入大地電流的矢量和，此時零序過流保護應可靠動作；若故障發生在集電線路A 以外區域，則零序保護a 安裝位置的零序電流等于集電線路A 流入大地的電容電流，此時保護a 不應動作。據此零序過流保護可設置過流I 段，按被保護線路末端單相接地故障整定，設置零序過流II段，按躲過本線路電容電流整定，并設置延時，即：

式中：UN為線路額定線電壓有效值；R為接地變所接地電阻額定值；Ksen為靈敏度系數，取2 以上；IC0為本段線路單相故障電容電流值；KK為可靠系數，取1.1以上；tI為零序過流I段延時，可按0整定；tII為零序過流II段延時。

針對接地變的零序過流保護整定分析如下.因中壓系統任意回路發生單相接地短路時，接地變中性點均有較大的阻性電流流過，前文已敘述，該阻性電流取決于接地電阻的大小，通常使IR/IC在1.5 到3 倍，計算可知中性點流過的電流大小接近故障電流。按照參考文獻[6]第5.8.2～5.8.4 條規定，接地變零序過流I段可按接地變所在系統的單相接地故障電流整定，動作時間應與母線各連接元件的零序過流II相配合，作為各元件零序保護的總后備保護使用；零序過流II 段按躲過本線路電容電流整定，動作時間大于I段動作時間，即：

式中：Ik為系統單相接地故障短路電流，可按接地小電阻的額定電阻電流估算；Ksen為靈敏度系數，取2以上；KK為可靠系數，取1.1以上。

3.3 零序電流互感器變比選擇

根據《電流互感器和電壓互感器選擇及計算規程》5.3.1.4 條：“對于在正常情況下一次電流為零的電流互感器，應根據實際應用情況、不平衡電流的實測值或經驗數據，并考慮保護靈敏系數及互感器的誤差限值和動、熱穩定等因素，選擇適當的額定一次電流”；第8.2.1.5 條：“與微機綜合保護配套使用的零序電流互感器應根據系統接地電流值和微機保護二次動作整定值確定互感器額定一次電流”；第8.2.5 條：“當3～35kV 系統電流互感器最大限值電流小于最大系統短路電流時，互感器準確限值電流宜按大于保護最大動作電流整定值2 倍選擇”?？梢?，在選取零序電流互感器額定一次電流及準確限值倍數時，需考慮故障發生時互感器能準確傳變故障電流，以防止保護動作不準確。

以本文中的光伏電站案例為例，考慮單相接地故障時的故障電流，故障電流按小電阻額定電流估算大約為500A?？紤]2倍保護動作靈敏系數，則零序過流I段整定值按250A估算?？紤]與保護動作整定值的配合，則互感器變比選擇50/1 （5）、100/1（5），準確限值倍數選擇10倍較為合適。

4 結語

單相接地短路是系統短路故障的主要故障形式，中、大規模光伏電站因短路電容電流較大，必須設置合理的中性點接地裝置來避免產生弧光過電壓。本文嘗試從過電壓原理分析、相關保護措施分析、單相接地保護原理、整定方案等角度展開討論，并結合一定的工程實例做出計算說明，為工程中合理的設備選型、保護整定配合等提供參考。