・４４・ 水利水电工程设计ＤＷＲＨＥ・２０１２年第３１卷第３期 风电场接地方式与接地保护探讨 吴小洪摘唐焕集郝晓宇 张冬平 要风电场占地面积广、集电线路长、电容电流较大，其接地方式涉及到风电场安全稳定运行，选择一种安全可靠的 接地保护方式是非常重要的，系统地总结了几种接地方式的优缺点，并简要地介绍了电阻接地设备的参数选择，为类似 工程提供一个有益的借鉴。 关键词 单相接地 故障中图分类号ＴＫ８３ 接地电容 电流Ｂ 接地保护 １００７—６９８０（２０１２｝０３—００４４—０３ 文献标识码文章编号风电场由于集电线路长并且分支多，发生单 相接地故障的频次相对较多，容易造成 故障、 箱变避雷器烧坏、线路保护动作以致全场停机， 甚至造成升压站系统侧断路器跳闸等事故。其原 因是场内集电线路的导线在大风时摆动或脱落， 发生对横担、拉线的接地，并发生间歇性放电。 目前风电场１０ ｋＶ和３５ ｋＶ场内集电线路采用中 性点不接地系统，由于线路回路数较多，容性 电流较大，单相接地引起系统状态瞬间改变， 导致了电网中电感电容回路的电磁振荡（即谐振）， 造成弧光接地过电压。为了消除上述影响，根 一（ａ）电路图 赌 乙 （ｂ１相量图 图１一相接地时的中性点经消弧线圈接地系统图 １．２消弧线圈补偿方式 根据消弧线圈中电感电流对接地电容电流的 补偿程度不同，分为全补偿、欠补偿和过补偿３ 据接地容性电流大小不同．目前风电场通常采 用电阻接地、消弧线圈接地及消弧消谐装置等 接地方式 种补偿方式。风电场一般采用过补偿方式。过补偿 可以避免出现电压串联谐振过电压．补偿后残余电流 一般不超过５～１Ｏ Ａ。运行实践也证明，不同电压等级 １ 中性点采用消弧线圈接地方式 在中性点不接地系统中，当单相接地电容电 流超过一定数值时，会在接地点产生电弧，引起 间歇过电压，采取中性点经消弧线圈接地的措施 来减小这一接地电流，熄灭电弧，避免过电压的 产生。 １．１ 消弧线圈的工作原理 的电网，只要残余电流不超过允许值，接地电弧就会 自动熄灭，从而保证电气设备不会受到损坏。 ２中性点采用消弧消谐装置接地方式 ２．１消弧消谐装置工作原理 消弧消谐装置一次原理接线如图２所示。消 弧消谐装置通常采用微机控制方式，具有消弧功 能、Ｐ，ｒ功能及内部与外部各类过电压保护、小电 流选线等功能。根据电压互感器提供的信号，判定 故障类别（ＰＴ断线、金属接地、弧光接地）和相别。 当发生弧光接地时，立即向故障相真空接触器发 出动作命令．将弧光接地转化为金属性接地，使 故障点的电弧立即熄灭，消除了弧光接地过电压。 ２．２消弧消谐装置的缺陷 （１）故障相接地消弧方法在消弧时是一种病 中性点经消弧线圈接地系统运行方式如图１ 所示，系统正常运行时．由于三相电压、电流对 称，中性点对地电位为零，线圈上电压为零，线 圈中没有电流流过。当系统发生单相接地故障时， 流过接地点的电流是接地电容电流，ｃ与流过线圈 的电感电流 之和。由于 超前Ｕｃ９０。，而 滞 后 、９０。，，。与厶相位相反，在接地点相互补偿。 只要消弧线圈电感量选取合适。就会使接地电流 减小到小于发生电弧的最小生弧电流，电弧就不 会产生．也就不会产生问歇过电压。 态运行状态，主要是消弧功能，其过电压保护设备 采用避雷器。并且只能用于线路消弧。 （２）消弧消谐装置不能用于电容电流大于 吴小洪等・风电场接地方式与接地保护探讨 图２消弧消谐接地系统图 ３０ Ａ的系统。 （３）对于容量较小的所用变，由于线路较短， 一旦绕组发生单相接地，消弧消谐装置动作短接 一部分电源，但速断过流保护又不会动作，由此 将会造成很大的事故。如云南杨梅山风电场２０１０ 年３月１１日出现单相接地，就造成１台所用变、 ２台箱变及避雷器损坏。 （４）消弧消谐装置退出消弧时可能引发ＰＴ铁 磁谐振。 （５）消弧消谐装置需要１００ ｍｓ以上时间才能 实现消弧。 ３中性点采用电阻接地方式 ３＿１ 电阻接地的工作原理 中性点经电阻接地方式，即是中性点与大地之 间接人一定电阻值的电阻。该电阻与系统对地电 容构成并联回路．由于电阻是耗能元件，也是电 容电荷释放元件和谐振的阻压元件，对防止谐振 过电压和间歇性电弧接地过电压，有一定优越性。 中性点经接地变压器并在变压器二次侧接人 合适电阻的接地方式，就是中性点经高电阻接地， 变压器的作用二次侧使低压电阻起到高压大电阻 的作用，如此可以简化电阻器的结构，降低产品 成本，并且便于布置安装。此种接地方式的优点 是当系统发生接地故障时，电阻产生功率损耗． 以降低故障电流。由于高电阻增大了回路的阻尼 率，对过电压的幅值和陡度有明显的阻尼作用． 从而保证电位偏移不会引起串联谐振过电压。 ・４５・ 采用电阻接地方式．一旦发生单相接地故障， 产生一个三相不平衡电流，用零序电流互感器很 容易检测到．因此可通过零序保护装置可靠迅速 地检测并切除故障．从而有效地保证了电网的安 全稳定运行。 ３＿２电阻值的选择 系统中性点经低电阻接地方式中电阻值的选 取一般需考虑以下几个方面：（１）限制系统过电压 水平；（２）保证系统继电保护动作的灵敏性；（３）降 低人身触电危险；（４）降低对通信线路的干扰。 其中后两个因素主要受故障电流影响，但可 通过现场采取一定的措施弥补，如设置均压网、 使用带屏蔽层通讯电缆等，所以在选取电阻值的 过程中不做主要考虑因素。 确定电阻值一般是先确定系统三相对地电容 电流，在满足限制系统过电压水平的前提下，确 定系统中性点注入的最小阻性电流，再结合现场 具体情况确保注入的阻性电流保证继电保护动作 的灵敏性，两种情况注入的阻性电流取较大值． 最后按照系统单相金属性接地故障的情形计算相 应的电阻值。 图３给出了中性点电阻接地网络中过电压的 倍数（ ）与有功电流厶和电容电流，ｃ的比值关系。由 图可见，有功接地电流为０．８，ｃ时，已经能够满足 限制系统过电压水平的要求，但此时注入阻性电 流不能保证系统动作的灵敏性。由于系统发生故 障时非故障相流过的电流为自身线路对地的容性 电流．故障相流过的电流为系统对地容性电流和 中性点阻性电流之和，但中性点阻性电流是按照 系统金属性单相接地故障类型考虑，而实际系统 图３ 过电压的倍数与有功电流厶和电容电流，ｃ比值的关系 发生单相接地故障时电流远远小于设计值，考虑 过渡电阻的影响和继电保护动作的灵敏性，为保 ・４６・ 水利水电工程设计ＤＷＲＨＥ．２０１２年第３１卷第３期 证系统故障时继电保护有足够的灵敏性以便于故 障线路能够迅速可靠的切除，当过渡电阻较小时． 系统中性点经低阻接地系统中注入的阻性电流一 般选取（２～３）／ｃ，但当过渡电阻较大时，为保证系 统动作灵敏性注入的阻性电流要求远远大于系统 容性电流。 根据近年来产品的制造及运行经验．对不同 ３５ ｋＶ系统中性点电阻值的选取推荐如表１、２ （表中值仅供参考，最终电阻值的选取以工程实际 情况确定为准）。 表１系统为纯电缆线路时 ４结论和建议 风电场场内集电线路均采用中性点不接地运 行方式．一旦产生弧光接地、过电压以及大的接 地电流．对电气设备的危害是十分严重的，因此 选择一种安全可靠的接地保护方式是十分重要的。 消弧线圈接地方式的特点是当发生单相接地 故障时，可以带故障短时运行一段时间，这对于 风电场风机的运行十分有利，也是以往风电场普 遍采用的一种接地方式，但对于电力系统而言， 则要求风电场一旦发生接地故障。快速切除故障， 从而最大限度保证电网的安全稳定运行。国家电 网调（２０１ １）９７４号文件关于“风场并网运行反事故 措施要点”要求，风电场汇集线系统应采用经电 阻或消弧线圈接地方式，不应采用不接地或经消 弧消谐柜接地方式。经消弧线圈接地的汇集线系 统发生单相接地故障时，应能可靠选线，快速切 除；经电阻接地的汇集线系统发生单相接地故障 时，应能通过相应保护快速切除，同时应兼顾机 组运行电压适应性要求 为满足电网要求，目前风电场若采用中性点 经消弧线圈接地方式，则消弧线圈推荐采用偏磁 式可无级调节形式，并加装小电流选线装置。 偏磁式消弧线圈带有自动跟踪补偿控制系统． 当电网发生单相接地故障时．可自动跟踪补偿电 网中单相接地电容电流，对电网电容电流自动实 施最快速自动补偿，使故障点电流小于允许值。 偏磁式消弧线圈控制器选用ＤＳＰ芯片控制，测量 精度高，响应速度快，利用施加直流励磁电流， 改变铁芯上的磁导，可以带高压状态以毫秒级速 度调节电抗值，补偿响应时间不超过２０ ｍｓ，可实 现无级、连续、静态的调节。 虽然目前根据电网要求来看，对于风电场汇 集线系统采用经电阻或消弧线圈接地方式都是可 行的，但从技术性和经济性综合性考虑，采用经 电阻接地方式具有明显的优越性，未来的电网发 展趋势是消弧线圈接地方式将逐渐被电阻接地方 式所取代。 由于风电场运行方式的多样化及弧光接地点 的随机性，消弧线圈要对电容电流进行有效补偿 确有难度，且消弧线圈仅仅补偿了工频电容电流。 而实际通过接地点的电流不仅有＿Ｔ频电容电流。而 且包含大量的高频电流及阻性电流，严重时仅高频 电流及阻性电流就可以维持电弧的持续燃烧。另外 当集电线路发生断线、非全相、同杆线路的电容耦 合等非接地故障．使集电线路的不对称电压升高． 可能导致消弧线圈的自动调节控制器误判集电线路 发生接地而动作，这时将会在集电线路中产生很高 的中性点位移电压，造成系统中一相或两相电压升 高很多，以致损坏电网中的其它设备。而采用电阻 接地方式，一旦发生单相接地故障，其继电保护装 置能够可靠迅速地检测并瞬时切除故障，从而有效 地保证了电网的安全稳定运行。 作者简介 吴小洪 男 高级工程师 中国福霖风能公司北京 １０００３４ 唐焕集 男 助理工程师 中国福霖风能公司北京 １０００３４ 郝晓宇 男 工程师 中国水电建设集团新能源开发有限责 任公司 北京１０００４４ 张冬平 男 工程师 龙源电力集团安生部 北京 １０００３４ （收稿日期２０１２－０５－２３）
