0 引言

随着风电场装机容量不断提高，场内集电线路的长度及回路数量不断增加，对风电场集电线路的持续稳定运行提出了更高要求。越来越多的风电场集电线路青睐于电力电缆，而电力电缆线路在运行中存在着较大的对地电容电流，极易产生间歇性弧光过电压，对电气设备及人身安全造成威胁^[1-2]。为了防止弧光过电压，大型风电场35 kV侧多数选用中性点经电阻的接地方式。但如果中性点接地电阻阻值选择不正确，会造成集电线路零序继电保护无法正常动作。本文以某风电场实例，对中性点接地电阻阻值选取不合理导致零序保护无法同时满足灵敏性和选择性的问题进行分析，并通过优化阻值解决了该问题。

1 风电场概况及集电线路电容电流计算 1.1 风电场主接线方式

某风电场实际装机容量130 MW，汇集风电场内风机所发电能后，通过一回220 kV架空线路接入对侧220 kV变电站。升压站内220 kV侧采用线变组接线方式，35 kV侧采用单母线接线方式，35 kV侧设置1套无功补偿装置、1套接地成套装置（主要设备为接地电压器和接地电阻器），风电场内集电线路采用35 kV全电缆敷设6回电力电缆，接至220 kV升压站35 kV配电装置室。简化后的风电场主接线图见图 1，典型1回集电线路接线图见图 2。

1.2 接地成套装置主要参数

由图 1可知，升压站内主变压器为Y/△接线方式，35 kV低压侧为不接地系统。接地成套装置可为不接地系统提供人为的中性接地点，为单相接地故障电流提供零序回路。接地成套装置主要参数见表 1。

1.3 集电线路电容电流计算

在用的电力电缆电容电流计算公式均有其运用的局限性^[3-4]。随着测量仪器精度的提高，各电力电缆生产厂家均能准确提供单位长度电缆的电容值、电阻值等相关参数，且在实际运行过程中可通过测量得到电力电缆电容电流值，设计过程中可根据公式（1）得到各回集电线路对地电容电流值，计算结果见表 2。

(1)

式中  I_C—本回集电线路对地电容电流，A；

ω—系统角速度，rad/s；

U_e—系统额定电压，kV；

C—单位长度电缆电容值，μF/km；

L—本回集电线路长度，km。

由表 2可知，线路实测电容电流值与计算值基本一致，35 kV集电线路的总对地电容电流计算值为264.52 A。若考虑风电场电气设备对地电容电流13%附加值^[5]，则该风电场35 kV侧总的电容电流值为298.91 A。

2 集电线路单相接地时故障电流分析 2.1 故障网络分析

第1回集电线路L1相发生单相接地故障时，故障网络零序电流分布图如图 3所示，零序网络向量图如图 4所示。图 3中第1回集电线路L1相发生单相金属性接地故障时，L1相对地电压为0，正常相L2相和L3相对地电容电流I′_L2、I′_L3流入接地故障点，汇集其他正常运行集电线路（第2回、第3—6回集电线路）对地电容电流及流经系统中性点的零序电流后，经第1回故障线路L1相流入35 kV母线，最后经接地变压器L1相绕组返回，形成零序故障电流的完整闭合回路。零序网络向量图中，I_X0对单相接地故障电流大小的影响一般在1%~5%，基本可以忽略不计；I_N由接地成套装置中性点电压升高至相电压产生。

2.2 单相接地时接地成套装置零序电流值计算 2.2.1 中性点位移电压计算

系统正常运行时，接地成套装置相当于空载状态，系统中性点的位移电压计算公式为：

(2)

式中  U—中性点位移电压，kV；

U_N—系统相电压，kV；

ρ—电网的不平衡度；

d—系统的阻尼率。

其中，，（C_L1、C_L2、C_L3分别为系统相对地电容），对于电缆线路，ρ的数值一般在1.0%以下；

对于中性点经小电阻接地电网，

(3)

式中  g_c—相对地泄漏电导，S；

R_N—中性点接地电阻值，Ω；

C—相对地电容，F。

由于3g_c远小于1/R_N，则，阻尼率d值一般在1~4。

由式（2）可知，中性点位移电压与电网不平衡度ρ及阻尼率d有关，由于接地电阻的强阻尼作用，中性点位移电压小于系统相电压，在实际计算中可忽略不计。

2.2.2 接地成套装置零序电流计算

相对于接地变压器的零序阻抗，其正序阻抗及负序阻抗小得多，在实际应用分析中可忽略不计，同时由上文分析可知中性点位移电压可不计，则单相接地时接地变压器的零序电流I_N如式（4）所示。

(4)

式中  I_n0—接地变压器的每相零序电流值，A；

Z₀—接地变压器零序阻抗，Ω。

根据式（4）计算出该风电场中性点的零序电流值为：

2.3 集电线路零序电流保护整定分析 2.3.1 系统最小零序电流

如图 4所示，流过集电线路故障点的零序电流I_JD等于流过中性点电阻电流I_R与流过中性点的电抗电流I_X0及集电线路所有非故障运行相的对地电容电流I_C∑的向量和，即：

(5)

其中，I_R、I_X0为固定值，因此当I_C∑最小时，可得到系统最小零序电流I_JDmin值。

由表 2可知，当第1—5回集电线路中某一回集电线路出现单相接地故障时，同时有且仅有第6回集电线路正常运行时，可得到系统最小零序电流，则：

式中  I₆—第6回集电线路的电容电流值，A。

2.3.2 集电线路保护定值校验

当集电线路发生单相接地故障时，文献[6]规定流过集电线路（馈线）保护装置的零序电流保护应有不小于2的灵敏度（灵敏性要求），同时零序电流保护应能保证可靠躲过本回集电线路的对地电容电流值（选择性要求）。集电线路的零序电流整定需同时满足上述要求，保护装置才能正确动作，即需满足以下两个公式的要求。

(6)

(7)

式中  I_DZ—本回集电线路保护定值电流，A；

K_LM—灵敏系数，取值为2；

K_K—配合系数，取值为1.5^[6]，

风电场各集电线路零序保护定值校验结果见表 3。由表 3可知，原各回集电线路保护定值均相同，第4、第5回集电线路零序继电保护装置的保护定值无法同时满足公式（5）的要求。若4回（或5回）集电线路零序定值按照式（5）整定，则4回（或5回）集电线路出现单相接地故障时，4回（或5回）集电线路继电保护装置将误动作，若4回（或5回）集电线路按照式（6）整定，当4回（或5回）集电线路发生单相接地故障时，4回（或5回）集电线路继电保护装置达不到整定值而不动作。

出现上述问题的主要原因为选择的中性点接地电阻值偏大，当集电线路发生单相接地故障时，通过中性点电阻的故障电流偏小，集电线路零序电流保护无法同时满足灵敏性与选择性要求。

3 优化方案

优化接地成套装置内的接地电阻值，使单相接地电流足够大，以满足继电保护装置正常动作，即同时满足零序电流保护的选择性及灵敏性，要求继电保护装置不发生误跳闸，同时零序保护定值不易过大，当非故障线路的对地电容电流发生变化时，保护装置能够正确动作。

3.1 中性点电阻值选取

采用中性点经低电阻接地方式时，要求流过中性点电阻的阻性电流值不小于容性电流值I_R=（1~ 1.5）I_C∑，以限制间歇性弧光接地时的过电压水平在2.6倍的相电压内（为高压电动机、电力电缆可以承受的最大过电压倍数）。研究表明^[8]，采用减少电阻值的方式提高电阻接地电流，降低内过电压，效果不明显；同时为了保证继电保护装置能够正确动作，要求单相接地故障电流大于线路的电容电流。中性点电阻R_N按照式（8）进行选择。

(8)

对图 4进行分析可知，流过集电线路故障点的零序电流I_JD =I_N +I_C∑，数值计算时：

由以上分析可知I_R ≫I_C∑，这里取I_R =I_C∑，故式（8）可转换为：

I_C∑值取集电线路发生单相接地时最大故障对地电容电流（见表 2），当且仅当第6回集电线路发生故障，其他集电线路正常运行时，可以取到最大故障对地电容电流。则有：

此时流过接地变压器中性点的零序电流I_N为：

3.2 接地变压器容量的校验

国产接地变压器成套装置中接地变压器的技术参数及铭牌中只标识了变压器连续运行额定容量、零序电抗等，未对短时允许过载容量进行标识，需根据接地变压器的额定电压、短时通流时间、短时允许电流等参数将短时允许过载容量转换为变压器连续运行额定容量供实际工程选择使用。文献[9]提供了接地变压器短时允许过载容量的计算方法，但未对如何转换为连续运行额定容量的算法进行说明，文献[10]提供了2种将接地变压器的短时允许过载容量转换为连续运行额定容量的算法，算例结果分析表明这2种算法的计算结果基本一致，均可在实际工作中运用。本文综合文献[9-10]的算法得出接地变压器容量的计算公式如式（9）。

(9)

式中  S_d.r—变压器的短时允许过载容量，kVA；

P_R—接地电阻消耗的功率，kW；

U_R—电阻额定电压，kV；

S_e.r—接地变压器连续运行额定容量，kVA；

K—短时允许过载系数。

根据IEEE—C62.92.3标准中对接地变压器的短时允许过载系数的规定，过载系数K取值见表 4。根据继电保护的相关要求，单相接地故障持续时间不大于10 s，因此接地变压器短时允许过载系数K取10.5。

根据式（9）可得接地变压器额定容量为742.42 kVA，本风电场所选接地变压器容量为1000 kVA，满足容量要求。

综上分析可知，仅需将接地成套装置中电阻器的阻值调整为55 Ω即可满足运行要求，因电阻器为片装结构，因此只需去掉部分电阻片或短接部分电阻片即可满足电阻值要求。优化后的接地成套装置参数见表 5。

3.3 优化后集电线路零序继电保护定值校验

根据式（4）可得优化后接地变压器零序电流为：

根据式（5）可得系统最小零序电流为：

根据式（6）、（7）对优化后集电线路各回路继电保护定值进行校验，结果见表 6。表 6数据表明优化后的风电场各集电线路发生单相接地故障时，零序电流保护定值均可满足灵敏性及选择性的要求。同时各回路对地电容电流值不同，为了保证每回集电线路继电保护装置能正确动作，各回路零序保护定值应分别设置。

4 结语

为保证风电场集电线路在发生单相接地故障时，零序电流继电保护能够准确可靠动作，防止事故进一步扩大，本文结合风电场实例对单相接地故障电流进行分析，优化了接地成套装置中电阻器的阻值使其能满足继电保护的要求，同时优化了集电线路的零序保护整定方法，均达到了预期效果。