现行风电场设计中接地方式探讨

摘要：探讨在2011年上半年多个地区风电场大面积脱网的情况下，国家电网公司颁布国家电网（2011）974号文（关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知）后，风电场汇集线系统接地方式的建议。

关键词：风电场，接地方式

Abstract: discusses in the first half of 2011 multiple areas of large area to take off the nets of wind farms, issued by state grid corporation of state grid (2011) no. 974 wen (about print and distribute wind parallel operation anti-accident measures points notice), wind farms collection line system grounding method of Suggestions.

Keywords: wind farms, grounding method

中图分类号： U264.7+4文献标识码：A 文章编号：

近年来全球风能市场经历快速增长，而中国的风能发展也发展强劲，专家预计，中国未来每年将增加200亿瓦的发电功率这相当于20个核电站的产能。随着中国风能产业的蓬勃发展，风电场的规模越来越大，装机规模为200MW的风电场已经很普遍。

但由于在2011年年初连续出现的几起风电场大面积脱网现象，风电场在接入系统方面受到了一定制约，其中在国家电网（2011）974号文（关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知）中对风电场的中性点接地问题做了明确的规定：“风电场汇集线系统单相故障应快速切除。 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柜接地方式。 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。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。”

一、当汇集线系统发生单相接地故障时，系统内会产生单相接地电容电流，单相接地电容电流的数值对接地系统中接地设备的选择起着决定性的作用。单相接地电容电流的计算一共分两种情况：

1.汇集线采用电缆方式的单相接地电容电流的计算方法有以下两种：

（1）根据单相对地电容，计算电容电流

Ic=√3×Ue×ω×C×10-3

式中: Ue━电网线电压(kV)

C ━单相对地电容(F)

一般电缆单位电容为200-400 μF/km左右

（2） 根据经验公式，估算电容电流

Ic=0.1×Ue ×L

式中: Ue━电网线电压(kV)

L ━电缆长度(km)

2. 汇集线采用架空线路方式电容电流的计算有以下两种：

（1） 根据单相对地电容,计算电容电流(电力工程电气设计手册)。

Ic=√3×Ue×ω×C×10-3 (公式1-3)

式中: UP━电网线电压(kV)

C ━单相对地电容(F)

一般架空线单位电容为5-6 pF/m。

（2） 根据经验公式,计算电容电流(电力工程电气设计手册)。

Ic= (2.7~3.3)×Ue×L×10-3 (公式1-4)

式中: Ue━电网线电压(kV)

L ━架空线长度(km)

2.7━系数，适用于无架空地线的线路

3.3━系数，适用于有架空地线的线路

同杆双回架空线电容电流(见参考文献3) ：Ic2=（1.3~1.6）Ic （1.3-对应10KV线路,1.6-对应35KV线路, Ic-单回线路电容电流）

根据上式计算出得单相接地电容电流值来计算中性点接地设备的参数。

二、风电场汇集线系统的中性点接地方式是一个综合性的问题，与电压等级、单相接地电容电流、系统供电的可靠性和连续性都有着很大的关系。下面结合单相接地电容电流的计算值简单谈一下国家电网（2011）974号文中允许的几种中性点接地方式。

1.接地变压器带消弧线圈方式

采用接地变压器带消弧线圈方式来解决汇集线系统发生单相接地故障的问题主要是利用消弧线圈补偿电容电流，保证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间歇接地过电压。主要接线形式如下：

消弧线圈的补偿容量利用以下公式计算，

Q=K×IC×Ue/√3

式中：

Q――补偿容量，kVA

K――系数，过补偿取1.35，欠补偿按脱谐度确定

IC――集电线路电网的电容电流，A

Ue――集电线路的系统标称电压，kA

2. 经电阻接地方式

采用经电阻接地方式来解决汇集线系统发生单相接地故障的问题与采用消弧线圈方式相比，改变了接地电流的相位，加速泄放回路中的残余电荷，促使接地电弧自熄，从而降低弧光间隙接地过电压，同时可提供足够的电流和零序电压，使接地保护可靠动作。汇集线系统经电阻接地的方式有两种方式，一种是设置接地变压器，接地变压器为Zn接线方式；还有一种是选用主变压器带平衡绕组，主变压器接线为Yy0接线方式。

2.1接地变压器带接地电阻，主要接线方式如下：

电阻的额定电压：Um≥1.05×Ue/√3

电阻值：RN=U7/IR

接地电阻的功率：PR=IR×Um

式中：

RN――中性点接地电阻值

Ue――系统标称电压

IR――选定的单相接地电流

IR>KIC

式中：

K――系数，取1-2

IC――集电线路电网的电容电流，A

接地变压器容量的选择可以根据计算容量充分考虑到电阻接地时接地变压器工作时间很短，可充分考虑利用变压器的过负荷能力。

2.2带平衡线圈方式

电阻值的选择与接地变压器的接地电阻选择方式相同，接地电阻接在主变压器低压侧的中性点上。主要接线方式如下：

三、现在以一个风电场为例，风电场规模为200MW，主变压器配置方式为2×100MVA，集电线路电压等级为35kV。风电场主接线单线图如下。

（1）每段35kV母线上接的集电线路回路数为6回，采用电缆作为集电线路方式，总长度约为80公里。根据公式单相接地电容电流的计算公式，本风电场单相接地故障电容电流为280A。

补偿方式 补偿设备参数

消弧线圈 补偿容量≥7638kVA;

接地变压器带接地电阻 接地电阻值为56Ω

接地变压器容量为≥802kVA

（其中，K取1.35，过负荷系数取10倍）

带平衡线圈方式 接地电阻值为56Ω

从上表可以看出，采用消弧线圈补偿方式对于单相接地故障电容电流较大的系统会发生补偿容量过大，设备制造费用高，按照传统的消弧线圈的调节级数容易发生级数少、自动调节范围大、极差电流大、补偿精度低，达不到消弧目的；采用经电阻接地的方式，设备制造费用不高，能够在系统发生单相接地故障时，通过相应保护快速切除。

（2）每段35kV母线上接的集电线路回路数为6回，采用架空线路作为集电线路方式，总长度约为80公里。根据公式单相接地电容电流的计算公式，本风电场架空线路单相接地故障电容电流为9.24A，考虑到风机连接架空线路电缆及集电线路进站电缆，本风电场单相接地故障电容电流为38.22 A。

补偿方式 补偿设备参数

消弧线圈 补偿容量≥1042.6kVA;

接地变压器带接地电阻 接地电阻值为411Ω

接地变压器容量为≥109.47kVA

（其中，K取1.35，过负荷系数取10倍）

带平衡线圈方式 接地电阻值为411Ω

从上表可以看出，采用消弧线圈补偿方式对于单相接地故障电容电流较小的系统补偿容量比较合适，而且传统消弧线圈按地电容电流大小的不同，采用的调节级数也不同，一般分五级或九级，级数少、级差电流大，补偿精度很低。单相接地时，由于补偿方式、残流大小不明确，用于选择接地回路的微机选线装置更加难以工作。此时不能根据残流大小和方向或采用及时改变补偿方式或调档变更残流的方法来准确选线。该装置只能依靠含量极低的高次谐波（小于5%）的大小和方向来判别，准确率很低，这也是过去小电流选线装置存在的问题之一。

架空线路瞬间故障多，单相接地电容电流小，如果采用消弧线圈，消弧线圈容量比较小，可防止瞬间故障跳闸，避免了紧急停机给风机带来的损害。而电缆线路多数为永久故障，采用小电流接地迅速跳闸，短时故障少，风机切除停电不可避免。为了达到在风电场汇集线系统中准确选线，快速切除单相接地故障，同时又兼顾机组运行电压适应性要求，避免紧急停机给风机带来的损害，应该增加消弧线圈的选线精度，同时加强更电机组的高电压穿越能力。这样才能保证风电场的可靠、安全、经济运行，又可以满足满足系统对风电场的运行要求。

参考文献：

1. 电力工程电气设计手册

2. 中国电力工程顾问集团公司企业标准《风力发电场电气设计技术导则》

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。