风电场不同接地方式下单相接地故障切除方法的探讨

风电场不同接地方式下单相接地故障
切除方法的探讨
新疆电力调度通信中心冯小萍孙立成常喜强崔大林
[摘要]本文通过比较小电流接地选线和常规接地保护的原理及优缺点，探讨风电场35kV 汇集系统中性点经消弧线圈接地和中性点经电阻接地两种方式下对单相接地故障不同的切除方法，寻找适合现有风电厂汇集系统单相接地故障的保护方法。

[关键词]小电流接地选线；零序电流保护；汇集系统；接地方式
前言
随着国家绿色能源的进一步崛起，风力发电在我国得到了迅猛的发展，尤其是新疆的达坂城及哈密十三间房地区，由于其特殊的地理位置，常年劲风不断，风能资源极为丰富，今年上述地区将有几个大型的风电场并网，风电场的大规模接入使得地区电网结构发生了很大变化，对现有电网的安全稳定运行带来影响。

当风电场汇集系统发生单相接地故障时如何选择合适的方法来快速切除故障，对于防止单相接地故障发展成相间故障造成风电大面积脱网极为重要。

1小电流接地系统与大电流接地系统零序保护区别
中性点直接接地（包括经小电阻接地）的系统，当发生单相接地故障时，接地电流一般都比较大，所以称为大电流接地系统。

中性点不接地或经消弧线圈接地的系统，发生单相接地故障时，由于不构成短路回路，接地短路电流比负荷电流小很多，这种系统称为小电流接地系统。

小电流接地系统发生单相接地故障时，零序电流的大小为其他非故障线路非故障相电容电流之和。

大电流接地系统发生单相接地故障时，其零序电流的大小为其他两相电流之和，所以可以用自产零序来作为零序电流保护的动作判据。

对于变压器来说，小电流接地系统中性点是不接地的，所以其中性点没有专门的零序电流互感器，而对于大电流接地系统来说，中性点是直接接地（或经小电阻接地）的，所以其中性点可以装专门的零序电流互感器来检测流过中性点的零序电流，因此大电流接地系统有中性点零序电流保护和接地零序电流保护。

目前，对于中性点不接地或经消弧线圈接地的小电流接地系统一般采用小电流接地选线装置跳闸来切除故障，对于中性点直接接地或经低电阻接地的大电流系统一般采用常规零序电流保护。

2常用的几种小电流选线原理
近年来，电力系统出现了多种小电流接地选线原理，对应各种原理许多厂家也开发了不少装置，大致有以下几种。

（1）零序电流比幅法是利用流过故障元件的零序电流在数值上等于所有非故障元件的对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过比较零序电流幅值大小就可以找出故障线路。

（2）零序电流相对相位法是利用故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方向相反的特点，分别从线路流向母线或由母线流向线路，就可以找出故障线路。

（3）注入法是利用单相接地时原边被短接，暂时处于不工作状态的接地相PT人为地向系统注入一个特殊信号电流，用寻迹原理即通过检测，跟踪该信号的通路来实现接地故障选线。

（4）注入变频信号法是利用故障后位移电压大小的不同，然后监视各出线上注入信号产生的零序电流功角、阻尼率的变化，比较各出线阻尼率的大小，在计及线路受潮及绝缘老化等因素可得出选线判据。

（5）能量法是利用能量函数总是大于零，消弧线圈的能量函数与非故障线路极性相同，故障线路的能量函数总是小于零，并且其绝对值等原因与其他线路（包括消弧线圈）能量函数的总和的特征，提出方向判别和大小判别两种接地选线方法。

（6）基于小波变换的接地选线原理是利用小波分析对暂态信号和微弱信号的变化较敏感，能可靠提取出故障特征。

3小电流选线存在的难题
为降低单相接地电容电流过大造成的各种危害，在配电网的中性点装设消弧线圈，由消弧线圈的电感电流补偿单相接地电容电流，由于小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，数值甚小，经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小，这就使选线的难度加大。

目前，现有的小电流接地选线原理都有其局限性，本文举例说明国内现阶段比较流行的零序电流比幅法、零序电流相对相位法、信号注入法三种选线方法的不足。

（1）零序电流比幅法：这种方法不能排除CT不平衡的影响，受线路长短、系统运行方式及过渡电阻大小的影响，且系统中可能存在某条线路的电容电流大于其它所有线路电容电流之和的情况，装置易发生误动，不适用于经消弧线圈接地的系统。

（2）零序电流相对相位法：这种方法在线路较短，零序电压、零序电流值较小时，相位判断困难，不能适用于谐振接地时完全补偿、过补偿运行方式。

（3）信号注入法：虽然接线简单，不需零序CT回路，但由于注入信号大小及方法的限制一般主要用于10kV及以下电压等级系统，另外，探头的灵敏度和可靠性易受各种外界
因素影响。

4阶段式零序电流保护原理及优点
在大电流接地系统中发生接地故障后，有零序电流、零序电压和零序功率出现，利用这些电量构成保护接地短路故障的继电保护装置统称为零序保护。

阶段式零序电流保护利用正常运行时没有零序电流，在接地故障时才有零序电流可以区分正常运行和接地短路。

同时，根据短路点越靠近保护安装处，流过保护的零序电流越大，可以区分短路点的远近，实现在近处短路时以较短的延时切除故障而在远处故障时以较长的延时切除故障以满足选择性要求。

零序电流保护优点主要有以下五个方面：
（1）结构及工作原理简单。

零序电流保护以单一电流量作为动作量，而且只需用一个继电器便可以对三相中任一相接地故障做出反应，使用继电器数量少、回路简单、试验维护简便，动作正确率高。

（2）整套保护中间环节少，特别是对于近处故障，可以实现快速动作，有利于减少发展性故障。

（3）在电网零序网络基本保持稳定的条件下，保护范围比较稳定。

（4）保护反应零序电流的绝对值，受过渡电阻的影响较小。

（5）保护定值不受负荷电流的影响，也基本不受其他中性点不接地电网短路故障的影响，所以保护延时段灵敏度允许整定较高。

5风电场汇集系统保护选择
目前，新疆电网并网风电场的35kV汇集系统多数为中性点不直接接地方式，如果采用小电流接地选线装置跳闸来切除单相接地故障，由于现有选线原理不成熟易造成选线错误，误切非故障线路。

此外，供电变压器35kV侧多为三角形接线，为解决上述问题，可以通过在35kV母线上增加一台接地变压器，让其经小电阻接地，将原有中性点不接地系统变为中性点经低电阻接地的大电流接地系统，通过配置两段式零序电流保护（可选配三段式接地距离保护），实现有选择性的跳闸来隔离故障。

同时，还可以加速泄放回路中的残余电荷，促使接地电弧自行熄灭，限制过电压。

中性点经低电阻接地系统，零序电流Ⅰ段可按对本线路末端单相接地故障有足够灵敏度，动作时间满足机组运行电压适应性要求来整定；零序电流Ⅱ段按对本线路末端经电阻单相接地故障有灵敏度并可靠躲过线路电容电流，时间可比零序电流Ⅰ段多一个级差来整定。

接地距离保护阻抗定值整定与相间距离保护相同（即：距离Ⅰ段按本线路末端相间故障有灵敏度整定；距离Ⅱ段，按本线路末端相间故障有灵敏度整定，并尽量对相邻元件有远后备作
用；距离Ⅲ段，按躲过线路最大负荷电流时负荷阻抗整定），动作时间应满足机组运行电压适应性要求。

6结论
现有小电流接地系统接地选线保护原理均有一定的局限性，为快速有选择性切除单相接地故障线路采用在风电场35kV汇集母线加装接地变，并让其经小电阻接地来实现。

参考文献
[1] 陈永明，等.小电流接地系统故障选线装置应用原理及发展方向[J].动力与电气工程. 2009,15:135-137。

[2] 肖白，等.小电流接地系统单相接地故障选线方法综述.继电器[J].2001,29（4）：16-20.
[3] 毛锦庆，等.电力系统继电保护实用技术问答（第二版）[M].北京：中国电力出版社.2000.
[4] 高中德，等.国家电网公司继电保护培训教材（上册）[M].北京：中国电力出版社.2009.
[5] 西电调字[2011]104号.关于印发西北并网风电场继电保护配置及整定技术规定（试行）的通知.。