风电场集电系统接地方式及相关保护方案探讨

风电场集电系统接地方式及相关保护方案探讨

摘要：随着风电场容量的增加，架空线路长度增长，系统单相接地电容电流不

断增大，架空线路的单相接地故障不能及时切除，有可能发展为两点或多点接地

短路故障，导致风电场风机大面积停机。中性点接地方式选择是风电场安全运行

所涉及的关键问题之一，合理地选择风电场主变的中性点接地方式，有利于防止

故障的发展及大面积停机事件，提高风电场运行的安全与稳定。我国现有的中性

点接地方式主要分为不接地系统、经消弧线圈接地系统和经电阻接地系统等方式。本文主要对中性点经电阻箱接地方式选择及相关保护方案进行探讨。

关键词：风电场；集电线路；接地方式；相关保护

1 风电场升压站的中性点接地方式选择

1.1集电线路的选型与中性点接地方式选择

风电场根据地区的地形地貌一般选择以架空线路为主，在风机箱变低压侧采

用电力电缆的接线方式。架空线路接地的绝大部分因素是因气候条件和外部因素

造成，故障多发生为间歇性接地，由于查找架空线路故障点要较长时间，如不及

时跳闸，故障点在恶劣天气条件下，很容易发生相间短路，扩大事故。这种情况

下采用中性点经电阻接地，可以快速切除接地故障，同时避免了汇集线路带“病”

运行的很多弊端，确保风电场安全稳定运行。

1.2接地电阻的选择

风电场集电系统中性点接地电阻的大小由阻性大小来决定，而实际应用的阻

性电流根据集电线路的电容电流来确定。中性点经电阻接地原理是当系统发生单

相接地时，故障点的电弧从熄灭到重燃一般为半个周期，非故障相的电容电流经

中性点流经电阻，并释放大量的电荷。补偿后的阻性电流不小于容性电流时，一

般选择Ir为1.25-1.5倍的Ic，可将间歇性孤光过电压限制在2.6倍。同时电阻性

电流大小的选择该应接地保护的灵敏度，一般灵敏系数为2倍。

以宁夏区域某风电场升压站为例，宁夏区域某风电场每台变压器容量为

50MW，主变低压侧经电阻柜接地，每台主变带33台1500kW容量的双馈发电机，机组出口电压为690V，机组箱变容量为1600kVA变压器，采用一机一变的接线

方式，经三条架空线送至升压站变压器低压侧，经主变升压到110kV后并入电网。风电场低压侧为35kV系统，35kVⅠ母所连接的三条架空线路长度约为20km，箱

变低压侧与风机连接的电力电缆长度约为1.3km，35kV集电线路电容电流约为73.5A，按照上诉原则，该风场单相故障时电阻性补偿电流选择约为91.8A，则主

变中性点接地电阻柜电阻选用R=（35000/1.732）/91.8=220Ω.

2.风电场集电系统保护配置和整定原则

2.1集电保护装置配置方案

不接地系统配置保护主要包括：无时限电流速段保护和定时限过电流保护，

由于与风机连接，不投重合闸。当风机线路发生单相接地故障后，运行人员根据

监控报警提示后，很难快速、准确的拉掉故障线路，也只能根据监控画面中的电流、电压变化来推断哪条汇集线路发生故障，有可能造成非故障线路的停运甚至

整个风场线路的停运，也给运行值班人员带来了不小的麻烦。

中性点经电阻接地系统发生单相接地故障时，中性点接地电阻系统向故障点

提供较大的电阻性电流，为继电保护装置提供了区分故障相和非故障相的条件，

从而快速、准确的切除故障线路，确保了非故障相的稳定运行，保护配置如下：

1）集电线路根据《宁夏电网并网风电场输电线、升压站、汇集线整定原则》

进行配置，风电场汇集线路相间故障配置电流速断、限时速断及过流保护，且带

正方向，单相接地故障配置零序电流保护。因风电场每条汇集线路都连接风电机组，故汇集线路重合闸退出；

2）风电场升压站主变低压侧配置两段过流保护及零序电流保护，作为汇集线

路开关拒动的远后备保护，且过流保护一段带方向，方向由主变指向低压侧母线； 3）为了故障点发生在母线范围内时，能快速的切除母线上所有连接的汇集线路，配置了母线保护和TV断线告警值。

2.2 零序电流的获取

一种是自产（指的是采集微机保护装置三相电流，微机保护装置自身将采集

电流通过软件合成后取得零序电流），另一种是外接（指的是采集汇集线路上的

零序电流互感器的三相电流）。

2.3 集电线路保护整定原则

集电线路保护配置一般由瞬时电流速断保护、限时电流速断保护、定时电流

速断保护组成。电流保护的I、Ⅱ、Ⅲ段构成一整套保护，称为三段式电流保护，三段式电流保护多用于35kV及以下单侧电源辐射形电网。其中I、Ⅱ段为主保护，Ⅲ段为后备保护。

2.3.1电网的运行方式

以宁夏区域某风电场为例，集电线路保护采用两段式过流保护（过流Ⅰ段、

过流Ⅲ段），过流Ⅰ段带正方向，由母线指向线路，保护原则如下：

2.3.2 过流Ⅰ段电流保护：

1）动作电流按线路末端短路最小方式两相短路电流整定。

Isd =

式中：Krel---可靠系数，取1.2-1.3

---集电线路最小方式末端短路电流

2）动作时限取0S，以保证集电线路发生短路时迅速断开故障点。

3）过流I段集电线路需带方向（母线指向线路），因集电线路发生故障时，

故障点的电流由母线流向线路故障点，确保装置能准确的判断集电线路是否故障，并将重合闸退出。

2.3.3 定时限过电流Ⅲ段保护：

1）动作电流按躲过每条集电线路所串联的风机台数的最大输出电流整定。

Igl =

式中：Krel---可靠系数，取1.2-1.3

---集电线路串联所带的风机台数

---风机额定容量

---额定电压

---变比

2）动作时限与箱变690V低压侧开关速断保护相配合，时限按照宁夏电网并

网风电场整原则取0.2 S，同时作为690V升压变压器的远后备保护。

3）过电流Ⅲ段保护不带方向，确保过流Ⅰ段在发生拒动或者未达到动作值时，开关未动作，此时过电流Ⅲ段保护在延时时间到达后，有效地切除故障电流，并

将重合闸退出。

2.3.4 零序过流Ⅰ段保护

1）集电线路零序电流保护定值按照下级线路出口处单相或者两相接地短路时

可能出现的最大零序电流Ic进行整定。

因在宁夏电网并网整定原则中未将零序保护列入，现阶段风电场线路中零序