风电场35kV集电系统低电阻接地方式的工程算法

1引言国家电网在“风电并网运行反事故措施要点”中，明确指出风电场汇集线系统（以下统称集电系统）单相故障应快速切除。目前各地的已建风电场正逐步进入集电系统的整改阶段，集电系统采用经低电阻接地方式居多。如何进行设计，保证经低电阻接地的集电系统，发生单相接地故障时，能通过相应保护快速切除。我国现在还没有针对风电场中性点接地电阻如何选择的规程、规范，本文介绍一种简便的工程算法，主要是针对电缆线路和架空线路混合的集电线路。2.单相接地回路故障的特点风电场的一段35kV母线中包含如下回路：集电回路的进线、场用变回路、无功补偿装置回路、接地变压器等回路，这些回路都应安装零序电流互感器，都属于低电阻接地的集电系统。这些回路的电缆长度，有的短至几十米，有的长达20多公里，参差不一。采取低电阻接地方式后，当某个回路发生单相接地故障时，该回路短路电流是∑IC－ICL（所有集电线路电容电流扣除故障回路自身的电容电流）与IR0（流过接地变压器及接地电阻的电流）的电流矢量和，详见图1。图1

回路2发生单相接地时，各回路电容电流及电阻电流流向示意图及矢量图3.工程计算法3.1工程计算法的假设这是一种工程计算，对电缆线路和架空线路混合的集电线路，由于35kV的架空线路每公里电容电流与电缆线路每公里电容电流相比小得很多。电缆线路的电容电流估算公式：Ic＝0.1UeL；架空线路的电容电流估算公式：Ic＝（2.7~3.3）UeL×10－3。因此本计算可略去架空线路电容电流的计算。3.2接地变压器的等效回路由于35kV接地变压器的零序阻抗≤100Ω，这样使接地电阻中流过的零序电流是一个具有电感、电阻性质的电流（其大小取决于电感和电阻的复阻抗），风电场35kV系统的接地变回路接线图和计算阻抗图如下：图2

接地变回路接线图、计算阻抗图以及矢量图表1和表2中的接地变压器分别为零序阻抗90Ω和60Ω，一般情况下使用表1即可，只有在风电场的一段35kV母线连接较多的回路（电缆长度近百公里左右）才可用表2，这样做的目的是保证接地变提供的电流基本是电阻性。表1

采用不同的接地电阻值时相关的假想的短路电流、接地变容量及电流分量夹角（接地变压器的零序阻抗≤90Ω）表2

采用不同的接地电阻值时相关的假想的短路电流、接地变容量及电流分量夹角（接地变压器的零序阻抗≤60Ω）3.3中性点电阻值选择的约束条件根据多年设计实践，中性点电阻值的选择必须根据电网的具体条件，主要考虑限制间歇性弧光接地过电压的倍数、继电保护的灵敏度、对通讯线路的干扰、接触电压及跨步电压等因素，按综合效果最佳的原则进选择。对于风电场升压站而言，中性点电阻值的选择主要考虑限制间歇性弧光接地过电压的倍数和继电保护动作电流的整定，这两个约束条件详述如下：（一）间歇性弧光过电压倍数的限制国内外许多研究机构和科研人员进行大量的试验和计算表明，当IR=Ic时，在半个周期内可将电网对地电容的电荷泄放到只有0.043Q0，这时可将间歇性弧光过电压倍数限制在2.5倍以内。当IR=4Ic时，可将间歇性弧光过电压倍数限制在2倍以内，一般选取IR=（1~4）Ic即可满足限制间歇性弧光过电压的要求。根据DL/T620—1997“交流电气装置的过电压保护和绝缘配合”4.2.8规定，采取电阻接地时，当发生间歇性电弧接地故障，弧光过电压的最大过电压不得超过2.5P.U。为此应选择IR≥Ic，这样就满足了限制间歇性弧光过电压的要求。（二）继电保护动作电流的整定保护动作电流应满足以下两个条件整定。（1）

保证选择性保护动作电流应躲过与被保护线路有电的直接联系的其它线路发生单相接地故障时，由被保护线路本身提供的接地电容电流。根据线路整定计算的常规，可靠系数一般取1.2~1.3，本计算取1.3。通常选择一条最长线路回路的电容电流，乘以1.3后，即可作为各回路的整定电流IdZ。IdZ＝Kk·Ijd·xlKk————可靠系数。Ijd·xl————被保护线路的电容电流。（2）满足灵敏度要求根据GB/T14285—2006“继电保护和安全自动装置技术规程”附录A.1短路保护的最小灵敏系数，“第一类带方向和不带方向的电流保护或电压保护，其零序或负序方向元件，灵敏系数为1.5。”本计算中，当某个回路发生单相接地故障时，该回路短路电流的灵敏系数Klm取1.5。Klm≥Is/IdZIs————单相接地的短路电流。IdZ————整定电流。4.算例算例：清水塘风电场35kV集电线路采用纯电缆线路方式，五回线路接在一段35kV母线上，各回线路长度是：16.5公里、20.8公里、14.9公里、20.5公里、5.8公里。该风场35kV采取低电阻接地方案时，如何设计接地电阻和接地变容量呢？以下各步计算均与表格相对应4.1根据3.1中的电缆线路电容电流估算公式，计算各回路电缆线路的电容电流，并算出该段母线上连接的所有支路的总电容电流。4.2计算各回路发生单相接地时，各回路所出现的电容电流，即（∑IC）－ICL。4.3计算假想流过接地电阻电流的最低限I*考虑到升压站内除集电线路外，还有场用变回路、无功补偿装置等回路，这些回路电缆段都不长，大约100米左右，如果这些回路发生单相接地，其电容电路几乎是∑IC，又综合考虑间歇性弧光过电压倍数及灵敏度系数等因素，将∑IC乘以2，作为假想流过接地电阻电流的最低限I*，I*＝274.75×2＝549A。放大系数取2，一方面是为了继保灵敏系数1.5的要求，同时也考虑了间歇性弧光过电压倍数。4.4查表1中相邻下一档的ID（476A），即可选定相应的接地变压器容量和接地电阻（接地变容量S＝1000kVA；R0＝30Ω，电角度φ＝135°）。4.5电阻电流的校验根据DL/T620—1997“交流电气装置的过电压保护和绝缘配合”4.2.8规定，采取电阻接地时，当发生间歇性电弧接地故障，弧光过电压的最大过电压不得超过2.5P.U。为此应选择IR≥Ic，是否满足了限制间歇性弧光过电压的要求？为此，应进行电阻电流的校验，根据在计算步骤4中选定的ID（476A），及电角度φ135°，根据cos（φ－90°）算出电阻电流IR，IR＝476A×cos（135°－90°）＝476×cos45°＝336.6A，IR/Ic＝336.6/274＝1.228。说明选择结果满足限制间歇性弧光过电压的要求。若校验中出现IR/Ic＜1的情况，则重复计算步骤4，查表2中相邻上一档的ID值。然后继续计算步骤5。4.6根据电角度φ，ID和（∑IC）－ICj，求出各回路单相接地的短路电流（电矢量和电流）Is依据的公式为:Is按回路顺序依次为357.2A、362.5A、355.4A、362.1A、346.5A。风电场场用变回路、无功补偿装置等回路为342.4A。4.7.计算整定电流Iz根据线路整定计算的常规，可靠系数本计算取1.3。选择最长线路回路的电容电流，乘以可靠系数1.3，72.8×1.3＝94.64A4.8保护的灵敏系数校验。根据GB/T14285—2006“继电保护和安全自动装置技术规程”附录A.1短路保护的最小灵敏系数，本计算取1.5。经计算，各回路灵敏系数Is/Iz均大于1.5。表3.计算程序表

5.风电场35kV纯架空线路的经验作法对风电场集电线路为纯架空线路的情况，某些电力设计部门有一种约定成俗的经验做法：当风电场升压站是220kV系统时，35kV集电系统采取低电阻接地方式，则接地电阻取70Ω；当风电场升压站是110kV系统时，35kV集电系统采取低电阻接地方式，则接地电阻取100Ω；这是一种很实际的作法，它充分考虑了架空线路，有多种情况下的单相接地故障都属于非金属性接地，具有较大的过渡电阻，见表4。表4非金属接地的过渡电阻表

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