新能源发电小电流接地系统的接地保护改进

俞立凡，程 途

(1.杭州华电下沙热电有限公司，浙江 杭州 310018；2.江苏华电戚墅堰发电有限公司，江苏 常州 213000)

0 引言

近几年来，全国的雾霾天气日渐增多，引发了国家对可再生能源的重视，风电、光伏发电得到了快速发展，特别是受光伏组件成本的降低及国家扶持政策的影响，光伏电站取得了快速发展。

其中，中型的风力、光伏电站一般采用10—35 kV小电流接地系统并网。按照电力系统的常规做法，此系统发生单相接地后，一般允许继续运行一段时间，以保证用户的供电连续性。但由于新能源电站受外界发电条件制约较多，电网对新能源电站的依赖性不强，所以在接地故障发生后，保护是按常规继续运行一段时间，还是投跳闸，意见不统一。因此需要通过分析，找出合理的方案。

1 10 kV系统接地的危害

众所周知，在10 kV小电流接地系统中，如发生单相金属性接地时，接地相的对地电压降到0；非接地相的对地电压升高为线电压，PT三角开口电压达到零序电压继电器动作条件，发出接地信号。因三相的线电压仍保持对称，所以三相线电流保持不变，不影响对电网的供电。

若线路经过高电阻或弧光接地时，中性点电位偏移，此时相电压表现为一相降低，但不为0；另外两相升高，大于相电压额定值，但达不到线电压额定值；PT三角开口电压大于整定值，零序电压继电器动作，发接地信号。因其三相线电压也保持对称，故接地线路一般仍可以继续保持运行1—2 h。

某光伏电站曾因单相电缆绝缘损坏接地，造成本身电缆烧损，相邻2根电缆都受到电弧高温灼伤，外护层均出现大面积的碳化(见图1)。

图1 电缆烧损情况

保护装置信号记录如下：

16：36：30，总告警动作；

16：36：30，零序三段告警动作；

16：44：30，过频一段动作发生；

16：44：30，TWJ动作。

可见，接地电弧燃烧的时间并不长。

理论上，接地故障时过频保护不会动作，接地电弧将一直烧到两相短路，直到过流保护或速断保护动作为止。但实际上，由于发生了接地电弧，不稳定的间歇性电弧多次不断地熄灭和重燃，在故障相和非故障相的电感电容回路上会引起高频振荡过电压，最终工频叠加电弧放电的频率，触发过频保护动作跳闸，但它具有一定的偶然性。

从接地发信到跳闸仅仅8 min，电弧就将电缆烧成这种状态的原因是：绝缘损坏是一个渐进的过程，在接地保护发信之前，电弧可能已经慢慢出现，实际弧光出现的时间可能比8 min要长。

通过保护装置自带的录波功能查看可知，此次故障相电流达到16.8 A，非故障相电流为6 A(二次 值Ia=Ic=0.1 A，Ib=0.28 A，CT 变 比 300∶5)；故障相电压2 kV，非故障相电压11 kV。

虽然10 kV线路单相接地时允许继续向电网供电，但这时非故障相电压会升高，很可能击穿其他绝缘薄弱点，从而引起电缆两相接地短路故障，对电网、设备造成更大损坏。因此，需要在较短的时间内消除接地故障。

2 新能源电站接地保护跳闸的必要性

根据光伏电站的设计规范，光伏发电控制方式宜按无人值班或少人值守的要求进行设计。所以，光伏电站一般白天有人值班，晚上因为没有太阳不能发电，不安排值班人员；或者采用远传监控方式，多个电站集中监控，现场不安排值班人员。因此，若发生接地故障，现场的间歇性电弧是很难被及时发现的，而电弧对设备、周围房屋是一个重大火灾隐患；且在发生单相接地时，若不能可靠熄弧，易发展成为相间短路，危害更大。

另外，《西北区域光伏电站并网管理暂行规定》已经明确要求：光伏电站10—35 kV馈线发生单相接地故障时，须可靠、快速切除故障。

所以，考虑到新能源电站的无人或少人值班现状，当10 kV系统发生接地故障时，应让继电保护自动切除接地线路，待运检人员到现场后再检查或恢复运行等。而且，考虑到新能源电站的供电可靠性有别于常规电厂，从保护设备的原则出发，发生接地故障后也应可靠、快速切除故障。就算采用远传监控的光伏电站，在发生接地故障后，也需要在2 h内查出故障线路，然后作停役处理。因为靠人为快速判断、切断故障线路有一定难度，故应考虑采用自动方式可靠、快速切除故障。

最后，对于不能在8 h内切除接地故障的新能源电站，其电缆选型需提升标准，增加设备投资费用。特别是采用远传监控的，很可能要大于8 h后才能派人去现场处理。例如：宁波杭州湾1个10 MW的屋顶光伏电站和湖州南洵1个15 MW的屋顶光伏电站，都是杭州华电下沙热电有限公司通过远传监控的；若有异常情况，需要第2天才能派员到现场处理。

因此，当新能源电站10 kV系统发生单相接地故障时，可靠、快速切除故障成为必要。

3 可靠的接地保护实现方式

在中性点不接地系统中发生单相接地故障时，非故障线路零序电流的大小等于本线路的接地电容电流，故障线路零序电流的大小等于所有非故障线路的零序电流之和，也就是所有非故障线路的接地电容电流之和。通常故障线路的零序电流比非故障线路零序电流大，这样由于每个回路的电缆长度不同、电缆截面不同，每个回路的对地电容电流也不同。因此，单靠零序电流保护，会造成开关误动，故需要增加方向闭锁。即：在中性点不接地的电网中发生单相接地故障时，非故障线路的零序电流超前零序电压90°，故障线路的零序电流滞后零序电压90°，故障线路的零序电流与非故障线路的零序电流相位相差180°。根据这一原则，可以利用零序方向元件区分出接地故障线路。因此，保护测控装置单相接地选线的判断条件为

(1) 零序电流(3I0)大于设定值；

(2) 零序电压(3U0)大于设定值；

(3) 零序功率方向满足。

满足上述条件且经过设定时间，接地保护动作，跳开相应回路。

当然，对于没有方向判断的保护，也可考虑利用小电流选线装置的接地选线功能加零序电流来组合。即：单相接地选线的判断条件为

(1) 零序电流(3I0)大于设定值；

(2) 零序电压(3U0)大于设定值；

(3) 接地选线条件满足。

满足上述条件且经过设定时间，接地保护动作，跳开相应回路。但这仅仅是理论上的，具体应用还需要优化。采用零序方向保护方式可以满足电网要求，提高新能源电站的运行安全性。

4 结束语

新能源电站有别与常规电厂，10 kV系统接地故障发生后，接地保护应可靠、快速切除故障。采用零序方向保护或零序加接地选线保护等，是较为合理的，对设备也是安全可靠的，特别适合无人值守的新能源电站。