一座分布式光伏电站连续两次全停事件的波形分析

原敬磊，韩卫恒，程 强

（国网山西省电力公司调度控制中心，山西 太原 030021）

0 引言

近年来，随着大规模新能源电站的接入，对电网的消纳、保护要求、频率特性等带来新的挑战。在新能源消纳方面，主要考虑新能源发电与负荷特性、火电供热机组、输送断面等存在的矛盾，目前主要从调峰、现货辅助服务市场、储能等方面切入；在保护要求方面，新能源的接入使得接入的负荷终端站成为电源侧，对备自投装置、重合闸等有一定影响；同时由于低压新能源风电、光伏电站均引入接地变或中阻柜接地，即引入低压系统的零序保护，使小电流接地系统变得复杂。

1 分布式光伏电站主接线

分布式新能源电站一般通过110 kV线路或35 kV线路接入电网系统，也有较大规模新能源电站通过220 kV线路接入电网。近年来，随着分布式新能源的大力发展，尤其是百万光伏项目的投入，使新能源接入电网的结构有了变化，一般通过光伏汇集站并入电网[1]。

图1 35 kV宝桥双回线及两侧主接线图

220 kV桥头站为2017年投入的一座百万光伏电站汇集站，其110 kV出线与35 kV出线均为光伏电站。35 kV馈线有电缆线路，按照配置要求[2]，35 kV母线接有接地变，用以当发生单相接地故障时，提供故障电流使零序过流保护动作快速切除故障。其接线形式如图1所示。

2 光伏电站保护配置

220 kV桥头站2号主变正常配置差动及后备保护，35 kV母线配置母差保护，35 kV出线均配置纵联差动保护及过流、零序过流保护；宝升光伏电站配置35 kV母差保护，出线配置纵联差动保护及过流、零序过流保护；集电线配置过流保护及零序过流保护；符合设计规定要求[3-4]。35 kV宝桥I、II线两侧定值如表1所示。

表1 35 kV宝桥I、II线两侧定值描述

3 分布式光伏电站35 kV出线发生单相接地故障时的波形分析

3.1 事件描述

2018年4月7日4时38分，桥头站35 kV宝桥I线321开关、宝桥II线322开关跳闸，均为零序I段过流保护动作，宝升光伏电站417、418开关未跳闸，经查，故障点为宝桥I线桥头站外B相电缆击穿，位置如图1中k1点所示。8月22日6时58分，桥头站35 kV宝桥I线321开关、宝桥II线322开关跳闸，也均为零序I段保护动作，宝升光伏电站417、418开关未跳闸，经查，故障点为宝桥II线宝升光伏电站外A相电缆头爆，位置如图1中k2点所示。2次全停事件均为其中一条线路单相接地故障，双回线路系统侧零序I段过流保护动作，差动保护正常投入且均未动作，为此调取线路两次故障波形并对其进行序量分析[5-6]。

3.2 事件过程分析

3.2.1 4月7日宝升光伏电站全停事件相关波形分析

4月7日宝升光伏电站全停事件相关波形见图2—图5， 2号主变低压侧B相序量分析见图6，2号主变高压侧B相序量分析见图7。

图2中，桥头站宝桥I线321开关B相故障电流340 A，零序电流315 A，达到零序I段过流保护定值，350 ms左右故障电流消失，即321开关零序I段过流保护动作，321开关跳闸；图3中，桥头站宝桥II线322开关B相故障电流330 A，零序电流283 A，达到零序I段过流保护定值，且图3中故障电流出现之前B相电压已降低，结合图4宝升光伏电站故障录波器波形图及查线结果判断如下。

a） 35 kV宝桥I线桥头侧（图1中k1点） 发生永久性接地故障，桥头站321开关零序I段动作跳闸（故障相电流340 A，零序电流315 A；故障相正序电流119 A，负序电流118 A，零序电流106 A）；321开关跳闸后，故障电流通过宝桥II线、宝升站35 kV母线、宝桥I线417开关流向故障点，桥头站宝桥II线322开关零序I段保护动作跳闸切除故障（故障相电流350 A，零序电流 280 A）。

b） 宝桥I线桥头侧321开关跳闸后，B相故障电流通过宝桥II线流向接地点，宝桥I线A、C相电容电流无通路，故图4中350 ms以后417开关A、C相无电流；宝桥II线两侧均有接地变，且开关均在运行状态，故A、C相仍存在电容电流。此次故障中B相故障电流及两侧电流矢量和未达到差动保护定值（700 A），差动保护不动作正确；宝升站零序I段动作时间为0.4 s，桥头站动作时限0.3 s，且桥头站均在0.35 s左右隔离故障，宝升站当时无电源，故417、418开关保护不动作正确。

图2 桥头站35 kV宝桥I线321开关保护装置波形图

图3 桥头站35 kV宝桥II线322开关保护装置波形图

图4 宝升光伏电站故障录波器宝桥I线、II线波形图

图5 桥头站2号主变高低压侧向量图

由图5—图7中桥头站2号主变高低压侧波形图及故障相序量分析图看出：35 kV系统发生单相接地故障，桥头站2号主变高低压侧故障电流有传变关系，即此次故障电流中的正序（122 A）、负序分量（122 A） 是由2号主变高压侧传变过来；低压侧零序电流通过接地变形成回路。

图6 2号主变低压侧B相序量分析图（CT变比2 500/1）

图7 2号主变高压侧B相序量分析图

3.2.2 8月22日宝升光伏电站全停事件相关波形分析

8月22日宝升光伏电站全停事件相关波形见图8、图11、图14，桥头站35 kV宝桥II线322开关A相序量分析见图9，宝升光伏电站宝桥II线418开关A相序量分析见图10，宝桥I线主站侧321开关A相序量分析见图12，宝桥I线光伏侧417开关A相序量分析见图13，桥头站2号主变高低压侧故障前后序量分析比较见图15。

图8 桥头站35 kV宝桥II线322开关波形图

图9 桥头站35 kV宝桥II线322开关A相序量分析图

图10 宝升光伏电站宝桥II线418开关A相序量分析图

从图8、图11看出：宝桥II线k2点发生A相接地故障后，桥头站321、322开关均有零序电流，第一次故障为瞬时故障，零序电流大于零序过流Ⅰ段定值，但是不满足差动动作电流定值，故障只持续了162 ms，不满足300 ms零序过流Ⅰ段时限，保护正确不动作；第二次发生永久性接地故障，零序电流有效值约为159 A，大于零序保护过流Ⅰ段定值60 A，经零序过流Ⅰ段时间0.3 s，零序过流Ⅰ段保护正确动作，且故障电流叠加后不满足差动动作电流定值，差动保护正确不动作。

图11 宝桥I线主站侧321开关波形图

从图9、图10、图12、图13中第二次故障的序量分析图看出：宝桥II线k2点发生A相接地故障后，故障电流中除零序分量外，还有正序、负序分量，其方向与零序分量基本一致；通过序量图的象限关系看故障电流方向：桥头侧322开关通过宝桥II线流向故障点（故障相电流143 A），宝桥I线通过宝升侧35 kV母线及418开关流向故障点（宝升侧宝桥II线418开关故障相电流179 A，通过宝桥I线故障电流143 A，叠加集电线少量正负序及宝升侧接地变后为179 A）。

图12 宝桥I线主站侧321开关A相序量分析图

图13 宝桥I线光伏侧417开关A相序量分析图

图14 桥头站2号主变高低压侧电流波形图

图15 桥头站2号主变高低压侧故障前后序量分析比较图

通过图14及图15中桥头站2号主变高低压侧电流波形的故障前后比对，发现桥头站2号主变低压侧故障前，SVG发无功，故障后增加了方向基本一致的正序（92 A）、负序电流（92 A），与通过宝桥I线、宝桥II线正负分量叠加后相对应，即故障电流的正序、负序分量由2号主变传变过来。

4 应采取的措施

从2次故障发生时刻来看，都发生在晚上，即光伏电站相当于负荷侧，如故障发生时刻光伏电站处于发电状态，故障相电流将会更大。

4.1 加装单独的零差保护

35 kV宝升光伏电站两次全停事件，故障点分别位于线路两侧，故障较为典型，即近端故障时，单侧零序电流为320 A，远端接地故障时，单侧零序电流为140 A；只考虑接地点两侧同时接地的情况，两侧零序差动电流矢量和最小为280 A，加之灵敏度的影响，可考虑单独的零差保护定值设置为255 A，从而实现只切除故障线路，但须做好防误措施。

4.2 降低纵差保护定值和降低接地电阻阻值

由于近端故障时，单侧零序电流为320 A，故障相电流约350 A；远端接地故障时，单侧零序电流为150 A，最大差流330 A；即故障相电流大于零序电流，纵联差动电流大于零差电流，所以选用纵联差动保护灵敏度更高。目前，纵差定值为700 A，主要考虑线路末端发生相间故障能可靠动作，可以通过适当降低纵差定值来切除单相接地故障。

宝升光伏电站额定容量为50 MW，最大额定电流为 Imax=S/（1.732×U） /2=50 000/（1.732×35） /2=412 A，统计实际运行中最大电流397 A，按尽可能躲过负荷电流的原则，将纵差电流定值调整为410 A，如接地故障发生在白天，光伏侧也为电源侧，绝大部分单相接地故障时可实现有选择性地切除故障，同时又不失灵敏性。

另外，故障相电流的大小与两侧接地变的接地电阻有关，目前桥头站接地电阻为100 Ω，对应近端故障电流350 A左右；宝升站接地电阻为218 Ω，对应远端故障电流160 A左右，可通过适当降低宝升站接地电阻阻值来提高单相接地故障时的故障电流，从而实现纵差定值既能躲过运行中的最大额定电流，又能实现全长范围内单相接地故障时可靠动作，也不失其选择性及灵敏性。

5 结束语

对于上述主变低压侧有接地变的系统，当低压侧发生单相接地时，主变高低压侧有正序、负序电流的传变关系。新能源电站低压侧接地变的引入使常规低压电网变得复杂，且单相接地故障发生率较相间故障率高，对继电保护定值的整定带来一定的影响。宝升光伏电站连续两次全停事件保护动作情况均正确，从故障发生时刻来看，两次故障基本都发生在晚上，即光伏电站相当于负荷侧，如果故障发生时刻光伏电站处于发电状态，故障相电流将会更大，采取的措施更能实现有选择性地有效切除故障。