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风电场35KV接地系统选择的现状对策研究王立言

发表时间：2020/5/8 来源：《电力设备》2020年第2期作者：王立言

[导读] 摘要：近年来人类对能源的需求越来越大，但是随之而来的是能源紧张和环境污染问题，绿色清洁能源在未来的能源市场中占据越来越重要的位置。

        （甘肃龙源风力发电有限公司甘肃兰州 730050）
        摘要：近年来人类对能源的需求越来越大，但是随之而来的是能源紧张和环境污染问题，绿色清洁能源在未来的能源市场中占据越来越重要的位置。风力发电场是近年来发展迅速的绿色能源，在我国的能源网中所占比例不断上升，越来越受到重视。但是风电场变电站所处的环境大部分比较恶劣，接地系统直接影响到风电场的安全稳定运行。本文对风电场35KV接地系统展开分析，对中性点接地的主要方式进行讨论，为风电场的安全稳定运行提供思路。
        关键词：接地系统；短路故障；风电场；快速跳闸
        前言
        随着能源需求紧张和环境污染问题，清洁替代能源成为我国的发展方向，风电产业在这样的背景下发展迅速。近年来，我国的风电项目频频上马，风电装机容量井喷增长，但随之而来的是风电场电气设备故障越来越多，极大的影响了电网稳定运行。通过分析，原因主要有这样几点：电缆头出现故障；发电机组低电压穿越能力不足；动态无功补偿装置响应不及时；风电场35KV接地系统不合理导致单相接地故障不能快速切除。其中风电场35KV接地系统是导致事故的主要因素。
        一、风电场35KV接地系统的现状与问题
        由于风电场大多建设在风力资源丰富的丘陵地和戈壁滩，所以风电场35KV电缆数量集中且路程较远，通过估算可知风电场35KV系统的电容电流接近51A，因此有必要对35KV风电场接地系统进行研究探讨，风电场面对的挑战主要有以下两点：
        （1）风电场内风力发电机组间距大，分布广，因此汇集线电缆距离长且集中导致汇集线电缆的电容电流大，是大容性电流系统。
        （2）风电场35KV汇集线系统存在大量的连接点，而风电场的环境多都位于风力资源丰富的丘陵地带和戈壁滩，气候环境比较恶劣，在施工时很多连接点的焊接不未达到设计要求，对风电场的安全运行造成了隐患。
        因此为保证风电场35KV汇入电网的安全稳定，必须结合实际勤快，选择适合的接地系统，降低故障对风电场的影响。
        二、风电场35KV接地系统介绍
        电力系统的中性点接地系统对电力电网系统安全稳定非常关键，是一个技术性强、综合性强的系统，它对供电可靠性、人身设备安全、通讯干扰等影响很大。中性点接地系统主要有以下几类：中性点直接接地系统、中性点不接地系统、中性点经电阻接地系统、中性点经消弧线圈接地系统等。
        1.中性点直接接地系统
        中性点直接接系统发生单相接地故障时接地电流可以瞬间达到几千安以上，尽管可以瞬时切除故障，但是过大的接地电流超过了接地点的承载能力，破坏接地点的热稳定性。因此一般不采用此种方式。
        2.中性点不接地系统
        中性点不接地系统发生单相接地故障时可以带故障运行2小时以内，且供电可靠性。但是在高电压长距离输电系统发生单相接地故障时，会出现以下问题：
        （1）在接地处会出现间歇电弧，造成电网高频振荡产生过电压，接地系统的电压差超过了避雷器负荷，虽然提高电网的整体绝缘水平可以解决这个问题，但是成本比较高；（2）中性点不接地系统如果发生单相接地故障，在过电压下超过2h会引起多点故障，击穿绝缘薄弱点，形成短路，恶化开断条件；（3）发生单相接地故障后电缆为永久性故障，无法自行恢复，不能继续使用；（4）在人身触电的情况下跳闸不及时，难以保证安全。
        因此这种接地系统一般应用在容量较小的风电场中。
        3.中性点经电阻接地系统
        中性点经电阻接地的系统在发生单相接地故障时，接地电流适中，反馈装置可以迅速检测到接地电流，快速切除故障，避免故障扩大。而且在单相接地故障期间，不易产生过电压，对弱点设备和通信系统的影响较小，而且设备成本低，经济性强可以有效降低事故率，对风电场以及电网系统的安全稳定运行有重大意义。中性点经电阻接地系统分为三种情况：中性点经高电阻接地系统、中性点经低电阻接地系统以及中性点经中电阻接地系统。

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以下分别介绍：
        （1）中性点经高电阻接地系统
        中性点经高电阻接地系统在风电场发生单相接地故障时可以有效限制电流，保证反馈及时切除故障，同时高电阻可以抑制单相接地故障产生的过电压，避免事故扩大，有效减低电弧接地过电压的危险性。但是中性点经高电阻接地系统的设计要求接地故障电流低于10A，不适用于大电容电流系统，在应用上局限性很大。
        （2）中性点经低电阻接地系统
        风电场35KV接地系统的电容电流高，采用经小电阻接地系统有以下几个优点：
        1）故障切除迅速，产生过电压低；2）绝缘老化效应低，可以提高设备安全性、可靠性强以及使用寿命；3）继电保护装置灵敏可靠；4）能抵消弧光接地过电压避免故障扩大；5）运行维护方便。
        但是中性点经低电阻接地系统的在发生单相接地故障时的接地电流大，也造成了一些缺点：
        1）单相接地故障时大电流会产生电弧，对临近的电缆造成危险；2）单相接地故障时大电流会造成大地电位升高，影响低压设备、通讯稳定和工作人员安全；3）单相接地故障时大电流会增加低阻热容量，对电阻设备的质量要求高，不易维护。
        （3）中性点经中电阻接地系统
        中性点经中电阻接地系统可以避免经中性点低电阻接地系统的缺点，同时保留优点。将单相故障时人身安全、通信稳定以及弱电设备的影响降低，通过选择适当的中电阻值，保证发生单相接地故障时电流限制在一定范围内，降低过电压值和电弧产生，因此中性点经中电阻接地系统应用比较广泛，有较大优势。
        4.中性点经消弧线圈接地系统
        中性点经消弧线圈接地系统可以在电容电流较大时采用，在单相接地故障时，消弧线圈能产生和接地电流大小相近但方向相反的电感电流抵消接地电流，瞬间熄灭接地电弧，消除产生的过电压。发生故障时可以进行短路处理，也可以短时间带故障运行，为调度部门争取时间，主要有以下优点：
        1）单相接地故障时可以根据实际情况快速产生电感电流，抵消接地电流；2）瞬时单相接地故障时可快速切除故障元件，自动排除故障；
        但是中性点经消弧线圈接地系统也存在以下问题：
        1）对单相接地故障的判断较慢，发生单相接地故障时需要时间进行判断才能切除故障线路；2）消弧线圈为感性元件，在运行中可能形成谐振回路，产生谐振过电压；3）消弧线圈随着风电场的规模增加的成本较高；4）消弧线圈产生抵消电容电流后的值较小，继电保护难以应用。
        三、风电场35KV接地系统选择
        消弧线圈所需的容量和风电场35KV集电电缆的长度成正比，因此，当过长会超出消弧线圈生产的最大容量，此时多采用中性点经电阻接地系统。风电场发生单相接地故障时，采用中性点经电阻接地系统是消除过电压的有效办法，而且可以使用无间隙避雷器，限制故障过电压的同时降低雷击过电压。中性点经电阻接地和故障反馈装置配合，能迅速切除故障线路，防止故障扩大。综合分析，电容电流小于10A一般采用中性点不接地系统；电容电流大于10A一般采用中性点经消弧线圈接地系统；电容电流超过80A一般采用中性点经电阻接地系统。
        结束语：
        近年来，可持续发展已经深入人心，风电是重要的绿色清洁能源之一，发展非常迅速，但是随着风电越来越多的装机量，各类事故也常有发生。在风电场35KV接地系统中中性点不接地系统缺点比较明显，会造成比较多的事故，影响了风电场和电网的安全稳定运行和企业的经济效益。因此，合理的选择接地系统，避免常见故障，是保障风电场和电网的安全稳定运行的有效手段。
        参考文献：
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        [3]姚天亮，郑昕，杨德洲，王利平.大型风电场内部35KV汇集系统接地系统选择[J].电气应用，2013，11.
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