风电场小电阻接地运行排障技巧

阐述了小电阻接地系统的特点，继电保护的配置，并对其故障现象进行分析、判断、处理。

一、 前 言

三相交流电力系统的中性点与大地之间电气连接的方式，称为电网中性点接地方式，一般分为中性点直接接地、不接地、经消弧线圈或电阻接地等方式。

我国110kV电压等级的电网一般都采用中性点直接接地方式，在发生单相接地故障时，故障电流很大，继电保护装置能迅速断开故障线路，系统设备承受过电压的时间很短，可以使电网中设备的绝缘水平降低，从而降低电网的造价。

6~35kV配电网一般都采用中性点不接地方式，它是指采用中性点不接地、经消弧线圈或电阻接地的系统。在该系统中，如发生单相接地时，由于线电压的大小和相位不变(仍对称)，且系统绝缘又是按线电压设计的，所以允许短时运行而不切断故障设备，从而提高了供电可靠性。

由电缆线路构成的配电系统，单相接地故障电容电流较大，因单相接地过电压烧坏设备的事故概率大大增加，为了解决这一矛盾，可以采用中性点经电阻接地方式，其对降低系统过电压水平、抑制谐振过电压、提高系统运行可靠性具有良好的效果。

本风电场的35kV线路采用全电缆及电缆和架空混合两种方式，电缆较长，电容电流大，因此35kV系统采用小电阻接地系统运行方式。

二、中性点不接地和经电阻接地方式的比较

(一) 中性点不接地方式

1、适用范围

适用于单相接地故障电容电流Ic<10A、以架空线路为主的配电网。此类型电网瞬时性单相接地故障占故障总数的60%～70%，瞬时性单相接地故障时不需要马上跳闸，从而提高电网的稳定性。

2、中性点不接地系统的特点：

1) 单相接地故障电流小于10A，故障点电弧可以自熄，熄弧后故障点绝缘可以自行恢复。

2) 单相接地时不破坏系统对称性，可以带故障运行一段时间，以便查找故障线路。

3) 单相接地故障时，非故障相对地工频电压升高倍，在中性点不接地电网中，各种设备的绝缘要按线电压的要求来设计。

4) 当Ic>10A时，可能产生过电压倍数相当高的间歇性电弧接地过电压，这种过电压持续时间长，过电压遍及全网，对网内绝缘较差的设备、有绝缘弱点的设备、绝缘强度较低的旋转电机等都存在较大的威胁，在一定程度上影响电网的安全运行。因间歇电弧过电压引起的不同相的两点或多点接地、烧毁主设备、造成严重停电的事故有多次发生。

5) 系统发生谐振过电压引起电压互感器熔断器熔断、烧毁PT、甚至烧毁主设备的事故常有发生。

6) 简单、经济。

(二) 中性点经电阻接地方式

中性点经电阻接地方式可分为三种：经高阻接地、经中电阻接地和经小电阻接地。

1、中性点经高电阻接地方式：

中性点经高阻接地方式适用于对地电容电流Ic<10A的配电网，单相接地电流大于允许值的大型发电机，单相接地故障电流Ijd<10A，中性点接地电阻值一般为数百欧姆至上千欧姆。中性点经高阻接地可以消除大部分谐振过电压，对单相间歇弧光接地过电压具有一定的限制作用。

2、中性点经中电阻和小电阻接地方式：

中电阻和小电阻之间没有统一的界限，一般认为单相接地故障时通过中性点电阻的电流10A100A时为小电阻接地方式。中性点经中电阻和小电阻接地方式适用于以电缆线路为主、瞬时性单相接地故障很少的、系统电容电流比较大的城市配网、发电厂厂用电系统及大型工矿企业配电系统。

3、中性点经小电阻接地方式的优点：

1) 自动清除故障，运行维护方便。

2) 可快速切断接地故障点，过电压水平低，能消除谐振过电压，可采用绝缘水平较低的电缆和电气设备。

3) 减少绝缘老化，延长设备使用寿命，提高设备可靠性。

4) 因接地电流高达几百安以上，继电保护有足够的灵敏度和选取行，不存在选线上的问题。

5) 可降低火灾事故的概率。

6) 可采用通流容量大、残压低的无间隙氧化锌避雷器作为电网的过电压保护。

7) 能消除弧光接地过电压中的5次谐波，避免事故扩大为相间短路。

4、以电缆线路为主的风电场配电网的特点：

1) 单位长度的电缆线路的电容电流比架空线路电容电流大10几倍，以电缆为主的配电网对地电容电流都比较大。

2) 电缆线路受外界环境条件(雷电、外力、树木、大风等)影响小，瞬时接地故障很少，接地故障一般都是永久性故障。

3) 电缆线路发生接地故障时，接地电弧为封闭性电弧，电弧不易自行熄灭，如不及时跳闸，很容易造成相间短路，扩大事故。

4) 电缆为弱绝缘设备。例如，35kV交联聚乙稀电缆的三十分钟工频耐压为65KV ，而一般35kV 配电设备的绝缘水平为85kV 。在消弧线圈接地系统中，由于查找故障点时间较长，电缆长时间承受工频或暂态过电压作用，易发展成相间故障，造成一线或多线跳闸。相关的统计结果表明，有30%单相接地故障在查找故障点过程中，引起跳闸或闪络。

5) 接地故障时要求继电保护及时动作跳开故障线路。

鉴于电缆线路的以上特性，综合考虑本风电场的9条35kV全电缆(少量架空)线路，电缆长，电容电流大的情况，35kV系统采用小电阻接地系统方式是必要的。

三、中性点接地电阻阻值的选择

(一)、中性点电阻值的选择必须根据电网的具体条件，主要考虑限制间隙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。

小电阻接地方式电阻值的选择：IR=Uph/Rn

Rn—中性点电阻;

Uph—额定相电压;

IR—电网单相接地故障是流过Rn的电流;

Ic—电网电容电流;

K= IR/ Ic

1、按限制弧光接地过电压的要求选择

中性点接地电阻限制弧光接地过电压的原理是电阻的耗能作用，当发生单相接地故障时，故障点电弧从熄灭到重燃的时间一般为半个周期，在这半个周期内，非故障相对地电容中的电荷将通过中性点接地电阻Rn向大地泄放，电荷泄放的规律为Q0e-t/式中，τ为电荷泄放时间常数，其值为：τ=Rn×3C0，Rn为中性点电阻，Q0为电网每相对地电容中储存的电荷。电荷泄放的速度与K值有关，随着K值增加弧光过电压相应降低。但是弧光过电压倍数的降低与K 值的关系并非直线关系，当K值大于4后，再增加K值，降低弧光过电压的效果就不明显了。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0.043 Q0，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。

2、按保证继电保护灵敏度的要求选择

中性点经电阻接地系统是通过各条线路的零序保护来判断故障线路的，当某条线路发生单相接地故障时，该线路的零序保护动作，跳开本线路的断路器，使故障点与电源隔离。所以，在选择中性点接地电阻Rn时，要保证每条线路的零序保护都有足够的灵敏系数。

在中性点经小电电阻或电阻接地系统中，当发生金属性单相接地时，流过故障线路的零序故障电流Ijd= IR2+ICΣ2，流过非故障线路的零序电流为线路本身的电容电流IC。L，Ijd远远大于IC。L，线路的零序保护是按躲过本线路的对地电容电流进行整定的，单相接地时，故障电流远远大于整定植，保护灵敏度是完全可以保证的。

3、从对人身安全方面考虑

中性点经小电阻接地配电网在发生单相接地故障时，通过故障点的接地短路电流比较大，引起故障点地电位升高，故障点的跨步电压、接触电压可能会超过允许值。如果此时人员接近故障点或者是接触故障电器有可能会造成人员伤亡。所以从降低故障点的跨步电压和接触电压角度考虑，IR值越小越好，即中性点接地电阻阻值越大越越好。

中性点经小电阻接地系统在发生单相接地故障时，由于保护能正确动作跳闸，在短时间内使接地故障线路失去电源，一方面可使触电人员在很短的时间内脱离电源，大大减小对触电人员的伤害程度。另一方面，由于保护动作跳闸的时间很短，人员在保护动作的时限内接触故障点的概率是非常小的。也就大大的减少了单相接地故障时造成人身伤害事故机会。电缆线路在发生单相接地时由于外皮的分流作用，入地电流仅有一小部分，所以引起的地电位升高也比较小，一般不会造成危险的跨步电压和接触电压。

4、从减小故障点接地短路电流考虑

故障点的单相接地短路电流越大，故障时对故障设备的损害越大，从减小单相接地故障电流对故障设备的损害程度考虑，中性点接地电阻的阻值越大越好。

综上所述，中性点接地电阻阻值的选择是一个综合性的技术经济问题，根据各个配电网的具体条件、特点全面分析比较，选择最佳方案。

(二)、中性点接地电阻器的选择

1、中性点接地电阻柜的选择：

在中性点经电阻接地系统中，要求中性点接地电阻具有更高的可靠性。如果中性点电阻由于质量或其他原因发生故障，将使系统处于中性点不接地方式运行。这时如发生单相接地故障，流经故障线路故障电流仅为系统的单相接地电容电流，故障电流将远小于带电阻接地时的数值，零序保护可能拒动;由于系统单相接地电容电流较远大于10A，往往会引起波及整个系统的、幅值很高的间歇性弧光接地过电压及谐振过电压，有时还会引起非故障相绝缘击穿，造成重大的设备烧毁事故，危及系统的安全运行。

在选择中性点接地电阻柜时，应保证在以下几个方面具有良好的性能：

1) 电气性能：电阻材料的电阻率大;电阻温度系数小，电阻值稳定。

2) 机械性能：具有高强度、高韧性;再高温下能保持较高的机械强度，在温度骤升、骤降运行条件下，机械性能保持稳定，不脆化。

3) 温度特性：熔点高，能承受较高的运行温度。

4) 通风散热：具有合理的冷却通风设计，保证电阻元件各部位均匀散热，避免局部高温烁热点，在允许时间内通过额定电流，柜内电阻元件的最高温升不超过允许值。

2、以某风电场中性点接地电阻为例，其接地电阻的主要参数为：

1) 系统额定线电压Ue(kV)=35 kV

2) 电阻器标称电压UR=Ue/(kV)

3) 接线方式：

4) 短时允许通流IR(A)=400

5) 电阻器标称电阻Rn(Ω)=50.5

6) 短时通流时间t(s)=10

经过近3年的运行实践证明，风电场的接地变及其接地电阻的选型是合理的、科学的，能保证设备的安全运行。

四、中性点小电阻接地系统相关设备的保护配置

中性点经小电阻接地系统中相关设备的保护配置如下：

1. 主变压器

由于主变低压侧为三角形接线，没有形成零序电流流出的回路。所以其保护配置不受中性点接地方式影响，均配置差动主保护、各侧复压过流保护。

2. 线路

线路除配置反映线路相间故障的电流速断和过电流保护外，还应配置反映系统单相接地故障的零序过电流保护。所有35kV线路和电容器单元均配有反映相电流的电流互感器三只，构成线路的电流速断、过电流保护，作为本单元发生相间故障时的保护;反映零序电流的零序电流互感器一只，构成线路的零序过流保护，作为本单元发生单相接地故障时的保护，上述保护动作均作用本单元断路器跳闸。一般线路保护采用零序三段式保护。

3. 接地变压器

因为系统主变压器都使用Yd的接线，所以35kV系统无中性点引出，接地变接入系统的作用就是为中性点不接地系统，引出一个中性点。接地变配置反映相电流的电流互感器三只，构成接地变的电流速断、过电流保护，作为接地变发生相间故障时的保护，上述保护动作于接地变跳闸;反映零序电流的零序电流互感器一只，构成接地变的零序过流保护，作为主变低压侧、接地变和母线单相接地故障的主保护和线路单相接地的后备保护。上述保护动作第一时限动作于35kV分段，以缩小故障范围;第二时限动作于接地变和主变低压侧断路器跳闸，同时闭锁35kV分段备自投。

接地变的零序过流保护可同时动作与接地变和主变低压侧断路器，也可单独动作与接地变断路器而不跳开主变低压侧断路器。该动作行为视所在变电站35kV系统电容电流大小而定，如果母线的电容电流相加达到140A以上，在接地变跳开系统失去接地点后，系统不允许不接地运行，所以必须同时跳开主变低压侧断路器。如果母线的电容电流经过实测相加70A,可在接地变跳开后继续不接地运行，所以接地变的零序过流保护只跳开接地变断路器，不去跳主变的低压侧断路器，提高了供电可靠性。

经小电阻接地系统保护的合理配置，零序保护的可靠动作及相关保护的配合(包括接地变速断与零序电流、接地变过流与零序电流)以及合理的保护动作行为是小电阻接地系统安全可靠运行的基础。合理的保护配置和正确的保护整定既能快速切除故障线路，缩短故障排查时间，提高35kV配网的供电可靠性，又能有效避免设备损坏及人身触电事故，对保证电力系统安全运行、可靠供电有着重要意义。

五、中性点经小电阻接地系统中单相接地故障的判断与处理

下图为接地变经小电阻接地系统单相接地故障图

当中性点经小电阻接地系统发生单相接地时，一般出现下列迹象：

(1) 语音响，监控后台有相应线路保护动作和开关变位告警。

(2) 绝缘监察电压表三相指示值不同，接地相电压降低或等于零，其它两相电压升高，此时为稳定性接地。如果绝缘监察电压表指针不停地来回摆动，出现这种现象即为间歇性接地。

(3) 当发生弧光接地产生过电压时，非故障相电压很高，表针打到头，常伴有电压互感器高压一次侧熔体熔断，甚至严重烧坏电压互感器。

(4) 当发生单相接地时，接地相对地电压很低，金属性接地时对地电压降至零，其它两相对地电压略有升高。

(5) 在系统发生单相接地时，流过接地变的每相的相电流是流过中性点电流的1/3。如果中性点电流为600A，则相电流为600A/3=200A。

当中性点经电阻接地接地系统发生上述迹象时，值班人员应沉着冷静，及时向上级调度和生产领导汇报，并将有关现象作好记录，根据信号、表计指示、天气、运行方式等情况，判断故障。值班人员应迅速寻找接地点，并及时隔离。

六、结论

电力系统的中性点接地方式是一个综合性的技术问题，它与系统的供电可靠性、人身安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通信干扰(电磁环境)及接地装置等问题有密切的关系，接地方式的选择最根本的要求是保证电气设备的安全、经济、可靠运行。同时，还要提高设备检修人员的技术水平，积极改善设备的运行条件，加强设备的检修、维护、技术管理，提高设备的绝缘水平。