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【摘要】对风电场35kV系统中性点接地方式进行研究，杜绝发生由于自身原因引发的大规模风电机组脱网事故。
【关键词】接地方式；快速跳闸；低电压穿越
一、背景及其意义
近年来，我国风电产业发展突飞猛进，根据中国可再生能源学会风能专业委员会统计口径显示，2012年，中国（不包括台湾地区）新增安装风电机组7872台，装机容量12960MW，同比下降26.5%；累计安装风电机组53764台，装机容量75324.2MW，同比增长20.8%。国家以“建设大基地、融入大电网”的思路发展中国风电产业，导致风电项目开发非常集中，随着风电装机容量井喷式的扩大，风电场电气设备频发故障，特别是2011年上半年连续发生了三起大规模风电机组脱网典型事故：
（一）2011年2月24日，甘肃中电酒泉风力发电有限公司桥西第一风电场35B开关间隔C相电缆头故障绝缘击穿，造成三相短路，导致包括桥西第一风电场在内的10座风电场中274台风电机组因不具备低电压穿越能力在系统电压跌落时脱网。大量风电机组脱网后，因风电场无功补偿装置电容器组不具备自动投切功能，系统无功过剩，电压迅速升高，引起6座风电场中300台风电机组因电压保护动作脱网。此外，事故过程中还有24台风电机组因频率越限保护动作脱网。本次事故脱网风电机组达到598台，损失出力840.43MW，占事故前酒泉地区风电出力的54.4%，造成西北电网主网频率由事故前的50.034Hz降至最低49.854Hz。
（二）2011年4月17日，甘肃瓜州协合风力发电有限公司干河口西第二风电场35C2-09箱变高压侧电缆头击穿、35D2-10箱变电缆三相连接处击穿，35C2、35D2两条馈线跳闸，切除25台风电机组。随后，35kV配电室35D母线PT柜着火，3502开关跳闸，切除97台风电机组。事故同时造成其它12座风电场中536台风电机组因不具备低电压穿越能力在系统电压跌落时脱网。大量风电机组脱网后，因部分风电场无功补偿装置电容器组不具备自动投切功能，系统无功过剩，电压迅速升高，引起2座风电场中44台风电机组因电压保护动作脱网。本次事故脱网风电机组达到702台，损失出力1006.223MW，占事故前酒泉地区风电出力的54.17%，造成西北电网主网频率由事故前的50.036Hz降至最低49.815Hz。
（三）2011年4月17日，河北张家口国华佳鑫风电场#8风机箱式变压器35千伏送出架空线B相引线松脱，与35千伏主干架空线路C相搭接，B、C相间短路，造成汇集至220千伏义缘变电站的4座风电场334台风电机组因不具备低电压穿越能力在系统电压跌落时脱网。大量风电机组脱网后，因部分风电场无功补偿装置电容器组不具备自动投切功能，系统无功过剩，电压迅速升高，引起接入察北站的5座风电场295台风电机组因电压保护动作脱网。本次事故脱网风电机组达到644台，损失风电出力854MW，占事故前张家口地区风电出力的48.5%，造成华北电网主网频率由事故前的50.05Hz降至最低49.95Hz。以上风电机组大规模脱网事故较为典型，对电网安全稳定运行造成较大影响。原因较为清晰，主要有以下几点：
1.风电场电缆头故障；
2.风力发电机组不具备低电压穿越能力；
3.风电场动态无功补偿装置无法快速响应；
4.风电场35kV系统接线方式不合理，单相故障不能快速切除故障，是导致故障恶化、事故扩大的主要因素之一。
二、国内外研究动态
电力系统的中性点接地方式对电力电网系统运行是很关键、敏感的问题，也是一个技术综合性问题，它对系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通讯干扰（电场电磁环境）及接地装置等的影响非常大。
在电网发展之初，由于容量很小，人们对过电流的危害作用估计也不充分，因此电力设备的中性点都采用直接接地方式。在电力、电网系统不断扩容之后，才发现单相接地故障频繁，直接接地容易造成断路器调闸从而产生频繁的停电事故，同时单相弧光接地产生的电弧很难熄灭，一旦发展成相间短路产生的危害更大，这些影响都降低了电力运行的可靠性、稳定性。
为解决这些问题，当时发达国家采取了不同的解决方式沿用到目前，一种是德国采用的为了避免对通信线路干扰并保护铁路信号的正确动作而经消弧线圈将中性点接地的方式，该方式对瞬间产生的单相接地故障有很好的消除作用；另一种是美国的中性点直接接地与经低电阻或低电抗接地配合使用的方式，同时在电气回路中配合快速继电器、快速开关装置等，瞬间跳开故障线路，该方式对电力运行设备要求严格。目前国际上各电力、电网运行系统的中性点接地基本套用他们的原理方式进行。
从目前国内、国外的情况划分，中性点接地方式主要有以下几类：
中性点全接地方式、中性点经低电抗接地、中性点经中电阻或低电阻接地方式、中性点经高电阻接地方式、中性点谐振（消弧线圈）接地方式、中性点不接地方式等。
三、风电场接地方式简介
（一）风电场35kV系统简介
风电场风机分布一般较分散，所有风电机组分成2～3组，每组10～14台风机通过集电线路并联后将电能送往升压站，再经变压器升压后与系统变电所相连实现电能外送。内部集电线路一般采用35kV电缆或架空线路输送电能，距离在3～10km。风电场升压站低压侧中性点接地可以采用不接地方式、经消弧线圈接地和经小电阻接地。
（二）风电场35kV系统接地方式
1.中性点不接地方式
采用中性点不接地方式，单相接地时允许带故障运行两小时，供电可靠性高。高电压、长距离输电线单相接地时，电容电流一般很大，在接地处容易出现间歇电弧，引起电网产生高频振荡，形成过电压。发生单相接地，另外两相电压将升高倍，容易使绝缘薄弱处击穿，引起两相接地短路。当风电场容量较小或采用架空线时，集电线路电容电流也相对较小，通常采用中性点不接地方式。 2.经消弧线圈接地方式
为克服接地电容电流过大的缺点，可采用经消弧线圈接地方式。消弧线圈是一个有铁芯的可调电感线圈，当发生单相接地故障时，可形成一个与接地电容电流大小接近相等、方向相反的电感电流，电感电流补偿电容电流，使流经接地处的电流变得很小，保证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间歇接地过电压。通常消弧线圈最大补偿电流与最小补偿电流之比取2：1或2.5：1，并装设5～9个分调节接头。
采用消弧线圈接地方式的优点是当集电网容性电流变化时，消弧线圈接入容量调整方便；可降低线路单相接地时故障点的残流，有利于接地电弧的熄灭，避免长时间燃弧而导致相间短路。缺点是使小电流选线装置灵敏度降低，甚至无法选线；易产生串联谐振过电压现象，放大了变压器高压侧到低压侧的传递过电压；当采用电感电流来抵消电容电流时，无法抵消弧光接地时的全部高频分量，不能有效地限制弧光接地过电压。当风电场集电线路采用电缆线路，且线路较长电容电流大于10A时，35kV中性点一般采用消弧线圈接地方式。
3.经小电阻接地方式
对于中性点经电阻接地的系统，在线路发生单相接地故障时，故障电流一般在100～1000A之间。保护装置可以根据检测到的故障电流，快速切除接地线路，从而不易使故障点发展为两点接地故障，有利于缩短故障线路修复时间。在接地故障期间，非故障相的电压也不高于线电压。此外，这种接地方式可以将系统发生接地故障时运行设备及城市通信系统的影响限制到最小程度；中性点设备投资费用也不高；事故率可降低，有利于整个系统安全可靠运行。对部分架空供电线路，还可以采用自动重合闸装置，以提高其对用户供电的可靠性。
四、风电场35kV接地方式选择
当风电场35kV集电电缆较长时，需要的消弧线圈容量很大，会超出厂家可以生产的最大容量的消弧线圈，此时可以采用经小电阻接地方式。与经消弧线圈方式相比，经小电阻接地方式改变了接地电流相位，加速了回路中的残余电荷的泄放，促使接地电弧自熄，降低弧光间歇接地过电压，同时可提供足够的电流和零序电压，使零序保护可靠动作。
系统发生单相接地故障时，非故障相的稳态电压升高比采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式的稳态电压升高稍低。由于其显著的阻尼作用，可消除由于各种原因引起的系统谐振过电压，采用电阻接地是消除频繁发生的PT谐振过电压的最有效的办法。中性点电阻对系统正常运行时的中性点位移电压具有抑制作用，使中性点位移电压减小。在正常运行时，接地变压器和接地电阻几乎是处于空载状态，只有在发生单相接地故障时，接地变才承受短时冲击电流。
采用中性点经小电阻接地方式，有利于无间隙避雷器的使用，不仅限制系统内的过电压水平，又可以降低雷电冲击过电压水平。中性点经小电阻接地与线路零序保护配合，可准确地判断出故障线路并迅速切除，有利于可靠切除故障集电线路，减小对系统影响。同时故障时由于及时切除电源，可减少发生人身安全事故的机会。
当线路参数不对称会产生流过接地变压器中性点的零序电流，变电所接地网接地不良会导致接地变压器中性点零序电压加大。线路参数不对称达到一定的程度或两个因素的同时存在将引起接地变压器零序电流保护误动。因此应加强对电缆线路参数对称性及变电所接地网接地完好性的监测。
综上所述，当电容电流小于10A时，可以选用中性点不接地方式。当电容电流大于10A时，采用经消弧线圈接地方式较合适。考虑到经消弧线圈接地方式均采取过补偿方式，目前消弧线圈最大制造容量为3150kVA，其对应的允许电容电流应为100A左右，再考虑脱谐度10%的要求，当集电网系统的电容电流超过80A时，不宜选用经消弧线圈接地方式，而宜选用经小电阻接地方式。当集电线路采取较长电缆线路时，从技术性能上分析，风电场升压站低压侧中性点宜采用低电阻接地方式，并配置集电线路零序保护和监测电缆线路参数对称性及变电所接地网接地完好性。
参考文献
[1]Kayikci M，Milanovic J V.Assessing transient responseof DFIG-based wind plants-the influence of model simplificationsand parameters[J].IEEE Trans on Power Systems，2008，23（2）：545-554.
[2]Poller M.A.Doubly-fed induction machine models forstability assessment of wind farms[C].2003.IEEE Power Tech Conference Proceedings，Bologna，Italy，2003.
[3]连振祥，勿日汗.风机脱网事故频发能否催生风电“整风”新局[J].中国新能源，2011（7）：31-32.
[4]电力工业部绝缘配合标准化技术委员会.DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京：中国标准出版社，2000.
[5]贺栋栋，张桂怀，杨润田，等.中压电网中性点不同接地方式的弧光过电压仿真研究[J].内蒙古电力技术，2010，29（4）：10-14.
[6]DL/T5222，2005，导体和电器选择设计技术规定[S].
【关键词】接地方式；快速跳闸；低电压穿越
一、背景及其意义
近年来，我国风电产业发展突飞猛进，根据中国可再生能源学会风能专业委员会统计口径显示，2012年，中国（不包括台湾地区）新增安装风电机组7872台，装机容量12960MW，同比下降26.5%；累计安装风电机组53764台，装机容量75324.2MW，同比增长20.8%。国家以“建设大基地、融入大电网”的思路发展中国风电产业，导致风电项目开发非常集中，随着风电装机容量井喷式的扩大，风电场电气设备频发故障，特别是2011年上半年连续发生了三起大规模风电机组脱网典型事故：
（一）2011年2月24日，甘肃中电酒泉风力发电有限公司桥西第一风电场35B开关间隔C相电缆头故障绝缘击穿，造成三相短路，导致包括桥西第一风电场在内的10座风电场中274台风电机组因不具备低电压穿越能力在系统电压跌落时脱网。大量风电机组脱网后，因风电场无功补偿装置电容器组不具备自动投切功能，系统无功过剩，电压迅速升高，引起6座风电场中300台风电机组因电压保护动作脱网。此外，事故过程中还有24台风电机组因频率越限保护动作脱网。本次事故脱网风电机组达到598台，损失出力840.43MW，占事故前酒泉地区风电出力的54.4%，造成西北电网主网频率由事故前的50.034Hz降至最低49.854Hz。
（二）2011年4月17日，甘肃瓜州协合风力发电有限公司干河口西第二风电场35C2-09箱变高压侧电缆头击穿、35D2-10箱变电缆三相连接处击穿，35C2、35D2两条馈线跳闸，切除25台风电机组。随后，35kV配电室35D母线PT柜着火，3502开关跳闸，切除97台风电机组。事故同时造成其它12座风电场中536台风电机组因不具备低电压穿越能力在系统电压跌落时脱网。大量风电机组脱网后，因部分风电场无功补偿装置电容器组不具备自动投切功能，系统无功过剩，电压迅速升高，引起2座风电场中44台风电机组因电压保护动作脱网。本次事故脱网风电机组达到702台，损失出力1006.223MW，占事故前酒泉地区风电出力的54.17%，造成西北电网主网频率由事故前的50.036Hz降至最低49.815Hz。
（三）2011年4月17日，河北张家口国华佳鑫风电场#8风机箱式变压器35千伏送出架空线B相引线松脱，与35千伏主干架空线路C相搭接，B、C相间短路，造成汇集至220千伏义缘变电站的4座风电场334台风电机组因不具备低电压穿越能力在系统电压跌落时脱网。大量风电机组脱网后，因部分风电场无功补偿装置电容器组不具备自动投切功能，系统无功过剩，电压迅速升高，引起接入察北站的5座风电场295台风电机组因电压保护动作脱网。本次事故脱网风电机组达到644台，损失风电出力854MW，占事故前张家口地区风电出力的48.5%，造成华北电网主网频率由事故前的50.05Hz降至最低49.95Hz。以上风电机组大规模脱网事故较为典型，对电网安全稳定运行造成较大影响。原因较为清晰，主要有以下几点：
1.风电场电缆头故障；
2.风力发电机组不具备低电压穿越能力；
3.风电场动态无功补偿装置无法快速响应；
4.风电场35kV系统接线方式不合理，单相故障不能快速切除故障，是导致故障恶化、事故扩大的主要因素之一。
二、国内外研究动态
电力系统的中性点接地方式对电力电网系统运行是很关键、敏感的问题，也是一个技术综合性问题，它对系统的供电可靠性、人身安全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护、通讯干扰（电场电磁环境）及接地装置等的影响非常大。
在电网发展之初，由于容量很小，人们对过电流的危害作用估计也不充分，因此电力设备的中性点都采用直接接地方式。在电力、电网系统不断扩容之后，才发现单相接地故障频繁，直接接地容易造成断路器调闸从而产生频繁的停电事故，同时单相弧光接地产生的电弧很难熄灭，一旦发展成相间短路产生的危害更大，这些影响都降低了电力运行的可靠性、稳定性。
为解决这些问题，当时发达国家采取了不同的解决方式沿用到目前，一种是德国采用的为了避免对通信线路干扰并保护铁路信号的正确动作而经消弧线圈将中性点接地的方式，该方式对瞬间产生的单相接地故障有很好的消除作用；另一种是美国的中性点直接接地与经低电阻或低电抗接地配合使用的方式，同时在电气回路中配合快速继电器、快速开关装置等，瞬间跳开故障线路，该方式对电力运行设备要求严格。目前国际上各电力、电网运行系统的中性点接地基本套用他们的原理方式进行。
从目前国内、国外的情况划分，中性点接地方式主要有以下几类：
中性点全接地方式、中性点经低电抗接地、中性点经中电阻或低电阻接地方式、中性点经高电阻接地方式、中性点谐振（消弧线圈）接地方式、中性点不接地方式等。
三、风电场接地方式简介
（一）风电场35kV系统简介
风电场风机分布一般较分散，所有风电机组分成2～3组，每组10～14台风机通过集电线路并联后将电能送往升压站，再经变压器升压后与系统变电所相连实现电能外送。内部集电线路一般采用35kV电缆或架空线路输送电能，距离在3～10km。风电场升压站低压侧中性点接地可以采用不接地方式、经消弧线圈接地和经小电阻接地。
（二）风电场35kV系统接地方式
1.中性点不接地方式
采用中性点不接地方式，单相接地时允许带故障运行两小时，供电可靠性高。高电压、长距离输电线单相接地时，电容电流一般很大，在接地处容易出现间歇电弧，引起电网产生高频振荡，形成过电压。发生单相接地，另外两相电压将升高倍，容易使绝缘薄弱处击穿，引起两相接地短路。当风电场容量较小或采用架空线时，集电线路电容电流也相对较小，通常采用中性点不接地方式。 2.经消弧线圈接地方式
为克服接地电容电流过大的缺点，可采用经消弧线圈接地方式。消弧线圈是一个有铁芯的可调电感线圈，当发生单相接地故障时，可形成一个与接地电容电流大小接近相等、方向相反的电感电流，电感电流补偿电容电流，使流经接地处的电流变得很小，保证接地电弧瞬间熄灭，以消除弧光间歇接地过电压。通常消弧线圈最大补偿电流与最小补偿电流之比取2：1或2.5：1，并装设5～9个分调节接头。
采用消弧线圈接地方式的优点是当集电网容性电流变化时，消弧线圈接入容量调整方便；可降低线路单相接地时故障点的残流，有利于接地电弧的熄灭，避免长时间燃弧而导致相间短路。缺点是使小电流选线装置灵敏度降低，甚至无法选线；易产生串联谐振过电压现象，放大了变压器高压侧到低压侧的传递过电压；当采用电感电流来抵消电容电流时，无法抵消弧光接地时的全部高频分量，不能有效地限制弧光接地过电压。当风电场集电线路采用电缆线路，且线路较长电容电流大于10A时，35kV中性点一般采用消弧线圈接地方式。
3.经小电阻接地方式
对于中性点经电阻接地的系统，在线路发生单相接地故障时，故障电流一般在100～1000A之间。保护装置可以根据检测到的故障电流，快速切除接地线路，从而不易使故障点发展为两点接地故障，有利于缩短故障线路修复时间。在接地故障期间，非故障相的电压也不高于线电压。此外，这种接地方式可以将系统发生接地故障时运行设备及城市通信系统的影响限制到最小程度；中性点设备投资费用也不高；事故率可降低，有利于整个系统安全可靠运行。对部分架空供电线路，还可以采用自动重合闸装置，以提高其对用户供电的可靠性。
四、风电场35kV接地方式选择
当风电场35kV集电电缆较长时，需要的消弧线圈容量很大，会超出厂家可以生产的最大容量的消弧线圈，此时可以采用经小电阻接地方式。与经消弧线圈方式相比，经小电阻接地方式改变了接地电流相位，加速了回路中的残余电荷的泄放，促使接地电弧自熄，降低弧光间歇接地过电压，同时可提供足够的电流和零序电压，使零序保护可靠动作。
系统发生单相接地故障时，非故障相的稳态电压升高比采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式的稳态电压升高稍低。由于其显著的阻尼作用，可消除由于各种原因引起的系统谐振过电压，采用电阻接地是消除频繁发生的PT谐振过电压的最有效的办法。中性点电阻对系统正常运行时的中性点位移电压具有抑制作用，使中性点位移电压减小。在正常运行时，接地变压器和接地电阻几乎是处于空载状态，只有在发生单相接地故障时，接地变才承受短时冲击电流。
采用中性点经小电阻接地方式，有利于无间隙避雷器的使用，不仅限制系统内的过电压水平，又可以降低雷电冲击过电压水平。中性点经小电阻接地与线路零序保护配合，可准确地判断出故障线路并迅速切除，有利于可靠切除故障集电线路，减小对系统影响。同时故障时由于及时切除电源，可减少发生人身安全事故的机会。
当线路参数不对称会产生流过接地变压器中性点的零序电流，变电所接地网接地不良会导致接地变压器中性点零序电压加大。线路参数不对称达到一定的程度或两个因素的同时存在将引起接地变压器零序电流保护误动。因此应加强对电缆线路参数对称性及变电所接地网接地完好性的监测。
综上所述，当电容电流小于10A时，可以选用中性点不接地方式。当电容电流大于10A时，采用经消弧线圈接地方式较合适。考虑到经消弧线圈接地方式均采取过补偿方式，目前消弧线圈最大制造容量为3150kVA，其对应的允许电容电流应为100A左右，再考虑脱谐度10%的要求，当集电网系统的电容电流超过80A时，不宜选用经消弧线圈接地方式，而宜选用经小电阻接地方式。当集电线路采取较长电缆线路时，从技术性能上分析，风电场升压站低压侧中性点宜采用低电阻接地方式，并配置集电线路零序保护和监测电缆线路参数对称性及变电所接地网接地完好性。
参考文献
[1]Kayikci M，Milanovic J V.Assessing transient responseof DFIG-based wind plants-the influence of model simplificationsand parameters[J].IEEE Trans on Power Systems，2008，23（2）：545-554.
[2]Poller M.A.Doubly-fed induction machine models forstability assessment of wind farms[C].2003.IEEE Power Tech Conference Proceedings，Bologna，Italy，2003.
[3]连振祥，勿日汗.风机脱网事故频发能否催生风电“整风”新局[J].中国新能源，2011（7）：31-32.
[4]电力工业部绝缘配合标准化技术委员会.DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京：中国标准出版社，2000.
[5]贺栋栋，张桂怀，杨润田，等.中压电网中性点不同接地方式的弧光过电压仿真研究[J].内蒙古电力技术，2010，29（4）：10-14.
[6]DL/T5222，2005，导体和电器选择设计技术规定[S].