0引言

近年來,隨著我國積極推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)實(shí)施,新能源行業(yè)得到了迅速發(fā)展,光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等新能源項(xiàng)目在總發(fā)電裝機(jī)規(guī)模中的占比逐年上升[1—2]。這一快速發(fā)展過程中,光伏和風(fēng)電等分布式小電源接入電網(wǎng)工程日益增多,給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

分布式小電源的裝機(jī)容量相對(duì)較小,并網(wǎng)線路的保護(hù)靈敏度較低,若與其他保護(hù)措施配合不當(dāng),極易導(dǎo)致變電站全站停電等重大事故,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的供電可靠性。

基于實(shí)際工程案例,本文主要對(duì)主變中性點(diǎn)間隙零序保護(hù)與新能源分布式小電源之間的保護(hù)配合進(jìn)行深入分析。通過理論研究與現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法,探討了間隙零序保護(hù)的動(dòng)作特性、整定原則以及與小電源保護(hù)的協(xié)調(diào)性。研究發(fā)現(xiàn),間隙零序保護(hù)在小電源接入情況下,存在動(dòng)作死區(qū)和靈敏度不足的問題。

為此,本文提出了優(yōu)化措施,包括調(diào)整保護(hù)定值、增加方向元件等,以提高保護(hù)的可靠性和選擇性。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證,本文所提優(yōu)化后的保護(hù)方案有效減少了誤動(dòng)和拒動(dòng)現(xiàn)象,顯著提升了電網(wǎng)的供電可靠性。本文的研究成果不僅解決了工程實(shí)踐中遇到的實(shí)際問題,也為日后類似工程提供了參考與借鑒,推動(dòng)了新能源分布式小電源與電網(wǎng)保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 主變間隙零序保護(hù)介紹

隨著分布式電源的廣泛應(yīng)用,其并網(wǎng)技術(shù)日益受到關(guān)注。目前,根據(jù)分布式電源典型設(shè)計(jì),單個(gè)并網(wǎng)在0.4~6 MW裝機(jī)容量的小電源并網(wǎng)項(xiàng)目,經(jīng)10kv電壓等級(jí)接入110 kv變電站,再通過110 kv主變高壓側(cè)送入電網(wǎng)。

分級(jí)絕緣變壓器因簡化絕緣結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料等優(yōu)點(diǎn),在110 kv及以上電壓等級(jí)的中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。然而,當(dāng)變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行時(shí),可能出現(xiàn)中性點(diǎn)過電壓問題,威脅設(shè)備安全。因此,在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)放電間隙是必要的。放電間隙能夠在過電壓情況下及時(shí)導(dǎo)通,將中性點(diǎn)電壓限制在安全范圍內(nèi),有效保護(hù)變壓器絕緣。

零序過電流保護(hù)用于中性點(diǎn)直接接地和經(jīng)放電間隙接地,能夠確保在不同接地方式下,變壓器發(fā)生接地故障時(shí)都能可靠動(dòng)作。零序過電壓保護(hù)則作為輔助保護(hù),進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。當(dāng)電網(wǎng)失去接地中性點(diǎn)且發(fā)生單相接地故障時(shí),零序電流和零序電壓會(huì)迅速升高,觸發(fā)保護(hù)裝置動(dòng)作,經(jīng)0.3~0.5 s時(shí)限斷開變壓器各側(cè)斷路器,避免故障擴(kuò)大[3]。

分級(jí)絕緣變壓器在不接地運(yùn)行時(shí),間隙零序電流保護(hù)和零序電壓保護(hù)共同構(gòu)成“或”邏輯關(guān)系,即只要其中一個(gè)保護(hù)動(dòng)作,就會(huì)觸發(fā)同一時(shí)限段動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)變壓器各側(cè)斷路器全跳。這種保護(hù)方式能夠有效應(yīng)對(duì)變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的各種故障情況,確保變壓器的安全運(yùn)行。中性點(diǎn)經(jīng)放電間隙接地的分級(jí)絕緣變壓器接地保護(hù)原理如圖1所示[4],該保護(hù)原理在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用,其可靠性和有效性得到了充分驗(yàn)證。

2某光伏項(xiàng)目主變零序間隙保護(hù)切小電源的具體要求

江蘇某廠區(qū)原配置2臺(tái)110 kv主變,主變?nèi)萘繛?0 MvA,型號(hào)為SZ11—M—50000/110。110 kv側(cè)采用雙母單分段接線,具有較高的供電可靠性和運(yùn)行靈活性,能夠滿足廠區(qū)的用電需求。每臺(tái)主變10 kv側(cè)分別連接兩段單母線,共形成4段10 kv單母線,為廠區(qū)內(nèi)各負(fù)荷提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

為響應(yīng)國家節(jié)能減排政策,助力廠區(qū)低碳發(fā)展,規(guī)劃在廠區(qū)內(nèi)各屋頂新建分布式光伏發(fā)電項(xiàng) 目。該項(xiàng)目充分利用廠房屋頂資源,實(shí)現(xiàn)清潔能源的高效利用。光伏總裝機(jī)容量為24 MW,由4個(gè)6 MW光伏發(fā)電單元組成,每個(gè)發(fā)電單元的光伏組件均采用高效單晶硅材料,具有較高的轉(zhuǎn)換效率。光伏組件吸收太陽光能形成直流電源,經(jīng)逆變器逆變成800v交流電,逆變器采用先進(jìn)MPPT技術(shù),確保在不同光照條件下都能高效運(yùn)行。再通過3臺(tái)2 000 kvA箱變升壓至10 kv后,由4個(gè)10 kv并網(wǎng)點(diǎn)接入廠區(qū)原配電室10 kv母線并網(wǎng),實(shí)現(xiàn)與廠區(qū)原有電力系統(tǒng)的無縫對(duì)接。光伏電站發(fā)電量采用“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”的模式并網(wǎng),光伏發(fā)電優(yōu)先供給廠區(qū)內(nèi)負(fù)荷使用,有效降低廠區(qū)用電成本。多余電量分別經(jīng)廠區(qū)內(nèi)110 kv主變升壓,最終由3回110 kv出線送至公共電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)清潔能源的最大化利用。

本項(xiàng)目接入示意圖如圖2所示,該接入方式充分考慮了廠區(qū)電網(wǎng)的承載能力和運(yùn)行穩(wěn)定性,確保光伏電站在不同工況下都能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在本光伏發(fā)電項(xiàng)目的接入報(bào)告中,繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置均按照常規(guī)配置進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)施。特別值得注意的是,報(bào)告中對(duì)主變后備保護(hù)提出了特殊要求。經(jīng)核實(shí),原有的110 kv主變保護(hù)已經(jīng)具備間隙零序保護(hù)功能。在本光伏發(fā)電項(xiàng)目正式投運(yùn)之前,需要對(duì)這一間隙零序保護(hù)功能進(jìn)行投入并整定,以確保其能夠完善地實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏有源側(cè)的跳閘保護(hù)。這一措施是基于確保在光伏小電源接入電網(wǎng)后,當(dāng)分級(jí)絕緣變壓器處于中性點(diǎn)不接地方式運(yùn)行且發(fā)生單相接地短路故障時(shí),主變間隙零序保護(hù)能夠迅速、準(zhǔn)確且可靠地動(dòng)作,進(jìn)而跳開主變各側(cè)開關(guān),實(shí)現(xiàn)故障的有效隔離。此外,為了進(jìn)一步完善系統(tǒng)的安全性和可靠性,還應(yīng)確保間隙保護(hù)能夠跳開各小電源并網(wǎng)開關(guān)。

然而,電網(wǎng)接入報(bào)告中僅對(duì)主變間隙保護(hù)切小電源回路這一具體要求進(jìn)行了明確,但并未對(duì)為何需要如此配置保護(hù)的具體原因進(jìn)行深入說明和分析。因此,下文將針對(duì)電網(wǎng)提出的這一要求進(jìn)行詳細(xì)且具體的分析,旨在幫助讀者充分理解其中所蘊(yùn)含的保護(hù)邏輯關(guān)系,從而更好地把握繼電保護(hù)系統(tǒng)在這一特定場景下的運(yùn)行機(jī)制和設(shè)計(jì)思路。

3 主變零序間隙保護(hù)切小電源邏輯分析

在單電源系統(tǒng)中,根據(jù)GB/T14285—2023《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定[5],“對(duì)分級(jí)絕緣變壓器,應(yīng)在變壓器中性點(diǎn)配置放電間隙,除按規(guī)范要求配置用于中性點(diǎn)直接接地時(shí)的零序過電流保護(hù)之外,還應(yīng)配置用于經(jīng)放電間隙接地的間隙零序過電流保護(hù),并增配零序過電壓保護(hù)。當(dāng)變壓器所接的電網(wǎng)失去接地中性點(diǎn),又發(fā)生單相接地故障時(shí),零序過電壓保護(hù)和/或間隙零序過電流保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于跳開變壓器各側(cè)斷路器”。依據(jù)上述規(guī)范條文可知,在110 kv分級(jí)絕緣主變中性點(diǎn)隔刀打開時(shí),主變處于失地狀態(tài),電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),三相電壓處于平衡狀態(tài),主變中性點(diǎn)電壓接近于零,主變間隙未達(dá)到擊穿電壓,中性點(diǎn)為不接地運(yùn)行;若發(fā)生單相接地故障,主變中性點(diǎn)電壓升高為故障相電壓,遠(yuǎn)大于間隙動(dòng)作電壓,此時(shí)中性點(diǎn)間隙被擊穿,主變中性點(diǎn)通過間隙與地形成通路,流過短路電流,此電流遠(yuǎn)大于間隙電流保護(hù)的一次整定電流(通常為100 A),此時(shí)主變間隙電流保護(hù)動(dòng)作,經(jīng)一較短延時(shí)(躲過暫態(tài)過電壓時(shí)間)斷開變壓器各側(cè)斷路器。

光伏小電源接入系統(tǒng)后,電力系統(tǒng)變?yōu)殡p電源或多電源系統(tǒng),按上述接入系統(tǒng)要求,如光伏小電源側(cè)發(fā)生單相接地故障,此時(shí)經(jīng)第一時(shí)限跳開小電源,以縮小故障范圍,經(jīng)第二時(shí)限跳開斷路器各側(cè)開關(guān),以切除故障點(diǎn)。

如系統(tǒng)側(cè)線路發(fā)生單相接地故障,則經(jīng)第一時(shí)限跳開小電源,以防止小電源繼續(xù)對(duì)故障點(diǎn)提供短路電流,延長短路時(shí)間,擴(kuò)大故障對(duì)電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的影響;同時(shí),跳開小電源可為后續(xù)線路重合閘提供前置條件,確保小電源側(cè)無壓;經(jīng)第二時(shí)限跳開變壓器各側(cè)開關(guān),以切除故障點(diǎn)。

4 結(jié)束語

綜上分析,隨著光伏、風(fēng)電等分布式小電源大規(guī)模接入電力系統(tǒng),為確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,相應(yīng)的110 kv及以上主變必須配置完善的間隙零序電流互感器(CT),并配備具有兩段時(shí)限的間隙零序過流保護(hù)裝置。具體而言,短時(shí)限保護(hù)應(yīng)動(dòng)作于跳開小電源并網(wǎng)線路,以迅速隔離故障部分,縮小故障影響范圍;長時(shí)限保護(hù)則應(yīng)動(dòng)作于跳開主變壓器各側(cè)開關(guān),以徹底切除故障點(diǎn),防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

這種保護(hù)配置策略對(duì)于降低分布式小電源對(duì)電力系統(tǒng)的影響程度至關(guān)重要,它能在故障發(fā)生時(shí)及時(shí)有效地切除故障部分,最大限度地減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊,保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,提高電網(wǎng)的可靠性。同時(shí),這一配置也體現(xiàn)了在分布式電源接入背景下對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)選擇性、速動(dòng)性和靈敏性要求的全面提升,為實(shí)現(xiàn)新型電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障。

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《機(jī)電信息》2025年第21期第5篇