0引言

近年來,隨著我國積極推動“雙碳”目標實施,新能源行業(yè)得到了迅速發(fā)展,光伏發(fā)電和風力發(fā)電等新能源項目在總發(fā)電裝機規(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)定運行帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。

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

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

為此,本文提出了優(yōu)化措施,包括調整保護定值、增加方向元件等,以提高保護的可靠性和選擇性。經(jīng)過實際應用驗證,本文所提優(yōu)化后的保護方案有效減少了誤動和拒動現(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踐中遇到的實際問題,也為日后類似工程提供了參考與借鑒,推動了新能源分布式小電源與電網(wǎng)保護的協(xié)調發(fā)展。

1 主變間隙零序保護介紹

隨著分布式電源的廣泛應用,其并網(wǎng)技術日益受到關注。目前,根據(jù)分布式電源典型設計,單個并網(wǎng)在0.4~6 MW裝機容量的小電源并網(wǎng)項目,經(jīng)10kv電壓等級接入110 kv變電站,再通過110 kv主變高壓側送入電網(wǎng)。

分級絕緣變壓器因簡化絕緣結構、節(jié)省材料等優(yōu)點,在110 kv及以上電壓等級的中性點直接接地系統(tǒng)中得到廣泛應用。然而,當變壓器中性點不接地運行時,可能出現(xiàn)中性點過電壓問題,威脅設備安全。因此,在變壓器中性點裝設放電間隙是必要的。放電間隙能夠在過電壓情況下及時導通,將中性點電壓限制在安全范圍內(nèi),有效保護變壓器絕緣。

零序過電流保護用于中性點直接接地和經(jīng)放電間隙接地,能夠確保在不同接地方式下,變壓器發(fā)生接地故障時都能可靠動作。零序過電壓保護則作為輔助保護,進一步提高系統(tǒng)的安全性。當電網(wǎng)失去接地中性點且發(fā)生單相接地故障時,零序電流和零序電壓會迅速升高,觸發(fā)保護裝置動作,經(jīng)0.3~0.5 s時限斷開變壓器各側斷路器,避免故障擴大[3]。

分級絕緣變壓器在不接地運行時,間隙零序電流保護和零序電壓保護共同構成“或”邏輯關系,即只要其中一個保護動作,就會觸發(fā)同一時限段動作,實現(xiàn)變壓器各側斷路器全跳。這種保護方式能夠有效應對變壓器中性點不接地運行時可能出現(xiàn)的各種故障情況,確保變壓器的安全運行。中性點經(jīng)放電間隙接地的分級絕緣變壓器接地保護原理如圖1所示[4],該保護原理在實際工程中得到了廣泛應用,其可靠性和有效性得到了充分驗證。

2某光伏項目主變零序間隙保護切小電源的具體要求

江蘇某廠區(qū)原配置2臺110 kv主變,主變?nèi)萘繛?0 MvA,型號為SZ11—M—50000/110。110 kv側采用雙母單分段接線,具有較高的供電可靠性和運行靈活性,能夠滿足廠區(qū)的用電需求。每臺主變10 kv側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)各負荷提供穩(wěn)定的電力供應。

為響應國家節(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 目。該項目充分利用廠房屋頂資源,實現(xiàn)清潔能源的高效利用。光伏總裝機容量為24 MW,由4個6 MW光伏發(fā)電單元組成,每個發(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MPPT技術,確保在不同光照條件下都能高效運行。再通過3臺2 000 kvA箱變升壓至10 kv后,由4個10 kv并網(wǎng)點接入廠區(qū)原配電室10 kv母線并網(wǎng),實現(xiàn)與廠區(qū)原有電力系統(tǒng)的無縫對接。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),實現(xiàn)清潔能源的最大化利用。

本項目接入示意圖如圖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)定運行。

在本光伏發(fā)電項目的接入報告中,繼電保護及安全自動裝置均按照常規(guī)配置進行設計與實施。特別值得注意的是,報告中對主變后備保護提出了特殊要求。經(jīng)核實,原有的110 kv主變保護已經(jīng)具備間隙零序保護功能。在本光伏發(fā)電項目正式投運之前,需要對這一間隙零序保護功能進行投入并整定,以確保其能夠完善地實現(xiàn)對光伏有源側的跳閘保護。這一措施是基于確保在光伏小電源接入電網(wǎng)后,當分級絕緣變壓器處于中性點不接地方式運行且發(fā)生單相接地短路故障時,主變間隙零序保護能夠迅速、準確且可靠地動作,進而跳開主變各側開關,實現(xiàn)故障的有效隔離。此外,為了進一步完善系統(tǒng)的安全性和可靠性,還應確保間隙保護能夠跳開各小電源并網(wǎng)開關。

然而,電網(wǎng)接入報告中僅對主變間隙保護切小電源回路這一具體要求進行了明確,但并未對為何需要如此配置保護的具體原因進行深入說明和分析。因此,下文將針對電網(wǎng)提出的這一要求進行詳細且具體的分析,旨在幫助讀者充分理解其中所蘊含的保護邏輯關系,從而更好地把握繼電保護系統(tǒng)在這一特定場景下的運行機制和設計思路。

3 主變零序間隙保護切小電源邏輯分析

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

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,如光伏小電源側發(fā)生單相接地故障,此時經(jīng)第一時限跳開小電源,以縮小故障范圍,經(jīng)第二時限跳開斷路器各側開關,以切除故障點。

如系統(tǒng)側線路發(fā)生單相接地故障,則經(jīng)第一時限跳開小電源,以防止小電源繼續(xù)對故障點提供短路電流,延長短路時間,擴大故障對電力系統(tǒng)和電氣設備的影響;同時,跳開小電源可為后續(xù)線路重合閘提供前置條件,確保小電源側無壓;經(jīng)第二時限跳開變壓器各側開關,以切除故障點。

4 結束語

綜上分析,隨著光伏、風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)定運行,相應的110 kv及以上主變必須配置完善的間隙零序電流互感器(CT),并配備具有兩段時限的間隙零序過流保護裝置。具體而言,短時限保護應動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;長時限保護則應動作于跳開主變壓器各側開關,以徹底切除故障點,防止故障進一步擴大。

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

[參考文獻]

[1] 王嘉,富志生,楊新龍.“雙碳”目標下鋼鐵的“風光”發(fā)展之路[J].金屬世界,2025(1):25—28.

《機電信息》2025年第21期第5篇