关于主变中性点间隙零序保护跳小电源的分析

0引言

近年来,随着我国积极推动“双碳”目标实施,新能源行业得到了迅速发展,光伏发电和风力发电等新能源项目在总发电装机规模中的占比逐年上升[1—2]。这一快速发展过程中,光伏和风电等分布式小电源接入电网工程日益增多,给电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。

分布式小电源的装机容量相对较小,并网线路的保护灵敏度较低,若与其他保护措施配合不当,极易导致变电站全站停电等重大事故,严重影响电网的供电可靠性。

基于实际工程案例,本文主要对主变中性点间隙零序保护与新能源分布式小电源之间的保护配合进行深入分析。通过理论研究与现场测试相结合的方法,探讨了间隙零序保护的动作特性、整定原则以及与小电源保护的协调性。研究发现,间隙零序保护在小电源接入情况下,存在动作死区和灵敏度不足的问题。

为此,本文提出了优化措施,包括调整保护定值、增加方向元件等,以提高保护的可靠性和选择性。经过实际应用验证,本文所提优化后的保护方案有效减少了误动和拒动现象,显著提升了电网的供电可靠性。本文的研究成果不仅解决了工程实践中遇到的实际问题,也为日后类似工程提供了参考与借鉴,推动了新能源分布式小电源与电网保护的协调发展。

1 主变间隙零序保护介绍

随着分布式电源的广泛应用,其并网技术日益受到关注。目前,根据分布式电源典型设计,单个并网在0.4~6 MW装机容量的小电源并网项目,经10kv电压等级接入110 kv变电站,再通过110 kv主变高压侧送入电网。

分级绝缘变压器因简化绝缘结构、节省材料等优点,在110 kv及以上电压等级的中性点直接接地系统中得到广泛应用。然而,当变压器中性点不接地运行时,可能出现中性点过电压问题,威胁设备安全。因此,在变压器中性点装设放电间隙是必要的。放电间隙能够在过电压情况下及时导通,将中性点电压限制在安全范围内,有效保护变压器绝缘。

零序过电流保护用于中性点直接接地和经放电间隙接地,能够确保在不同接地方式下,变压器发生接地故障时都能可靠动作。零序过电压保护则作为辅助保护,进一步提高系统的安全性。当电网失去接地中性点且发生单相接地故障时,零序电流和零序电压会迅速升高,触发保护装置动作,经0.3~0.5 s时限断开变压器各侧断路器,避免故障扩大[3]。

分级绝缘变压器在不接地运行时,间隙零序电流保护和零序电压保护共同构成“或”逻辑关系,即只要其中一个保护动作,就会触发同一时限段动作,实现变压器各侧断路器全跳。这种保护方式能够有效应对变压器中性点不接地运行时可能出现的各种故障情况,确保变压器的安全运行。中性点经放电间隙接地的分级绝缘变压器接地保护原理如图1所示[4],该保护原理在实际工程中得到了广泛应用,其可靠性和有效性得到了充分验证。

2某光伏项目主变零序间隙保护切小电源的具体要求

江苏某厂区原配置2台110 kv主变,主变容量为50 MvA,型号为SZ11—M—50000/110。110 kv侧采用双母单分段接线,具有较高的供电可靠性和运行灵活性,能够满足厂区的用电需求。每台主变10 kv侧分别连接两段单母线,共形成4段10 kv单母线,为厂区内各负荷提供稳定的电力供应。

为响应国家节能减排政策,助力厂区低碳发展,规划在厂区内各屋顶新建分布式光伏发电项 目。该项目充分利用厂房屋顶资源,实现清洁能源的高效利用。光伏总装机容量为24 MW,由4个6 MW光伏发电单元组成,每个发电单元的光伏组件均采用高效单晶硅材料,具有较高的转换效率。光伏组件吸收太阳光能形成直流电源,经逆变器逆变成800v交流电,逆变器采用先进MPPT技术,确保在不同光照条件下都能高效运行。再通过3台2 000 kvA箱变升压至10 kv后,由4个10 kv并网点接入厂区原配电室10 kv母线并网,实现与厂区原有电力系统的无缝对接。光伏电站发电量采用“自发自用,余电上网”的模式并网,光伏发电优先供给厂区内负荷使用,有效降低厂区用电成本。多余电量分别经厂区内110 kv主变升压,最终由3回110 kv出线送至公共电网,实现清洁能源的最大化利用。

本项目接入示意图如图2所示,该接入方式充分考虑了厂区电网的承载能力和运行稳定性,确保光伏电站在不同工况下都能安全稳定运行。

在本光伏发电项目的接入报告中,继电保护及安全自动装置均按照常规配置进行设计与实施。特别值得注意的是,报告中对主变后备保护提出了特殊要求。经核实,原有的110 kv主变保护已经具备间隙零序保护功能。在本光伏发电项目正式投运之前,需要对这一间隙零序保护功能进行投入并整定,以确保其能够完善地实现对光伏有源侧的跳闸保护。这一措施是基于确保在光伏小电源接入电网后,当分级绝缘变压器处于中性点不接地方式运行且发生单相接地短路故障时,主变间隙零序保护能够迅速、准确且可靠地动作,进而跳开主变各侧开关,实现故障的有效隔离。此外,为了进一步完善系统的安全性和可靠性,还应确保间隙保护能够跳开各小电源并网开关。

然而,电网接入报告中仅对主变间隙保护切小电源回路这一具体要求进行了明确,但并未对为何需要如此配置保护的具体原因进行深入说明和分析。因此,下文将针对电网提出的这一要求进行详细且具体的分析,旨在帮助读者充分理解其中所蕴含的保护逻辑关系,从而更好地把握继电保护系统在这一特定场景下的运行机制和设计思路。

3 主变零序间隙保护切小电源逻辑分析

在单电源系统中,根据GB/T14285—2023《继电保护和安全自动装置技术规程》规定[5],“对分级绝缘变压器,应在变压器中性点配置放电间隙,除按规范要求配置用于中性点直接接地时的零序过电流保护之外,还应配置用于经放电间隙接地的间隙零序过电流保护,并增配零序过电压保护。当变压器所接的电网失去接地中性点,又发生单相接地故障时,零序过电压保护和/或间隙零序过电流保护带时限动作于跳开变压器各侧断路器”。依据上述规范条文可知,在110 kv分级绝缘主变中性点隔刀打开时,主变处于失地状态,电网正常运行时,三相电压处于平衡状态,主变中性点电压接近于零,主变间隙未达到击穿电压,中性点为不接地运行;若发生单相接地故障,主变中性点电压升高为故障相电压,远大于间隙动作电压,此时中性点间隙被击穿,主变中性点通过间隙与地形成通路,流过短路电流,此电流远大于间隙电流保护的一次整定电流(通常为100 A),此时主变间隙电流保护动作,经一较短延时(躲过暂态过电压时间)断开变压器各侧断路器。

光伏小电源接入系统后,电力系统变为双电源或多电源系统,按上述接入系统要求,如光伏小电源侧发生单相接地故障,此时经第一时限跳开小电源,以缩小故障范围,经第二时限跳开断路器各侧开关,以切除故障点。

如系统侧线路发生单相接地故障,则经第一时限跳开小电源,以防止小电源继续对故障点提供短路电流,延长短路时间,扩大故障对电力系统和电气设备的影响;同时,跳开小电源可为后续线路重合闸提供前置条件,确保小电源侧无压;经第二时限跳开变压器各侧开关,以切除故障点。

4 结束语

综上分析,随着光伏、风电等分布式小电源大规模接入电力系统,为确保电网的安全稳定运行,相应的110 kv及以上主变必须配置完善的间隙零序电流互感器(CT),并配备具有两段时限的间隙零序过流保护装置。具体而言,短时限保护应动作于跳开小电源并网线路,以迅速隔离故障部分,缩小故障影响范围;长时限保护则应动作于跳开主变压器各侧开关,以彻底切除故障点,防止故障进一步扩大。

这种保护配置策略对于降低分布式小电源对电力系统的影响程度至关重要,它能在故障发生时及时有效地切除故障部分,最大限度地减少对电网的冲击,保证电力系统的稳定运行,提高电网的可靠性。同时,这一配置也体现了在分布式电源接入背景下对继电保护系统选择性、速动性和灵敏性要求的全面提升,为实现新型电力系统的安全稳定运行提供了坚实保障。

[参考文献]

[1] 王嘉,富志生,杨新龙.“双碳”目标下钢铁的“风光”发展之路[J].金属世界,2025(1):25—28.

[2]郑琼,江丽霞,徐玉杰,等.碳达峰、碳中和背景下储能技术研究进展与发展建议[J].中国科学院院刊,2022,37(4):529-540.

[3] 大型发电机变压器继电保护整定计算导则:DL/T 684—2012[5].

[4] 中国电力工程顾问集团有限公司.电力工程设计手册 火力发电厂电气二次设计 [M].北京:中国 电力出版社,2018.

[5] 继电保护和安全自动装置技术规程:GB/T 14285—2023[s].