光伏电站集电线路单相接地故障相电流特性分析

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第41 卷第 9期

2017 年9月

Vo1.41 No 9

Sep..2017 湖北电力

0前言

光伏作为可再生能源在电力系统应用广泛，逐

步从小容量、分布式、低电压向大容量、集中式、高

电压快速发展。大容量集中式光伏电站典型接线

是光伏发电单元连接逆变器，一般两组逆变器公用

一台箱变升压至 35 kV，多台箱变在高压侧并联为 1

个联合单元，汇流成 1回35 kV 集电线路，多条集电

线路汇集经升压变接入系统。光伏电站集电线路

一般均为电缆线路，大量电缆线路致使发生单相接

地故障时对地电容电流大幅增加[1] ，当短路电路达

到一定数值（大于 30 A）时，接地电流所产生的电弧

不能自行熄灭，势必发展成为相间故障，并且因为

断续性弧光接地，引起较高的弧光过电压，会波及

整个集电线系统，使绝缘薄弱的地方击穿，引发大

事故，危急设备和人身安全，故而规程要求集电线

单相接地故障应快速切除[2] 。光伏电站采取的措施

是在集电线母线加装接地变压器，利用单线接地故

障零序电流切除故障，同时为限制过大的零序电

流，接地变压器经由一小电阻接地，接地变加小电

阻以及光伏发电单元自身特性，使得光伏电站集电

线路发生单相接地故障时，故障相电流呈现与常规

系统迥异的特征[3] ，故障相电流不是增大反而减小，

极端情况接近于 0。本文详细分析此现象产生的原

因及其运行中应对措施。

光伏电站集电线路单相接地故障相电流特性分析

王紫薇 1，王晶 2，肖繁 2

(1.三峡大学,湖北宜昌 443002;

2.国网湖北省电力公司,湖北武汉 430077)

[摘要]集中式光伏电站为快速切除单相接地故障，采取集电线母线配置接地变且中性点经小电阻

接地方式，接地变加小电阻以及光伏发电单元自身特性，使得光伏电站集电线路发生单相接地故障时，故障

相电流呈现与常规系统迥异的特征，故障相电流不是增大反而减小，极端情况接近于 0，本文从理论分析、

实例计算及仿真多方面分析揭示了这一特性产生的原因，指出了运行中应关注的问题及其应对措施。

[关键词]光伏电站；故障电流特性；继电保护;接地变；单相接地

[中图分类号] TM773 [文献标志码] B [文章编号] 1006

3986(2017)09

0007

Analysis on Current Characteristics of Single-phase Grounding

Fault in a Photovoltaic Power Station

WANG Ziwei1, WANG Jing2, XIAO Fan2

（1.China Three Gorges University, Hubei Yichang 443002, China;

2. State Grid Hubei Electric Power Company Limited, Wuhan Hubei 430000, China）

[Abstract]At centralized photovoltaic power station, the grounding transformer earthed through

small resistance is set with collector bus for rapidly clearing single

phase grounding fault. The

small resistance and the characteristics of photovoltaic power unit make the fault phase current

presents different from the conventional system, which is not increased but reduced, and close to ze⁃

ro in extreme situation. The causes are revealed based on theoretical analysis, example calculation

and simulation in this paper, and countermeasures and problems which should be concerned during

operation are pointed out.

[Key words]photovoltaic power station; failure current characteristics; relay; grounding transform⁃

er; single

phase grounding

[收稿日期] 2017

[作者简介]王紫薇(1997)，女，湖北黄冈人，本科，研究方向为

电气工程及自动化。

DOI：10.19308/j.hep.2017.09.002

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第41 卷第 9期

2017 年9月

Vo1.41 No 9

Sep..2017

湖北电力

1特性分析

1.1 理论分析

大量研究表明，系统发生故障时，光伏发电单

元提供的电流只含正序分量，不含负序和零序分量[4] 。

光伏太阳能电池组经逆变器接入电网，逆变器等电

力电子元件过载能力低，为保护逆变器，装有限流

环节，系统故障时其提供的正序电流不大，一般不

超过 1.2 倍额定电流，通常将其等值为受控恒流

源。光伏电站运行功率因数很高，一般在 0.95 以

上，即电流与电压相位差很小，功率因数为 1时，电

流电压同相位[5] 。

光伏电站集电线母线接有接地变压器，接地变

压器的一次侧每相线圈分成数量相等的两部分，一

相上半部分的非极性端分别与相邻相的另一半极性

端相连（A相上半部分反极性连 B相下半部分、B相

上半部分反极性连 C相下半部分、C相上半部分反极

性连 A相下半部分），构成曲折接线，三相下半的非

极性端直接相连引出中性线。接地变压器可以不带

二次绕组，即专用接地变，也可带二次绕组，二次侧

可以带变电站三相四线制负荷。一次绕组上下两部

分为相邻两相反极性连接，施加正、负序分量时，合

成矢量为相差 1200的两矢量相加，三相对称，可以带

负荷运行[6]；但施加零序时，上下绕组电流大小相等、

方向相反，零序磁势相互抵消，理论零序阻抗为 0，实

际接地变压器零序阻抗很小，实测约为 6-10 Ω，集电

线母线接入接地变压器后，因接地变零序阻抗很小，

集电线路发生单相接地故障时，零序电流很大，为限

制零序电流，通常接地变中性线经 60-100 Ω电阻接

地[7] 。经电阻接地后，限制了零序电流，同时也使得

故障点综合阻抗中电阻分量远大于电抗分量。

aI*

gfa

图1集电线路故障原理图

Fig.1 Fault schematic diagram of gather

electricity line

如图 1为光伏电站接入系统示意图，T1为集电

线母线加装接地变压器。集电线路发生故障时，光

伏发电单元并不能保持机端电压恒定，而是随系统

电压变化，不能提供有效的电压支撑，在此理论推导

中，可暂时忽略光伏单元对故障电压影响，即沿用序

分量法分析故障电压特征。集电线路单相接地时：

故障点正序电压:

UD1=ΔZ

Z1+ ΔZUD0=Z2+Z0

Z1+Z2+Z0

UD0=Z1+Z0

2Z1+Z0

UD0

其中 UD0为故障前电压，Z1，Z2，Z0分别为故障

点的正序、负序、零序综合阻抗，

ΔZ=Z2+Z0。单

相接地时，故障点正序电压与零序阻抗大小相关，

随零序阻抗增大而增大，其值介于（ 1

2, 1）*UD0

间，在光伏集电线路发生单相接地故障时，因接地

电阻所占分量很大，故障点正序电压接近 1。大量

研究表明，光伏发电单元没有负序和零序阻抗，即机

端电压为故障点正序电压与机端至故障点光伏正序

电流的产生的压降，故障时机端三相电压对称，基本

不变，根据逆变器双环控制理论，其输出电流亦三相

对称，基本为故障前三相电流[8]。发电单元运行功率

因数在 0.95 时，电流滞后电压 180，以故障点正序电

压为基准，光伏单元额定条件下，由 10 台1 000 kVA

箱变汇集的集电线路电流为 0.1 标幺值（10 台箱变汇

集一条集电线路为并网光伏典型设计），三相电流

对称，即：光电单元 A相电流 Igfa

*=0.1∠180。

假定接地变压器零序阻抗为 10 Ω，接地电阻为

100 Ω，接入系统无穷大，则故障点综合阻抗为: Z=

300+j10=300.16∠880, Z*=24.5∠880, ID1

*==0.04∠20。

故障点故障相（A相）电流：Iga

*=3ID1

*=0.12∠20。故

障点电流大小与发电单元额定出力电流大小相近，

根据叠加原理，集电线路故障相 A相电流为 Ia

Iga

*- Igfa

*。

集电线路故障相电流矢量图如图 2。

Iga*

Ia*

Igfa*

▲

﹤

图2集电线路故障相电流矢量图

Fig.2 Fault phase current of gather electricity line

由图 2可见，光伏发电单元额定功率下，故障前

集电线路电流为 Igfa

*，故障后故障相故障电流为 Ia

*，

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第41卷第9期2017年9月Vo1.41No9Sep..2017湖北电力0前言光伏作为可再生能源在电力系统应用广泛，逐步从小容量、分布式、低电压向大容量、集中式、高电压快速发展。大容量集中式光伏电站典型接线是光伏发电单元连接逆变器，一般两组逆变器公用一台箱变升压至35kV，多台箱变在高压侧并联为1个联合单元，汇流成1回35kV集电线路，多条集电线路汇集经升压变接入系统。光伏电站集电线路一般均为电缆线路，大量电缆线路致使发生单相接地故障时对地电容电流大幅增加[1]，当短路电路达到一定数值（大于30A）时，接地电流所产生的电弧不能自行熄灭，势必发展成为相间故障，并且因为断续性弧光接地，引起较高的弧...

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