新能源主變中性點接地形式及接地電阻計算

中煤天津設(shè)計工程有限責(zé)任公司 李俊香

在新能源電力系統(tǒng)中，因發(fā)生單相接地故障致使電流增大，產(chǎn)生弧光接地電壓，進而損傷變壓器鐵芯，對國家電網(wǎng)及用戶的用電穩(wěn)定造成影響。因此，新能源項目建設(shè)當(dāng)中應(yīng)充分考慮各電壓等級的接地情況。

1 新能源主變中性點接地方式的選擇

關(guān)于變電中性點接地方式，目前尚無統(tǒng)一標準，國家電網(wǎng)針對新能源項目在陸續(xù)出臺一些相關(guān)政策，如2011年國家電網(wǎng)印發(fā)了《關(guān)于印發(fā)風(fēng)電并網(wǎng)運行反事故措施要點的通知》（以下簡稱《通知》），《通知》明確提出當(dāng)風(fēng)電場匯集線路發(fā)生單相故障時應(yīng)快速切除該線路。新能源項目中匯集線采用經(jīng)小電阻或者消弧線圈接地，當(dāng)某一匯集線出現(xiàn)單相接地故障時，保護應(yīng)快速切除故障即應(yīng)該立即切除故障所在的集電線路。

國網(wǎng)電站建設(shè)大部分變電站采用經(jīng)消弧線圈接地，如果出現(xiàn)某一相接地故障，整體系統(tǒng)一直處于三相平衡狀態(tài)，因此采用經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)單相接地時流經(jīng)故障點的電流很小，保護不會立即動作，能夠為電網(wǎng)用戶持續(xù)一段時間的供電，確保供電穩(wěn)定性。新能源變電工程與國網(wǎng)工程有所不同，需要兼顧工程造價、建設(shè)周期及方便檢修。與國網(wǎng)不同，新能源項目對于人身和設(shè)備的安全性要求更高。新能源系統(tǒng)經(jīng)小電阻接地而非消弧線圈接地的形式，原因主要有以下兩點。

一是從經(jīng)濟性考慮。經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)在單相接地情況下會增加非故障相工頻電壓，影響設(shè)備的絕緣性，甚至嚴重者會造成絕緣擊穿進而相間短路，需要增加設(shè)備絕緣，增加了建站成本。二是從安全性考慮。系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，雖然消弧線圈可以進行電流補償，使得接地處電流變小，但是無法快速找到接地線路，無形地增加人身安全風(fēng)險。

2 新能源項目中主變各側(cè)接地形式

2.1 主變高壓側(cè)接地

220kV 系統(tǒng)中變壓器中性點接地一般有兩種方式：一是直接接地；二是采用不接地方式。在新能源建設(shè)中220kV 上級電站一般為匯集站或者國網(wǎng)電站，中性點一般選擇大接地電流系統(tǒng)即直接接地，在220kV 電壓等級升壓站中，同時只允許1臺主變接地，為方便后期擴建及運行維護，接地形式為經(jīng)隔刀直接接地。如圖1、圖2中的注1標識處。

圖1 主變低壓側(cè)為小電阻成套裝置示意圖

圖2 主變低壓側(cè)為接地變成套裝置示意圖

主變高壓側(cè)經(jīng)隔刀直接接地的方式，如果其中某一相發(fā)生接地則另外兩相電壓不會隨之升高，因而不會因間歇電弧造成過電壓現(xiàn)象。該系統(tǒng)單相接地會產(chǎn)生極大的短路電流，促使主變保護迅速動作。電源中性點接地系統(tǒng)的缺點是單相短路電流很大，且還能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定和干擾通訊線路等，因此要選擇容量較大的開關(guān)和電氣設(shè)備[1]。主變高壓側(cè)經(jīng)隔刀直接接地的系統(tǒng)過電壓保護可以選擇額定電壓低的避雷器實現(xiàn)。

2.2 主變低壓側(cè)接地形式

當(dāng)線路端發(fā)生不對稱接地時，零序電流通過該電阻將消耗部分有功功率起到了電氣制動作用，因而能提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。根據(jù)國家電網(wǎng)發(fā)布的配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則中相關(guān)規(guī)定，35kV 配電網(wǎng)中性點接地方式僅考慮單相接地故障，選擇應(yīng)符合以下原則。一是當(dāng)單相接地故障電容電流小于等于10A 時，35kV 系統(tǒng)適宜采用中性點不接地方式；二是單相接地故障電容電流在10～100A，為了將系統(tǒng)接地電流控制在10A 以內(nèi)，35kV 系統(tǒng)中性點采用中性點諧振接地方式即經(jīng)消弧線圈接地；三是單相接地故障電容電流大于100A，或者35kV 系統(tǒng)以電纜為主的項目，該系統(tǒng)中性點接地方式應(yīng)選擇經(jīng)小電阻接地；四是35kV系統(tǒng)單相接地故障電流應(yīng)小于1000A[2]。

新能源升壓站中主變低壓側(cè)（35kV）常見接地方式有以下兩種：一是接地變小電阻成套裝置配置在主變35kV 側(cè)，配置接地變小電阻成套裝置（如圖1中注2標識處）；二是每個分支母線下面配置接地變小電阻成套裝置及相應(yīng)的開關(guān)柜（如圖2中注2標識處），小電阻的阻值容量按照每臺主變下所帶的電纜和架空線計算。

小電阻成套廠家為了保證繼電保護動作的準確性，防止系統(tǒng)因為特性的不平衡或者是出現(xiàn)三相電流互感器不同程度的飽和，致使35kV 零序保護誤動作，線路的零序保護不采用三相互感器而是采用單相互感器，小電阻成套一般配置三組單相電流互感器。

2.2.1 主變低壓側(cè)中性點經(jīng)小電阻成套裝置接地

主變?yōu)樾切谓泳€，主變低壓側(cè)采用經(jīng)小電阻成套裝置接地，該成套裝置由電阻器、三組單相CT、智能控制單元及柜體附件構(gòu)成。一般就地布置于主變附近。其中，智能控制單元可采集電阻柜電流，發(fā)出接地電流告警，電阻超溫報警。

2.2.2 主變低壓側(cè)中性點經(jīng)接地變成套設(shè)備接地

主變?yōu)樾侨墙泳€形式，在主變本體側(cè)無法連接接地電阻，因而在主變低壓連接的35kV 母線上，增加接地變。

3 新能源項目主變中性點接地電阻計算

對于新能源項目中35kV 配電裝置，該系統(tǒng)單相接地故障主要考慮電容電流值，當(dāng)其達到10A 時，為限制弧光過電壓，新能源項目中35kV 電壓等級即主變低壓側(cè)中性點采用經(jīng)小電阻接地的方式。接地電阻如何進行選擇，為方便理解，以下文工程舉例進行說明。

新建220kV/35kV 光伏升壓站1座，主變1臺，35kV 集電線路5回、35kV SVG1回、35kV 站用變1回，假設(shè)每回集電線路（35kV 開關(guān)柜至箱變高壓側(cè)）電纜長度相等均為5.8km，SVG 電纜（SVG 開關(guān)柜至SVG 本體）長度為0.5km，站用變電纜（站用變開關(guān)柜至站變本體）長度為0.5km。

光伏電站內(nèi)電纜線路單相短路電容電流計算如下。電纜包括所有35kV 電纜（5條集電線路、1條SVG、1臺站變）：L=5×5.8+1×0.5+1×0.5=30km；電纜單相短路電容電流計算：Ic=0.1UeL=0.1×37×30=111A。其中，Ic為單相短路電容電流（A）；Ue為電站額定線電壓（kV）；L為電站電纜長度（km）。

架 空 線Ic=3.3UeL/1000=3.3×37×30/1000=3.663A。變電站接地電容電流系數(shù)取1.1。Ic=1.1×（3.663+111）=126.13A，故總的單相短路電容電流為126.13A。

成套小電阻接地裝置的選擇：接地電阻選擇。經(jīng)過上述計算，該35kV 系統(tǒng)單相短路電容電流大約為126.13A。即IR=126.13A。該系統(tǒng)的流經(jīng)小電阻的阻性電流一般為電容電流的2.6～4倍，本工程按照3倍計算，即：Ir=378.39A，取整400A。35kV 小電阻接地系統(tǒng)中，小電阻兩端的電壓為相電壓，即為37/√3=21.36kV，接地電阻值R=U相/Ir=21.36kV/400A=53.4Ω。

接地變?nèi)萘康倪x擇。接地變需要帶400A/10s 的電阻，新能源系統(tǒng)中升壓變壓器10s 的過負荷倍數(shù)為10.5倍，即變壓器在過負荷運行情況下，10s 內(nèi)繼電保護會動作，跳開故障端斷路器，從而切除故障，即變壓器過負荷運行不能超過10s），接地變?nèi)萘繛椋?00A×37kV/（1.732×10.5）≈813.8kVA，則接地變?nèi)萘堪?50kVA選擇。電阻10s 通流400A，阻值53.4Ω。

本工程35kV 母線下的35kV 接地電容電流約為126A。故本項目為了規(guī)避主變低壓側(cè)單相接地產(chǎn)生的風(fēng)險在主變低壓側(cè)母線上裝設(shè)容量為850kVA 接地變及小電阻成套設(shè)備；設(shè)備阻性電流為400A，其中小電阻成套設(shè)備的小電阻阻值為53.4Ω。上述計算為理論計算值，實際小電阻成套裝置的容量，還應(yīng)結(jié)合項目施工圖中的最終光伏區(qū)或風(fēng)電場布置集電線路及電纜長度確定。

4 保護裝置配置

主變高壓側(cè)采用大電流接地方式，新能源項目為方便檢修及擴建選用經(jīng)隔刀直接接地。主保護采用縱差保護配置雙重化的主、后備保護一體變壓器電氣量保護和一套非電量保護。每套保護組屏1面。原則上應(yīng)采用不同廠家不同原理的保護裝置，但因為微機保護的原理調(diào)整，現(xiàn)在市場的主變保護主要采用比例制動保護差動采用二次諧波制動原理[3]，現(xiàn)新能源項目中主變保護僅要求為不同廠家。

主保護功能：縱差保護，為反應(yīng)輕微故障造成的差動保護可配置不需整定的零序分量、負序分量或變化量。

高壓側(cè)后備保護功能：一是復(fù)壓閉鎖過電流（方向）保護，該保護功能為兩段式，第一段為方向可整定，設(shè)置兩個時限；第二段為不帶方向的，保護動作經(jīng)延時跳開變壓器各側(cè)斷路器；二是零序過電流（方向）保護，原理同復(fù)壓閉鎖過電流（方向）保護，不帶方向的零序過電流保護電流來自主變中性點的電流互感器；三是間隙電流保護，與零序過電流（方向）保護二者其中一項動作延時跳開變壓器各側(cè)斷路器，其中延時時間可進行整定；四是零序電壓保護，經(jīng)延時0.5s 跳開變壓器各側(cè)斷路器；五是高壓側(cè)后備失靈保護動作應(yīng)經(jīng)靈敏性較高且不需要整定的電流元件經(jīng)過50ms 的延時跳開變壓器各側(cè)斷路器；六是過負荷保護，延時動作于信號。

低壓側(cè)后備保護功能：一是一段三時限的過電流保護，第一時限跳開本分支相連的分段斷路器，第二時限跳開本分支低壓側(cè)斷路器，第三時限跳開變壓器高壓側(cè)斷路器；二是一段三時限的復(fù)壓閉鎖過電流保護，跳閘順序同過電流保護；三是過負荷保護，延時動作于信號；四是低壓側(cè)限流電抗器后備保護。

主變低壓側(cè)經(jīng)小電阻接地，將小電阻成套裝置置于主變附近，內(nèi)設(shè)智能監(jiān)測裝置，將采集的過流報警、超溫報警等開關(guān)量發(fā)送給主變測控裝置，發(fā)送給計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

主變低壓側(cè)經(jīng)接地變接地，須設(shè)置開關(guān)柜，該開關(guān)柜間隔要配置專門的接地變保護，接地變保護應(yīng)具備三相式瞬時、限時及定時限的過電流保護、過負荷保護、非電量保護、采集本單元的遙測、遙信并上傳至站控設(shè)備，接收站控設(shè)備下發(fā)的遙控命令具有存儲多次故障錄波數(shù)據(jù)的功能。接地變保護需要跳開該保護裝置所在母線上的所有間隔斷路器。

新能源電力系統(tǒng)中為減少單相接地故障電流增加產(chǎn)生弧光接地過電壓，造成變壓器鐵芯灼傷或者損壞，從經(jīng)濟性及人身安全性出發(fā)，同時兼顧國網(wǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性供電，主變高壓側(cè)一般為經(jīng)隔刀直接接地，主變低壓側(cè)一般選擇經(jīng)小電阻成套裝置接地或經(jīng)接地變接地，其他接地方式尚需進一步研究。