新能源主变中性点接地形式及接地电阻计算

中煤天津设计工程有限责任公司 李俊香

在新能源电力系统中，因发生单相接地故障致使电流增大，产生弧光接地电压，进而损伤变压器铁芯，对国家电网及用户的用电稳定造成影响。因此，新能源项目建设当中应充分考虑各电压等级的接地情况。

1 新能源主变中性点接地方式的选择

关于变电中性点接地方式，目前尚无统一标准，国家电网针对新能源项目在陆续出台一些相关政策，如2011年国家电网印发了《关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知》（以下简称《通知》），《通知》明确提出当风电场汇集线路发生单相故障时应快速切除该线路。新能源项目中汇集线采用经小电阻或者消弧线圈接地，当某一汇集线出现单相接地故障时，保护应快速切除故障即应该立即切除故障所在的集电线路。

国网电站建设大部分变电站采用经消弧线圈接地，如果出现某一相接地故障，整体系统一直处于三相平衡状态，因此采用经消弧线圈接地的系统单相接地时流经故障点的电流很小，保护不会立即动作，能够为电网用户持续一段时间的供电，确保供电稳定性。新能源变电工程与国网工程有所不同，需要兼顾工程造价、建设周期及方便检修。与国网不同，新能源项目对于人身和设备的安全性要求更高。新能源系统经小电阻接地而非消弧线圈接地的形式，原因主要有以下两点。

一是从经济性考虑。经消弧线圈接地系统在单相接地情况下会增加非故障相工频电压，影响设备的绝缘性，甚至严重者会造成绝缘击穿进而相间短路，需要增加设备绝缘，增加了建站成本。二是从安全性考虑。系统发生单相接地故障，虽然消弧线圈可以进行电流补偿，使得接地处电流变小，但是无法快速找到接地线路，无形地增加人身安全风险。

2 新能源项目中主变各侧接地形式

2.1 主变高压侧接地

220kV 系统中变压器中性点接地一般有两种方式：一是直接接地；二是采用不接地方式。在新能源建设中220kV 上级电站一般为汇集站或者国网电站，中性点一般选择大接地电流系统即直接接地，在220kV 电压等级升压站中，同时只允许1台主变接地，为方便后期扩建及运行维护，接地形式为经隔刀直接接地。如图1、图2中的注1标识处。

图1 主变低压侧为小电阻成套装置示意图

图2 主变低压侧为接地变成套装置示意图

主变高压侧经隔刀直接接地的方式，如果其中某一相发生接地则另外两相电压不会随之升高，因而不会因间歇电弧造成过电压现象。该系统单相接地会产生极大的短路电流，促使主变保护迅速动作。电源中性点接地系统的缺点是单相短路电流很大，且还能造成系统不稳定和干扰通讯线路等，因此要选择容量较大的开关和电气设备[1]。主变高压侧经隔刀直接接地的系统过电压保护可以选择额定电压低的避雷器实现。

2.2 主变低压侧接地形式

当线路端发生不对称接地时，零序电流通过该电阻将消耗部分有功功率起到了电气制动作用，因而能提高系统的暂态稳定性。根据国家电网发布的配电网技术导则中相关规定，35kV 配电网中性点接地方式仅考虑单相接地故障，选择应符合以下原则。一是当单相接地故障电容电流小于等于10A 时，35kV 系统适宜采用中性点不接地方式；二是单相接地故障电容电流在10～100A，为了将系统接地电流控制在10A 以内，35kV 系统中性点采用中性点谐振接地方式即经消弧线圈接地；三是单相接地故障电容电流大于100A，或者35kV 系统以电缆为主的项目，该系统中性点接地方式应选择经小电阻接地；四是35kV系统单相接地故障电流应小于1000A[2]。

新能源升压站中主变低压侧（35kV）常见接地方式有以下两种：一是接地变小电阻成套装置配置在主变35kV 侧，配置接地变小电阻成套装置（如图1中注2标识处）；二是每个分支母线下面配置接地变小电阻成套装置及相应的开关柜（如图2中注2标识处），小电阻的阻值容量按照每台主变下所带的电缆和架空线计算。

小电阻成套厂家为了保证继电保护动作的准确性，防止系统因为特性的不平衡或者是出现三相电流互感器不同程度的饱和，致使35kV 零序保护误动作，线路的零序保护不采用三相互感器而是采用单相互感器，小电阻成套一般配置三组单相电流互感器。

2.2.1 主变低压侧中性点经小电阻成套装置接地

主变为星形接线，主变低压侧采用经小电阻成套装置接地，该成套装置由电阻器、三组单相CT、智能控制单元及柜体附件构成。一般就地布置于主变附近。其中，智能控制单元可采集电阻柜电流，发出接地电流告警，电阻超温报警。

2.2.2 主变低压侧中性点经接地变成套设备接地

主变为星三角接线形式，在主变本体侧无法连接接地电阻，因而在主变低压连接的35kV 母线上，增加接地变。

3 新能源项目主变中性点接地电阻计算

对于新能源项目中35kV 配电装置，该系统单相接地故障主要考虑电容电流值，当其达到10A 时，为限制弧光过电压，新能源项目中35kV 电压等级即主变低压侧中性点采用经小电阻接地的方式。接地电阻如何进行选择，为方便理解，以下文工程举例进行说明。

新建220kV/35kV 光伏升压站1座，主变1台，35kV 集电线路5回、35kV SVG1回、35kV 站用变1回，假设每回集电线路（35kV 开关柜至箱变高压侧）电缆长度相等均为5.8km，SVG 电缆（SVG 开关柜至SVG 本体）长度为0.5km，站用变电缆（站用变开关柜至站变本体）长度为0.5km。

光伏电站内电缆线路单相短路电容电流计算如下。电缆包括所有35kV 电缆（5条集电线路、1条SVG、1台站变）：L=5×5.8+1×0.5+1×0.5=30km；电缆单相短路电容电流计算：Ic=0.1UeL=0.1×37×30=111A。其中，Ic为单相短路电容电流（A）；Ue为电站额定线电压（kV）；L为电站电缆长度（km）。

架 空 线Ic=3.3UeL/1000=3.3×37×30/1000=3.663A。变电站接地电容电流系数取1.1。Ic=1.1×（3.663+111）=126.13A，故总的单相短路电容电流为126.13A。

成套小电阻接地装置的选择：接地电阻选择。经过上述计算，该35kV 系统单相短路电容电流大约为126.13A。即IR=126.13A。该系统的流经小电阻的阻性电流一般为电容电流的2.6～4倍，本工程按照3倍计算，即：Ir=378.39A，取整400A。35kV 小电阻接地系统中，小电阻两端的电压为相电压，即为37/√3=21.36kV，接地电阻值R=U相/Ir=21.36kV/400A=53.4Ω。

接地变容量的选择。接地变需要带400A/10s 的电阻，新能源系统中升压变压器10s 的过负荷倍数为10.5倍，即变压器在过负荷运行情况下，10s 内继电保护会动作，跳开故障端断路器，从而切除故障，即变压器过负荷运行不能超过10s），接地变容量为：400A×37kV/（1.732×10.5）≈813.8kVA，则接地变容量按850kVA选择。电阻10s 通流400A，阻值53.4Ω。

本工程35kV 母线下的35kV 接地电容电流约为126A。故本项目为了规避主变低压侧单相接地产生的风险在主变低压侧母线上装设容量为850kVA 接地变及小电阻成套设备；设备阻性电流为400A，其中小电阻成套设备的小电阻阻值为53.4Ω。上述计算为理论计算值，实际小电阻成套装置的容量，还应结合项目施工图中的最终光伏区或风电场布置集电线路及电缆长度确定。

4 保护装置配置

主变高压侧采用大电流接地方式，新能源项目为方便检修及扩建选用经隔刀直接接地。主保护采用纵差保护配置双重化的主、后备保护一体变压器电气量保护和一套非电量保护。每套保护组屏1面。原则上应采用不同厂家不同原理的保护装置，但因为微机保护的原理调整，现在市场的主变保护主要采用比例制动保护差动采用二次谐波制动原理[3]，现新能源项目中主变保护仅要求为不同厂家。

主保护功能：纵差保护，为反应轻微故障造成的差动保护可配置不需整定的零序分量、负序分量或变化量。

高压侧后备保护功能：一是复压闭锁过电流（方向）保护，该保护功能为两段式，第一段为方向可整定，设置两个时限；第二段为不带方向的，保护动作经延时跳开变压器各侧断路器；二是零序过电流（方向）保护，原理同复压闭锁过电流（方向）保护，不带方向的零序过电流保护电流来自主变中性点的电流互感器；三是间隙电流保护，与零序过电流（方向）保护二者其中一项动作延时跳开变压器各侧断路器，其中延时时间可进行整定；四是零序电压保护，经延时0.5s 跳开变压器各侧断路器；五是高压侧后备失灵保护动作应经灵敏性较高且不需要整定的电流元件经过50ms 的延时跳开变压器各侧断路器；六是过负荷保护，延时动作于信号。

低压侧后备保护功能：一是一段三时限的过电流保护，第一时限跳开本分支相连的分段断路器，第二时限跳开本分支低压侧断路器，第三时限跳开变压器高压侧断路器；二是一段三时限的复压闭锁过电流保护，跳闸顺序同过电流保护；三是过负荷保护，延时动作于信号；四是低压侧限流电抗器后备保护。

主变低压侧经小电阻接地，将小电阻成套装置置于主变附近，内设智能监测装置，将采集的过流报警、超温报警等开关量发送给主变测控装置，发送给计算机监控系统。

主变低压侧经接地变接地，须设置开关柜，该开关柜间隔要配置专门的接地变保护，接地变保护应具备三相式瞬时、限时及定时限的过电流保护、过负荷保护、非电量保护、采集本单元的遥测、遥信并上传至站控设备，接收站控设备下发的遥控命令具有存储多次故障录波数据的功能。接地变保护需要跳开该保护装置所在母线上的所有间隔断路器。

新能源电力系统中为减少单相接地故障电流增加产生弧光接地过电压，造成变压器铁芯灼伤或者损坏，从经济性及人身安全性出发，同时兼顾国网电力系统稳定性供电，主变高压侧一般为经隔刀直接接地，主变低压侧一般选择经小电阻成套装置接地或经接地变接地，其他接地方式尚需进一步研究。