文章编号:1006 2610(2018)03 0068 05常量元素
靖 峰，韩 源，孙 静
(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)
摘 要：目前在风电项目集电线路系统中广泛采用中性点低电阻接地方式，在接地变压器容量的选择方面，还存在一些误区及不足㊂笔者通过相量图分析的方法，从接地电容电流产生的源头及低电阻接地系统单相接地故障保护的要求等方面，对接地变压器容量选择过程进行梳理和总结，分析接地变压器容量选型中应注意的问题㊂关键词：中性点；低电阻接地；接地变压器；风电场 中图分类号:TM614;TM421 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2018.03.016
Capacity Selection of Grounding Transformer for Wind Farm
JING Feng ,HAN Yuan ,SUN Jing
(POWERCHINA Northwest Engineering Corporation Limited ,Xi'an 710065,China )
Abstract :In collection line system of wind power projects ,currently ,the grounding mode of lower resistance at neutral point is applied widely.In aspect of the capacity selection of the grounding transformer ,misconception and insufficiency are still available.By application of the phasor diagram analysis ,source of producing the grounding capacitive current and requirements on protection of single -phase grounding failure in the low-resistance grounding system ,selection of the grounding transformer is summarized and tips on the transformer selection are analyzed as well.
Key words :neutral point ;low-resistance grounding ;grounding transformer ;wind farm
收稿日期:2018-01-28 作者简介：靖峰(1982-)，男，湖北省武汉市人，高级工程师，主
要从事电气一次设计工作.
0 前 言
风电场集电线路由于处在风区，运行条件差，集电线路系统发生单相接地故障属于比较常见的故障类型㊂当发生单相接地故障时，要求保护能够做到准确选线㊁快速切除，而中性点低电阻接地方式能很好的适应这一要求，并且具有较低的弧光接地过电压水平，目前在风电场集电线路系统中广泛采用[1-4]㊂随着部分风电项目运行时间的增加，暴露出接地变压器容量选择不恰当导致接地变压器回路过流
保护未正确整定和投入的问题，给系统的可靠保护和长期稳定运行留下隐患㊂本文对接地变压器容量选择过程进行分析，总结出接地变压器容量计算过程中的常识错误和解决办法㊂
1 接地变压器容量计算的常见问题
中性点低电阻接地系统的接地变压器容量计算
通常按图1步骤开展
㊂
图1 传统接地变压器
容量计算流程图
在项目实际的实施过程中，中性点接地成套装置的选型过程经常存在如下问题:
(1)未分析系统单相
接地故障后电容电流的流通过程，对电容电流计算的理论基础理解模糊;
(2)电容电流计算未考虑系统连接的其它电力设备提供的电容电流，导致最终计算的电容电流值偏小;
(3)认为单相接地故障时电容电流会流过接地电阻，因此需要接地电阻额定电流大于电容电流;(4)对单相接地故障的原理分析不清，混淆电容电流㊁电阻电流和故障电流;(5)接地变压器容量未考虑与接地变压器本体过流保护装置的配合㊂
86靖峰，韩源，孙静.风电场接地变压器容量选择
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2 系统电容电流计算
2.1 系统电容电流的产生原理
电力线路㊁设备对地有一定的分布电容，由于交流电的周期性变化，会在分布电容上形成周期性的充放电过程，进而形成等效电流[5-8]㊂电容电流的大小与运行电压㊁线路长度㊁介质特性等有关，工程中可通过相量图的方法进行分析㊂线路上的电容电流可用̇I=jωĊE来表示，其中:̇E为每相线路的对地电压;C为每相线路对地电容;ω为角频率㊂
当系统正常运行时，各相的电容电流数值相等，在相位上各差120°，各相电容电流矢量和为零，即I A=I B=I C,̇I A+̇I B+̇I C=0，详见图2㊂
图2 系统正常运行时电容电流相量图
2.2 单相接地故障时电容电流的回路
当A相发生接地短路时，系统各处A相对地电压均为零，系统电源中性点对地电压̇E N=-̇E A，采用对称分量的方法进行分析,A㊁B㊁C各相的对地电压相当于在̇E A㊁̇E B㊁̇E C上各增加一个-̇E A，此时各相对地电压分别为0㊁̇E B㊁̇E C，由相量图可以看出，此时B 相和C相的相电压为单相接地故障前各相电压的3倍，且̇E B㊁̇E C间相位夹角也由故障前的120°变为60°㊂由于每相对地电容电流与电压成正比，此
时B 相和C相的电容电流也增加了3倍，即I B′=I C′= 3I B=3I C，其相位夹角也变为60°,B相和C相的和电流̇I B′C′即为流过A相短路点的电容电流，由相量图可以看出̇I B′C′=3I B′=3×3I B=3I B㊂由此可知，当发生单相接地故障时，流经单相短路接地故障点的电容电流(即单相接地电容电流)为系统正常运行时各相电容电流的3倍，详见图3㊂
图3 单相接地短路时电容电流相量图
单相接地故障时电容电流的回路示意图详见图4㊂
2.3 电容电流的计算
电力线路㊁电力设备对地都有一定的分布电容，电容电流的计算主要考虑电缆或架空线路，由于其它电力设备对地也都有一定的分布电容，但量值相对较小，工程设计中一般不单独计算，工程应用中按线路电容电流的10%计算附加即可满足要求[9-11]㊂电缆和架空线路电容电流可按下式进行计算㊂
(1)对于电缆线路，电容电流计算方法:
I C=0.1U e×L(1)式中:I C为线路电容电流,A;U e为线路额定线电压, kV;L为线路长度,km㊂
(2)对于架空线路，电容电流计算方法:
I C=(2.7或3.3)U e×L×10-3(2)式中:I C为线路电容电流,A;U e为线路额定线电压, kV;L为线路长度,km;(2.7或3.3)为系数，无架空地线时取2.7，有架空地线时取3.3㊂
3 接地电阻额定参数选择
3.1 低电阻接地系统单相接地故障保护原理
由上节分析可以看出，当系统发生单相接地短路时，短路点会流过系统所有回路的电容电流，即故障回路流过系统所有回路的电容电流，非故障回路流过本回路的电容电流㊂当该电容电流流过各回路零序电流互感器时，单相接地零序保护即是通过判断该零序电流的大小来确定并切除故障回路㊂以A相发生单相接地短路为例，当单相接地故障发生时，对非故障回路而言，其流过非故障回路零
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图4 单相接地故障时电容电流的回路示意图
序电流互感器的电流即为该回路B㊁C相电容电流的合电流，该电容电流基本可以保持稳定㊂但对于故障回路，其流过零序电流互感器的电容电流会根据故障时投运回路数的不同，在比较大的区间内变化，例如当仅有一回线路运行时，由于B㊁C相电容电流的合电流会经过A相接地短路点流回系统，也就是流过故障回路零序电流互感器的电容电流为零；当所有回路均运行时，所有非故障回路的B㊁C 相电容电流均会通过故障回路A相接地短路点流回系统，也就是流过故障回路零序电流互感器的电容电流为系统总的电容电流㊂可以看出，由于系统运行回路数的不同，流过单相接地故障回路零序电流互感器的电容电流变化区间大，导致保护装置无法准确且灵敏的判断故障并快速切除㊂采用低电阻接地方式，在发生单相接地的情况下，能为接地故障回路提供一个稳定的电阻电流，从而确保故障回路准确判断㊁快速切除㊂
发生单相接地故障时，故障电流(即电阻电流和电容电流的矢量和)的回路示意图详见图5㊂通过以上分析可以看出，系统发生单相接地故障后，单相接地故障电流由两部分组成，一部分为系统电容电流，一部分为由接地电阻回路提供的电阻电流㊂即故障回路流过的电流为系统电容电流与电
阻电流的合电流，非故障回路流过的电流仅为本回
路电容电流，单相接地零序保护即是通过判断该电
流的大小来切除故障回路㊂
3.2 电阻额定参数的选择
电阻额定参数的选择主要考虑额定电压和额定
电流，电阻额定电压应不小于接入系统的额定电压㊂
额定电流的选择主要考虑2个方面：一是为获得快
速选择性继电保护所需的足够电流，需要较大的接
地故障电流，目前低电阻接地系统一般采用接地故
障电流为100~1000A[12]；二是为限制故障点间歇性电弧接地时的过电压水平，要求流过故障点的电
阻性电流不小于电容性电流，一般取电阻性电流为
电容性电流的1~1.5倍，可以限制内部过电压不超
过2.6倍，进一步提高阻性电流对降低内部过电压
收效不大[13]㊂可以看出，进行接地电阻额定电流计算时，要求电阻额定电流大于电容电流，主要从降低过电压水平的角度考虑，而不是由于电容电流需要流过接地电阻㊂
因此，当系统发生单相接地电容电流小于100A
时，电阻额定电流应取不小于100A；当电容电流超过100A时，电阻额定电流取为电容电流的1~1.5倍㊂顺磁性
07靖峰，韩源，孙静.风电场接地变压器容量选择
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图5 单相接地故障时故障电流的回路示意图
4 接地变压器额定参数选择
4.1 接地变压器参数计算
接地变压器额定电压及绝缘水平应与其所连接系统的额定电压和绝缘水平保持一致㊂
接地变压器的负荷仅为接地电阻，因此其容量应不小于接地电阻的额定容量，即:
S N≥P r(3)式中:S N为接地变压器额定容量;P r为接地电阻额定容量㊂
采用上述方法进行容量计算时未考虑接地变压器的运行方式及特点㊂在低电阻接地系统中，系统正常运行时，接地电阻回路没有工作电流，接地变压器绕组仅流过很小的励磁电流㊂只有当系统发生单相接地短路故障时，接地变压器绕组中才流过电阻电流，即接地变压器的运行方式为长期空载运行；当发生单相接地故障时短时满载运行，因此接地变压器容量计算应充分利用接地变压器的短时过载能力㊂
低电阻接地系统发生单相短路故障时要求快速切除，根据继电保护要求，其持续时间应小于10s，因此，接地变压器容量计算时可充分利用变压器10 s短时过载能力㊂接地变的过载能力通常与设备的制造参数有关，经计算，油变10s短时过载倍数可达16倍，干变(H级绝缘)10s短时过载倍数可达19倍[14]，实际选型中一般按IEEE-C62.92.3推荐的过载系数取值为10.5倍㊂
4.2 接地变压器容量复核山西科教频道小郭跑腿
前述计算得出的接地变压器容量已经可以满足接地变压器运行功能及单相接地保护的要求，但能否满足接地变压器内部相间故障的过流保护要求，还需要结合电流互感器参数对接地变容量进行进一步复核㊂
过流保护按躲过接地变压器额定电流整定[15]㊂
复合酶
I dz=K k I e(4)式中:I e为接地变压器额定电流;K k为可靠系数,K k ≥1.3，实际经验值取1.5㊂
保护装置整定值下限为0.05In(In为二次侧电压，取1A)，即0.05A㊂故I dz=1.5I e>0.05I N(I N为流过保护安装处的一次侧额定电流)㊂经计算，接地变压器额定电流应大于流过保护安装处的一次侧额定电流的1/30㊂
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为保证保护动作的可靠性和安全性，需对电流
互感器参数进行校验㊂电流互感器参数选择受制造工艺与安装制约，主要体现在绕组内阻R ct ㊁额定二次负荷R bn 和准确限值系数K alf 三者的合理选择上㊂
综上，需通过接地变压器额定电流最小值对接地变压器额定容量进行复核，若不满足要求，则需适当增大接地变压器容量直至满足要求为止㊂
计算流程如图6所示
㊂
图6 接地变压器容量计算流程图
5 结 语
本文主要通过相量图分析，从单相接地电容电流产生的源头及低电阻接地系统单相接地故障保护的要求入手，重点对接地变压器容量设计过程进行梳理和总结，提出接地变容量选择需重点考虑和注意的问题:
(1)对单相接地故障时的电容电流回路进行分析，通过相量分析建立正确的理论模型;
(2)站内除线路外的其它电力设备提供的电容电流是系统电容电流的组成部分，不应被忽略;
(3)电阻额定电流的确定主要是考虑系统过
电压的水平，而不是电容电流的通流容量;
(4)应考虑接地变压器的运行特点，充分利用变压器设备的短时过载能力，从而降低设备采购成本;
(5)接地变压器容量除满足系统运行功能及单
相接地保护要求外，还需关注与电流互感器过流保护绕组参数的配合，从而实现本体保护的安全可靠性㊂
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(上接第61页)福楼拜是怎样的老师
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