浅谈太阳能光伏电站接地变压器容量的选择

浅谈太阳能光伏电站接地变压器容量的选择

周振宇

龙源（北京）太阳能技术有限公司

摘要：接地变压器是太阳能光伏电站内的重要电气设备，文章讨论了接地变压器容量选择时应注意的情况、常用的工程计算方法，最后结合工程实际进行了实例阐述。

关键词：光伏电站；接地形式；变压器容量

一、概述

光伏发电作为一种重要的太阳能利用方式，具有太阳能利用率高、无需储能设备、发电能力强等优点，目前我国太阳能发电已经具备成为战略能源的技术、成本和环境条件，2050年后可能成为主要电力供应来源之一。我国太阳能光资源丰富，光伏资源开发利用的前景非常广阔。目前，发改委能源局已决定将光伏发电作为一种重要的能源利用方式进行开发，太阳能光伏的装机容量不断扩大。

中性点的接地形式直接影响了电气设备的绝缘水平，以及光伏电站的安全性、可靠性和供电连续性。太阳能光伏发电站根据装机规模、并网电压等级、单相接地故障电流、保护装置灵敏度以及过电压水平的不同，中性点采用了不同的接地形式。本文比较了不同中性点接地形式在光伏发电站中的应用场景，并通过某光伏电站的案例，探讨了太阳能光伏发电站中接地变压器容量计算的方法，为未来并网光伏电站计算提供一定的参考。

二、不同规模光伏电站中性点接地形式的选择

中性点有效接地包括直接接地和经小电阻接地，非有效接地主要包括中性点不接地和经消弧线圈接地两种。

1、中性点直接接地

中性点直接接地系统单相接地电流很大，继电保护必然动作，其优点是过电压水平低，对电气设备的绝缘性能要求不高。

50MW及以上级的大型太阳能光伏电站，由于装机容量大，并网电压水平高，通常都为110kV及以上电压等级，因此升压变压器高压侧一般选择直接接地形式，并在变压器中性点设置隔离开关及避雷器保护，以便于调度灵活选择接地点。

2、中性点经电阻接地

中性点经电阻接地系统单相接地时，故障电流较大，可以触发继电保护动作，快速切除故障点，电网操作运行比较容易。由于具有以上优点，中性点经电阻接地的方式，尤其适用于电缆输电线路长，且电容电流比较大的光伏发电站。

因此，目前兆瓦级以上的中大型太阳能光伏电站中，10kV或35kV电压等级汇集母线，多数都采用经电阻接地的方式。当变压器中性点未引出或无中性点时，需设置专用接地变压器。

3、中性点经消弧线圈接地

中性点经消弧线圈接地系统发生单相接地故障时，采用消弧线圈补偿电容电流，保证接地电弧快速熄灭，系统仍能继续运行一段时间，因此较适合应用于对供电可靠性要求较高的场合。但由于消弧线圈接地系统的继电保护较为难以实现，不能满足大中型光伏电站发生单相接地故障时快速、可靠切除故障点的要求。

因此目前兆瓦级以上的中大型太阳能光伏电站中，10kV或35kV电压等级汇集母线，越来越少采用中性点经消弧线圈接地的形式，早期的消弧线圈接地系统也正在陆续改造中。

4、中性点不接地

中性点不接地系统发生单相接地时，不形成短路回路，流经故障点的电流仅为接地电容电流，可以带故障运行一段时间。但不接地系统发生单相接地时，由于存在弧光重燃过电压，因此对系统电气设备的绝缘水平要求较高。

太阳能光伏电站逆变器交流侧通常采用中性点不接地形式，就地升压变压器低压侧的中性点不引出或无中性点。

三、接地变压器的容量计算

太阳能光伏电站采用经电阻接地形式，当变压器中性点未引出或无中性点时，需设置专用接地变压器，其容量具体的计算方法如下：

1、确定接地变压器的额定电压。接于系统母线的三相接地变压器额定一次电压应与系统标称电压一致。

2、计算系统电容电流。系统的电容电流包括全部电缆线路和架空线路的电容电流，同时还应计入变电所电气设备产生的电容电流。

3、确定接地电阻器阻值。计算接地电阻器阻值时，应保证发生单相接地故障时，零序继电保护应能快速动作，可靠切除故障点。

4、计算接地变压器的容量。三相接地变压器的容量应与接地电阻额定容量相配合，接地变压器若带有二次绕组兼做站用电源时，还应考虑二次负荷容量。

四、工程实例

张北县六歪咀村某光伏发电站是一座设计规模为50MW的太阳能光伏电站，采用固定支架安装方式。

1、运行环境

根据建设单位提供的现场基本条件，光伏电站场址平均海拔高度为1340m，年平均温度3℃。当地海拔适中，温度较低，故选择变压器容量时，可不考虑高海拔降容及湿热环境影响。

2、电站主接线

该工程采用分块发电，集中并网的设计方案，将系统分成50个1MW并网发电单元。每个单元经过1台分裂变压器升压至35kV，每10台35kV升压变压器组成1个集电单元,通过电缆并接分组连接至升压站的35kV母线，再经主变升压至110kV，通过一回110kV线路至二台110kV变电站，110kV系统采用中性点直接接地。35kV接线采用单母线接线，全站总共5回光伏集电线路进线，1回PT，1回无功补偿装置，1回接地变，1回站用变，1回主变出线。35kV系统采用中性点经电阻接地。

3、接地变压器容量计算

（1）接地变压器的一次额定电压与系统标称电压一致：Ur=35kV。

（2）本工程35kV侧集电线路采用以直埋电缆为主的敷设方式，35kV电缆线路的总长度约34km，35kV架空联络线路约2km。

架空线路单相接地电容电流按下式估算：

Ic1=3.3*Un*L*10-3=0.231A

电缆线路单相接地电容电流按下式估算：

Ic2=0.1*Un*L=119A

式中：Un━电网线电压（kV），L━线路长度（km）

35kV变电站增加电容电流按13%考虑，则35kV母线上的电容电流值约为：

Ic=(1+13%)*(Ic1+Ic2)=134.7A

系统单相接地电容电流大于10A，故该光伏电站35kV中性点采用接地变+小电阻接地方式。

（3）接地电阻器的参数选择

接地电阻器电阻的额定电压为：UR≥1.05*Un/√3=21.21kV

对于35kV电压等级的中性点经低电阻接地系统，在发生单相接地故障时，35kV接地电流宜控制在150～500A范围内，取单相接地时接地电阻电流为IR=400A。

则接地电阻器阻值：R=Un/√3/IR=50.5Ω。

接地电阻器上消耗的功率为PR≥UR*IR=8484kW。

（4）小电阻接地系统用接地变压器容量，按接地故障时流过接地变压器电流对应容量的1/10选取。由于该工程单独设置了站用变压器，因此接地变压器容量可不考虑二次负荷容量。

从技术经济角度出发，根据以上计算结果并同时考虑现场气象条件及海拔，该工程接地变压器容量选择为1000kVA，

五、小结

中性点接地形式对电力系统设计和运行的许多方面都存在影响，因此在选择系统的中性点接地形式时，应综合考虑对系统供电可靠性和设备绝缘水平的影响以及继电保护实现的难度。本文以某光伏电站为例，介绍了光伏电站接地变压器容量的计算方法，对未来光伏电站设计具有指导意义。

参考文献:

1.弋东方，《电力工程电气设计手册电气一次部分》，水利电力出版社，1989

2.任元会等，《工业与民用配电设计手册第四版》，中国电力出版社，2016

3.吕仁帅，《风电场35kV系统中性点接地设计方案分析》，电力与能源，2014

4.陈延镖，《钢铁企业电力设计手册》，冶金工业出版社，1996