Как подобрать трансформатор заземления нейтрали по току короткого замыкания

中性点接地变压器的容量不应仅根据变压器容量或预期三相短路电平来确定。其主要作用是在原本不接地或三角形连接的中压系统中建立中性点参考，并为单相接地故障提供可控的回流路径。因此，正确的额定值取决于所需接地故障电流、实际零序网络、保护切除时间，以及变压器和接地电阻器所承受的热负荷。

关键决策并不只是“变压器应选多大？”而是：必须流过多大的故障电流、持续多长时间、通过何种接地阻抗，以及需要何种保护灵敏度？ 电气强度不足的接地变压器可能在故障期间过热。阻抗选得过大，则可能导致继电器无法动作。为不必要的高电流设计的设备，可能增加电弧闪络能量和故障点损坏程度，却无法改善保护性能。

从预期接地故障电流开始

通常应先将接地故障电流作为系统保护参数选定，再确定中性点接地变压器的额定值。所选电流水平必须足够高，以可靠地使适用的接地故障继电器、CT 配置和馈线保护动作，同时又应足够低，以限制设备应力和故障损坏。

对于电阻接地系统，所需电流通常由中性点接地电阻器（NGR）确定。如果电阻是故障回路中的主导阻抗，则初步估算为：

R_N ≈ V_LN / I_GF

其中：

• R_N为中性点电阻器的阻值，单位为欧姆；
• V_LN为额定相对中性点电压；
• I_GF为所需接地故障电流。

对于 13.8 kV 系统，相对中性点电压约为 7.97 kV。若预期接地故障电流为 400 A，则初始电阻值约为：

7,970 / 400 = 19.9 Ω

该结果仅为起点。故障电流会受到接地变压器零序阻抗、电源和电缆序阻抗、故障电阻及故障位置的影响。最终电流必须通过序网络研究或等效系统模型进行校核，而不能仅依据电阻计算。

采用单相接地故障模型，而非仅电阻的简化假设

对于金属性单相接地故障，可靠的计算基于对称分量法：

I_LG = 3V_ph / (Z₁ + Z₂ + Z₀ + 3Z_f)

其中，Z₁、Z₂和Z₀分别为从故障位置看进去的正序、负序和零序阻抗，而Z_f表示故障路径阻抗。在电阻接地方案中，中性点电阻器在零序回路中按其物理欧姆值的三倍表示。接地变压器的零序电抗也应计入该路径。

这一区别非常重要，因为中性点接地变压器并不是无损的中性点。其绕组配置和阻抗会对总回路阻抗产生影响。若忽略变压器电抗，计算得到的故障电流可能显著高于实际运行中继电器可获得的电流。

因此，设计审查应明确：

• 系统额定电压和最高运行电压；
• 为母线供电的变压器或发电机电源配置；
• 所有并联接地源，包括发电机、变压器和电缆电容；
• 接地变压器标明的零序阻抗；
• NGR 电阻值及其公差；
• 各相关母线或馈线位置的最小和最大故障电平；
• 实现可靠保护动作所需的最小故障电流。

对于继电保护配合而言，最小故障电流工况通常比最大工况更重要。在长电缆馈线末端发生故障时，如在线发电容量减少或网络配置发生变化，产生的电流可能低于主母线处假定的数值。

正确选择接地变压器电压和接线方式

中性点接地变压器必须与系统电压匹配，并适用于预期的绕组接线方式。之字形接地变压器广泛用于需要在三线制系统中建立中性点的场合，因为它们可为零序电流提供低阻抗路径，同时在负载平衡时吸收很小的电流。Y-Δ 接地变压器是另一种成熟的配置，尤其适用于隔离要求或特定系统集成要求会影响选择的场合。

相关电压不只是线对线母线额定值。发生接地故障时，中性点电阻器承受的电压约为相对中性点电压。对于额定线电压为 V_LL 的系统：

V_LN = V_LL / √3

设计电压应反映可能持续存在的最高系统电压，而不只是单线图上标示的额定值。还需要审查绝缘配合、避雷器额定值、暂时过电压条件以及适用的设备标准。例如，安装在 15 kV 等级系统中的接地变压器，必须根据该系统实际最高运行电压和所需绝缘水平进行评估。

审查供应商数据时，必须区分标准变压器阻抗数值和与接地负荷相关的有效零序阻抗。后者才是影响接地故障电流的数值。接线方式、中性线引线布置、电阻器接口以及配置的中性点 CT，都应在批准图纸上清晰标明。

将故障电流负荷换算为接地变压器 kVA

接地变压器通常根据选定的接地故障电流确定短时 kVA 额定值。对于三相接地变压器，实用的额定值表达式为：

kVA = V_LL × I_GF / (√3 × 1,000)

等效地，由于 V_LN = V_LL/√3：

kVA = V_LN × I_GF / 1,000

采用 13.8 kV、400 A 的示例：

kVA = 13.8 × 400 / 1.732 = 约 3,187 kVA

这并不意味着该设备必须像 3.2 MVA 配电变压器一样连续运行。它意味着接地变压器必须能够在规定的故障持续时间内承受规定电压下的指定电流。其铭牌应明确标明该负荷，例如规定电流或 kVA 对应 10 秒、30 秒、60 秒或连续运行。

不要用相关电力变压器的正常负载额定值替代该负荷。接地变压器在正常平衡运行期间可能承载的电流极小，但在接地故障期间却可能承受严重的热应力。

时间额定值与电流额定值同样重要

由于保护装置预期会迅速隔离故障，接地设备通常按短时负荷规定。正确的持续时间由完整切除过程决定：继电器动作时间、断路器分闸时间、有意配合延时、后备保护时间以及任何可信的断路器失灵切除时间。若设备必须在断路器失灵或隔离延迟事件中存活，仅依据最短的主保护动作时间并不充分。

热负荷遵循 I²t 关系。选定为在 10 秒内承受规定电流的设备，不能自动视为适用于在 60 秒内承受相同电流。反之，缩短故障持续时间可以降低所需的短时热额定值，但前提是保护方案和项目要求支持所假定的切除性能。

重复故障负荷也值得关注。短时额定的中性点接地变压器和电阻器在故障后需要冷却时间。如果运行理念允许重合闸、延长故障调查或反复承受故障，则应对热假设进行文件化说明，而不是默认处理。

在确定电阻值前检查保护灵敏度

预期故障电流必须以足够裕度超过保护系统的实际动作门槛。该审查包括继电器动作整定值、CT 变比和精度、剩余电流测量方法、馈线充电电流以及与上下游设备的配合。

常见错误是为了尽量减少损坏而选择尽可能低的故障电流，随后发现馈线继电器无法可靠地区分实际接地故障与正常不平衡、CT 误差或电容电流。相反的错误是仅根据现有开关设备的耐受能力选择高电阻接地电流水平。较高电流并不一定更好；它可能造成更严重的电弧故障工况，并增加故障点的热损伤。

在电缆占比较高的系统中，汇总相对地电容充电电流需要特别关注。接地设计必须提供能够与充电电流区分开、并支持稳定接地故障检测的故障电流。相关方法和裕度取决于保护理念以及适用标准或业主规范；应在保护配合研究期间予以确认，而非依据通用规则假定。

接地变压器阻抗必须规定为限值，而不能采用通用目录值

确定目标接地故障电流和电阻器后，应计算允许的接地变压器阻抗。如果变压器电抗过高，实际电流将低于保护目标。如果其低于假定值，电流可能超过预期的电阻器负荷和保护配合依据。

在初步审查中，阻抗通常以接地变压器基准值上的标幺值或百分比表示：

Z_base = V_LL² / S_base

随后可将百分阻抗换算为欧姆值，并输入零序研究。由于接地变压器接线方式会影响序分量的表示方法，制造商的阻抗数据和研究模型必须采用相同基准。未声明电压基准、kVA 基准、接线方式和序分量含义的百分比数值，不能作为最终选型的充分依据。

还应核实制造商所报阻抗是在额定接地电流、额定 kVA 还是其他工况下给出的。这对于定制短时接地变压器尤为重要，因为其铭牌负荷可能不同于常规连续额定变压器。

安装条件会改变实际选型

接地设备通常安装在中压开关柜旁、变电站外壳内或专用户外隔间中。空间、通风、电缆终端接入、电阻器散热、中性导体布线和维护间隙都可能限制最终布置。

评估成套变电站时，接地变压器应被视为接地方案中明确的组成部分，而不是默认附属设备。例如，欧式紧凑型变电站可配置用于中压配电应用，但评估人员应确认所需的接地变压器、NGR、中性点 CT、故障指示器、通风措施和互连装置是否包含在供货范围内，或是否需要单独组装。

环境条件会影响热性能。户外外壳、高环境温度、海拔、污染和受限气流均可能降低可用的散热裕度。NGR 本身在负荷期间可能达到较高温度，因此必须考虑其与敏感电缆绝缘层、控制接线和外壳表面的隔离。仅凭外壳 IP 防护等级并不能证明电阻器和变压器可在安装布置中满足其温升负荷要求。

批准前应索取的文件

中性点接地变压器的技术完整提交文件应标明系统电压、接线类型、额定接地故障电流、负荷持续时间、频率、绝缘水平、零序阻抗、绕组温度限值、冷却方式、端子布置和适用的试验要求。NGR 文件应说明电阻值、公差、电流额定值、时间额定值、温升、材料以及任何监测触点。

保护文件应显示计算得出的最小和最大单相接地故障电流、继电器动作整定值、切除时间、CT 详细信息，以及用于电源和电缆阻抗的假设条件。如果变压器按照预期电流确定额定值，但网络研究表明受保护位置的实际电流存在显著差异，则该审查并不完整。

因此，合理的选型流程是明确保护目标、建立实际零序回路模型、选择电阻器阻值、校核故障电流范围、按电压和短时 kVA 确定中性点接地变压器额定值，然后确认热性能和安装适用性。将这些作为彼此独立的采购项目处理而不采用共同的计算依据，是接地系统中可避免不匹配的主要根源。