引言：近年来风电装机容量大幅增长，截止到2020年底全国风电累计装机容量2.81亿千瓦。随着新能源风电市场发展壮大，国家对风电电价补贴逐步减少，自2021起新核准的陆上集中式风电项目中央财政不再补贴，实行平价上网。因此风电建设单位须努力降低项目投资，提高投资效益。本文就风电场箱式变压器中性点接地优化进行深入探讨，通过优化降低投资。目前风电场大多采用箱式变压器中性点用电缆引至风机塔底经变流器接地母排转接至接地环，或者直接至接地环方式。本文探讨箱式变压器中性点接地优化至箱变基础直接接地，可节省箱式变压器中性点引至风机塔底电缆，降低项目投资。
关键字：风电机组、接地网、箱式变压器中性点接地
        一、风电场发电系统概述
        国内风电场一般采用集中并网远距离传输运行方式。通常经过二次升压，即风电机组出口0.69kV经机旁安装的箱式变压器升压至35kV为一次升压，再经架空线路（或地埋电缆）汇集输送至风电场升压站35kV母线，二次升压为汇集后经安装在升压站的主变压器升至110/220kV接入公用电网。

        图1：风电场发电系统组成
        风电场发电及输电汇集系统：风电机组（1.5-3.8MW）、低压电缆（0.69/1kV）、箱式变压器（1600-4200kVA）、35kV架空集电线或地埋电缆输送至风电场升压站。下面对各设备做简要介绍。
        1）风电机组：常见风电机组容量有1.5MW、2.0MW、3.0MW、3.5MW、3.8MW等，按风电机组发电机结构分类有双馈型、直驱型和半直驱型，其中双馈型风机配置部分功率变流器，直驱型和半直驱型配置全功率型变流器。双馈型风电机组主电气系统由双馈异步发电机和部分功率变流器构成。在风轮系统和发电机之间有传动系统，主要由主轴、增速箱/齿轮箱、联轴器、高速轴制动器等组成。风轮通过传动系统将机械能传递到发电机。直驱型风电机组由风轮直接驱动发电机工作，主电气系统由永磁同步发电机和全功率变频器构成。半直驱风电机组主电气系统由发电机和全功率变流频构成，“半直驱”指采用比双馈风机齿轮增速比小的齿轮增速装置，使发电机的极数减少，从而缩小发电机的尺寸，便于运输和吊装。发电机转速在双馈型和直驱型机组之间。
        2）低压动力电缆（0.69/1kV）：用于风电机组至箱式变压器之间的连接电缆，因电压等级低输送电流大，所需电缆截面大，投资成本较高，列举某50MW项目安装15台3.5MW风机，风机至箱变低压电缆长度30米，需10根铜芯3*300+5根1*300电缆，调研市场价计算单台风机低压电缆需27万元，该项目低压电缆投资需405万元。三相主回路电缆作用是将风电机组发出的电能输送至箱变进行第一次升压，并承载箱变向风电机组输送控制电源作用。箱式变压器中性点用电缆引至风机塔底接至风机塔底变流器保护接地母排（PE），经PE母排引至风机塔底接地环接地；或直接引至风机塔底接地环接地。箱变低压侧至风机塔底电缆可选用铜芯或者铝合金电缆。根据风电机组容量不同三相主回路电缆多选用4至12根240-300mm2的铜芯电缆，或4至12根400mm2的铝合金电缆。箱变中性点引至风机塔底电缆，根据箱变容量不同选用4至6根120-300mm2的铜芯电缆，或4至6根185-400mm2的铝合金电缆。箱变至风机塔底低压电缆敷设一般采用直埋方式。

        图2：箱式变压器至风机塔底连接电缆示意图（箱变中性点接至变流器或塔底接地环）
        3）箱式变电站（变压器）：风电场用箱式变电站由高压室、电力变压器、低压室三部分组合在一起构成的户外配电成套装置。作用是将风电机组发出的0.69kV电压升高到37.5kV，然后经集电线汇集到升压站。结合常见风电机组容量，箱式变压器相对应的容量有1.6MVA、2.2MVA、3.3MVA、3.8MVA、4.2MVA等。箱式变压器容量大小不同，但电力变压器型式相同：三相，铜芯双绕组、油浸、自冷、无励磁调压、低损耗电力变压器。联接组标号D，yn11，即高压绕组为三角形接线，低压绕组为星形带中性线的接线。箱式变压器中性点接地方式：35kV系统不接地，0.69kV系统直接接地。
       4）35kV架空集电线或地埋电缆：根据风电场容量、风电机组布置情况、考虑线路输送容量、电压等级、场内地形、升压站位置及输送距离等确定集电线的回路数。一般50MW、35kV电压等级的风电场集电线为2-3回。集电线常见有架空线路和地埋电缆两种方式，目前大多数风电场采用架空线路，因为投资相对较少。如果考虑森林防火、防雷等特殊需要，可以采用架空线路和地埋电缆混合方式，也可全部采用地埋电缆方式。
        二、风电场风机和箱式变压器接地网概述
        风电场一般采用一机一变的电气连接方式，即一台风电机组配置一台箱式变压器。风电机组和箱式变压器接地网一般为共用接地网。大多数风电场处于山顶等地势较高位置，土壤电阻率较高一般在500-2000欧*米之间，为确保风电机组达到防雷相关要求，接地网接地电阻小于4欧，确保雷电流能迅速释放。风电机组和箱变接地网采用水平+垂直接地极形式，接地材料采用热镀锌扁钢、角钢，根据现场情况增加接地模块、降阻剂、离子缓蚀剂等，以降低接地网电阻。水平接地极敷设在土壤冻土层下,一般要求-1.5米以下,从风机基础中心引出3-4根接地扁钢环形焊接为接地环，结合现场地形地势向外延伸30至50米，在水平接地极适当位置安装接地模块。垂直接地极敷设在地面以下-2.5米，在水平接地网适当位置附属，一般在水平接地极延伸方向间隔5米敷设。接地模块、降阻剂、离子缓蚀剂等数量结合风电场自然环境、土壤电阻率确定。通过延伸接地网进一步降低接地电阻，使雷电流迅速散入大地而不产生危险的过电压。
        箱式变压器和风电机组距离应尽可能靠近，这样两者之间连接的低压电缆长度较短，有利电能输送和降低投资。一般风电机组基础为圆柱体+椎体结果，底面为半径约10米的圆形，基础高约3.5米。箱式变电站基础为长*宽*高/深：（1.6-2.8）*（1.5-2.2）*2米的矩形。据此风电场一般设计风电机组和箱式变压器基础中心距离为15米，并且要求箱变基础低压电缆穿线管正对风机基础预埋穿线管，方便施工和节省投资。

       
 
        图3.风电机组和箱式变压器接地网平面布置示意图
        三、风电机组防雷和接地系统
        风电场一般建设在海拔高1500-2000米的山顶，风机塔架高80-100米，再加上叶片长度风电机组离地高度能达到150米以上。风电机组相对周围地形有明显的形状突变，导致风电机组极易遭受雷电流的侵害，因此风电机组的防雷接地非常重要。风电机组一、二次回路必须配备完善的防雷保护装置，以最大限度减少雷电的侵害。二次设备应设置等电位保护，等电位保护应采取一点接地。风电机组雷电传输路径：雷电流通过叶片尖部接闪器经引流电缆传至叶根，叶片和轮毂之间安装碳刷将雷电流传至轮毂。然后经过风轮主轴锁紧盘上的防雷碳刷，从轮毂流经风机主轴，再引到机舱的接地等电位接地母排；机舱后部避雷针的雷电流也被引至机舱等电位接地母排。雷电电流从机舱等电位母排经由偏航轴承穿入塔架，为确保连接可靠性塔架间用电缆或铜排跨接连接，最后连接至塔底接地环接地。另外，机舱等电位母排到塔底接地环采用电缆直接连接，增强防雷接地系统的可靠性。塔架的基座法兰与基础接地网相连，塔底接地环和接地网相连，能够保证将雷电电流安全地传输到大地。风电机组主配电一般采用的是TN-C式供电系统（三相四线制），即系统的N线和PE线合为一根PEN线，工作零线兼做保护零线。

       
        
        图4：风电机组防雷和接地系统示意图
        四、风电机组发电系统
        双馈型风电机组发电机为双馈异步滑环电机，发电机定子通过定子接触器、主断路器与电网连接，转子通过变流器与电网连接。工作原理：双馈异步发电机是一种转子滑环上连接着变频器的绕线式异步电机，变频器系统是由（back-to-back convertor）中间有一个直流电路的两个PWM组成的。将定、转子三相套组分别接入两个独立的三相对称电源，定子绕组接入工频电源；转子绕组接入频率、幅值、相位都可以安装要求进行调节的交流电源；调节时，必须保证在任何情况下，转子外加电压的频率都要与转子感应电动势的频率保持一致，改变转子外加电压的相位和幅度，就可以调节发电机定子侧的有功功率和无功功率。

        图5 ：双馈风机发电机和变频器接线示意图
        直驱型风电机组机由风轮直接驱动发电机工作，主电气系统由永磁同步发电机和全功率变频器构成。工作原理：发电机采用多极外转子永磁同步发电机，叶轮直接同发电机转子连接。无需电网励磁，发电机低速运转。机组的全功率变流器系统采用AC-DC-AC变换方式，将发电机发出的低频交流电经整流转变为直流电（AC/DC），再经DC/AC逆变器变为与电网同频率、同幅值、同相位的交流电，最后经变压器并入电网。直驱和半直驱风机采用全功率变流器输出，特性表现为电压源特性（变流器装置），与电源（发电机）无关。

       
 
        图6：直驱风机发电机和变频器接线示意图
        五、箱式变电站中性点接地优化探讨
        上述对风电场发电系统、风电机组和箱变接地网、风电机组发电系统进行详细介绍，据此探讨风电场箱变低压侧中性点接地引至风机塔底接地环是否有必要，优化为直接接至箱变基础内接地环是否可行。
        箱变低压侧中性点引至风机塔底接地环接地不合理，原因分析如下：箱变低压侧中性点（N）在箱变低压侧、风机690V系统均没有传输电能需求，即没有工作连接需求，其作用同时具有保护接地导体和中性导体功能（PEN）。箱变低压侧中性点引至风机塔底接地环，塔底接地环和风机塔底变流器、主控柜等接地排连接，在故障引发690V系统三相不平衡时，可能将故障引发的不平衡电流应传导至风机塔底变流器变流器、主控柜等电气部件损坏。风电机组或箱变遭受雷电侵害时，雷电流按电阻最小路径可通过箱变中性点至风机塔底接地环连接电缆互相窜入，可能引发设备损坏。
        箱变低压侧中性点引至箱变基础内接地环可行性分析：箱变中性点接地（N）作用是具有保护接地和中性导体功能（PEN），在箱变和风机690V系统中没有传输电能的需求，因此从最短距离接地考虑，应直接引至箱变基础内接地环接地。同时为确保箱变外壳接地安全，应从接地网单独引入接地点和箱变外壳接地点连接。详见图7

        图7：箱式变压器中性点接地优化示意图
        经济性分析：列举某50MW项目安装15台3.5MW风机，风机至箱变低压电缆长度30米，需10根铜芯3*300+5根1*300电缆，调研市场价计算单台风机低压电缆需27万元，该项目低压电缆投资需405万元。其中箱变中性点至风机低压电缆5根1*300电缆总长150米，如果按箱变中性引至箱变基础接地环接地，电缆长度仅需3米，5根电缆总长15米，可节省电缆135米。该项目15台机组可节省电缆2025米，折合节省资金约55万元。