接地變壓器

接地變壓器

外文名

Grounding Transformer

所屬領(lǐng)域

電力一次設(shè)備

分    類

油式和干式

特    點(diǎn)

長(zhǎng)時(shí)空載，短時(shí)過(guò)載

應(yīng)用范圍

主要是10kV配電網(wǎng)

目錄

00001. 1 使用現(xiàn)狀

00002. ? 使用背景

00003. ? 國(guó)內(nèi)外使用現(xiàn)狀

00004. 2 設(shè)備分類

00005. ? 三相接地變壓器

00001. ? 單相接地變壓器

00002. 3 工作特點(diǎn)

00003. 4 接線方式

00004. ? YNyn聯(lián)結(jié)

00005. ? YNd聯(lián)結(jié)

00001. ? ZNyn聯(lián)結(jié)

00002. 5 工作原理

00003. 6 主要技術(shù)參數(shù)

使用現(xiàn)狀

使用背景

電力系統(tǒng)中的6kV、10kV、35kV電網(wǎng)中一般都采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式。電網(wǎng)中主變壓器低壓側(cè)一般為三角形接法，沒(méi)有可以接地的中性點(diǎn)。當(dāng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，線電壓三角形仍然保持對(duì)稱，電力系統(tǒng)可以持續(xù)對(duì)用戶供電1到2小時(shí)，并且電容電流比較?。ㄐ∮?/span>10A），不會(huì)引起間歇性電弧，一些瞬時(shí)性接地故障能夠自行消失，這對(duì)提高供電可靠性，減少停電事故是非常有效的。但隨著城市電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大及電纜出線的不斷增多，系統(tǒng)對(duì)地電容電流急劇增加，單相接地后流經(jīng)故障點(diǎn)的電容電流較大（超過(guò)10A） [2]  。電弧不易熄滅、容易激發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓及產(chǎn)生間隙性弧光接地過(guò)電壓，可能導(dǎo)致絕緣損壞，使線路跳閘，事故擴(kuò)大，具體為：

1.單相接地電弧發(fā)生間歇性的熄滅與重燃，會(huì)產(chǎn)生弧光接地過(guò)電壓，其幅值可達(dá)4U（U為正常相電壓峰值）或者更高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的絕緣造成極大的危害，在絕緣薄弱處形成擊穿；造成重大損失。

2.由于持續(xù)電弧造成空氣的離解，破壞了周圍空氣的絕緣，容易發(fā)生相間短路。

3.產(chǎn)生鐵磁諧振過(guò)電壓，容易燒壞電壓互感器并引起避雷器的損壞甚至可能使避雷器爆炸。這些后果將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)設(shè)備的絕緣，危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

為了減小單相接地故障時(shí)的對(duì)地電容電流，需要在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)消弧線圈等補(bǔ)償裝置，因此需人為建立一個(gè)中性點(diǎn)，以便在中性點(diǎn)接入消弧線圈，減小接地短路斷路電流，提高系統(tǒng)供電可靠性 [3]  [4-5]  。

國(guó)內(nèi)外使用現(xiàn)狀

我國(guó)的接地變壓器通常采用 Z 型接線（或稱曲折型接線），為節(jié)省投資和變電所空間，通常在接地變壓器上增加第三繞組，替代所用變壓器，為變電所所用設(shè)備供電。根據(jù)我國(guó)《電抗器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接地變壓器的接地方式可分為直接接地;通過(guò)電抗器、電阻及消弧線圈接地。直接接地在我國(guó)目前還沒(méi)有使用，但己有電力研究部門開(kāi)始這方面的探討。

國(guó)外的接地變壓器通常采用或 Z 型連接，用于 10kV 不接地系統(tǒng)，構(gòu)成了配電網(wǎng)的接地保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，接地變壓器對(duì)正序、負(fù)序電流呈現(xiàn)高阻抗性，對(duì)零序電流呈現(xiàn)低阻抗性，使接地保護(hù)可靠動(dòng)作 [2]  。

設(shè)備分類

三相接地變壓器

三相接地變壓器

此類變壓器采用Z型接線（或稱曲折型接線），與普通變壓器的區(qū)別是，每相線圈分成兩組分別反向繞在該相磁柱上，這樣連接的好處是零序磁通可沿磁柱流通，而普通變壓器的零序磁通是沿著漏磁磁路流通，所以Z型接地變壓器的零序阻抗很?。?/span>10Ω左右），而普通變壓器要大得多。按規(guī)程規(guī)定，用普通變壓器帶消弧線圈時(shí)，其容量不得超過(guò)變壓器容量的20%。Z型變壓器則可帶90% ～100%容量的消弧線圈，接地變除可帶消弧圈外，也可帶二次負(fù)載，可代替站用變，從而節(jié)省投資費(fèi)用。

單相接地變壓器

單相接地變壓器

單相接地變主要用于有中性點(diǎn)的發(fā)電機(jī)、Satons變壓器的中性點(diǎn)接地電阻柜，以降低電阻柜的造價(jià)和體積。

工作特點(diǎn)

（1）零序阻抗低， 以保證零序電流的輸出；

（2）勵(lì)磁阻抗高，以降低空載電流；

（3）空載損耗低，以節(jié)省日常運(yùn)行的能耗 [6]  。

接線方式

YNyn聯(lián)結(jié)

這種聯(lián)結(jié)方式的變壓器一般采用三相三柱式鐵心，高壓側(cè)的中性點(diǎn)可以聯(lián)結(jié)消弧線圈等實(shí)現(xiàn)接地。但是, 當(dāng)單相接地的零序電流流過(guò)高壓側(cè)繞組時(shí)，所產(chǎn)生的零序磁勢(shì)不能被二次磁勢(shì)所平衡，同方向的零序磁通又不能在三柱式鐵心內(nèi)形成回路，從而使得大量的零序磁通只能經(jīng)過(guò)夾件、油和油箱本體而形成閉合回路，從而在油箱及夾件內(nèi)引起附加損耗，以致形成局部過(guò)熱，使變壓器容量的利用受到限制。

我國(guó)電力部門的有關(guān)運(yùn)行規(guī)程, 曾對(duì)YNyn聯(lián)結(jié)變壓器的中性點(diǎn)聯(lián)結(jié)消弧線圈的工作狀態(tài), 作過(guò)下列規(guī)定:

（1）消弧線圈的容量不得超過(guò)變壓器額定容量的20%；

（2） 流過(guò)消弧線圈的零序電流在變壓器內(nèi)所產(chǎn)生的零序壓降不得超過(guò)額定相電壓的10%；

（3）流經(jīng)消弧線圈的三相總零序電流不大于變壓器額定相電流的60%。

上述規(guī)定主要是根據(jù)零序磁通所造成的局部過(guò)熱不致超過(guò)變壓器繞組熱點(diǎn)的最高溫度限制而決定的。從上述可知，YNyn聯(lián)結(jié)的接地變壓器容量遠(yuǎn)未被利用，另外它的零序電抗值也較大 [6]  [7]  。

YNd聯(lián)結(jié)

YNd聯(lián)結(jié)變壓器與消弧線圈XL相聯(lián)

這種聯(lián)結(jié)方式的特點(diǎn)是二次側(cè)的三角形聯(lián)結(jié)可提供零序電流的閉合通路，因而零序電抗較小。另外, 由于每個(gè)心柱上的一、二次繞組的零序磁勢(shì)得以平衡, 所以零序漏磁也較小。但是, 當(dāng)YN聯(lián)結(jié)繞組處于外部時(shí)，在油箱等部件內(nèi)所引起的零序附加損耗仍不能完全避免。當(dāng)它聯(lián)結(jié)消弧線圈時(shí)，其容量的利用仍將受到一定限制。

國(guó)外的試驗(yàn)研究表明: 考慮附加損耗、局部過(guò)熱、絕緣壽命和繞組熱點(diǎn)最高溫度的限制等因素后，YNd聯(lián)結(jié)的接地變壓器允許的工作方式為：

（1）當(dāng)平時(shí)二次滿載時(shí)，YN側(cè)所接消弧線圈的容量不得超過(guò)變壓器額定容量的50%；

（2）當(dāng)平時(shí)二次的負(fù)載僅為變壓器容量的50%，則消弧線圈容量可以等于變壓器的額定容量。

盡管這種聯(lián)結(jié)的二次側(cè)可以供電給地區(qū)負(fù)載或變電所自用電，但由于三角形聯(lián)結(jié)難于同時(shí)向動(dòng)力與照明混合用戶供電， 所以它的應(yīng)用將受到很大限制。

YN ,開(kāi)口d 聯(lián)結(jié)與消弧線圈XL相聯(lián)

與YNd聯(lián)結(jié)相類似的是YN，開(kāi)口d 的聯(lián)結(jié)方式，在開(kāi)口三角形一側(cè)可接入電阻器或電抗器以調(diào)節(jié)變壓器的零序電抗，接入電阻器還可以抑制網(wǎng)絡(luò)的鐵磁諧振。如采用三相五柱式鐵心還可使零序阻抗值大為增加, 甚至有省去一臺(tái)消弧線圈的可能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)增加。另外，二次采用開(kāi)口三角形結(jié)線不能滿足供電給地區(qū)負(fù)載及自用電的需要，因此這種方式采用不多 [6]  [7]  。

ZNyn聯(lián)結(jié)

ZN,yn 聯(lián)結(jié)變壓器與消弧線圈XL相聯(lián)

這種聯(lián)結(jié)方式是接地變壓器常用聯(lián)結(jié)方式，由于曲折形結(jié)法的同一鐵心柱上的上下兩半繞組內(nèi)的零序磁勢(shì)正好大小相等、方向相反而相互抵消，使得零序漏磁通減到很小， 從而使它的零序電抗值很小，它的容量可以與所聯(lián)結(jié)的消弧線圈的容量相等 [2]  。目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的接地變壓器主要是這種聯(lián)結(jié)方式。

由于低壓側(cè)采用yn結(jié)法，故可以同時(shí)供給地區(qū)用電或變電所的自用電。低壓側(cè)容量常小于高壓側(cè)容量，多數(shù)情況下，低壓側(cè)容量在80-200kVA 的范圍內(nèi) [8]  。

盡管高壓側(cè)的額定容量可以與聯(lián)接的消弧線圈容量相等，但Z 形接法將較Y 形接法多繞1.15倍的匝數(shù)，所以接地變壓器的實(shí)際容量應(yīng)為消弧線圈容量的1.15倍 [6]  [8]  [9]  。

工作原理

系統(tǒng)發(fā)生單相故障時(shí)接地變壓器的工作原理圖

以常用的ZNyn接線說(shuō)明，接地變壓器在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)通過(guò)一定大小的零序電流時(shí)，流過(guò)同一鐵心柱上的2個(gè)單相繞組的電流方向相反且大小相等，使得零序電流產(chǎn)生的磁勢(shì)正好相反抵消，從而使零序阻抗也很小。使得接地變壓器在發(fā)生故障時(shí)，中性點(diǎn)可以流過(guò)補(bǔ)償電流。由于有很小的零序阻抗，當(dāng)零序電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的阻抗壓降要盡可能的小，以保證系統(tǒng)的安全。由于接地變壓器具有零序阻抗低的特點(diǎn)，所以當(dāng) C 相發(fā)生單相接地故障時(shí)，C 相的對(duì)地電流 I 經(jīng)大地流入中性點(diǎn)，并且被等分為三份流入接地變壓器，由于流入接地變壓器的三相電流相等，所以中性點(diǎn) N 的位移不變，三相線電壓仍然保持對(duì)稱。但在制造過(guò)程中高壓繞組的上下包的匝數(shù)和幾何尺寸不可能完全相等，使得零序電流產(chǎn)生的磁勢(shì)不可能正好相反抵消,還是產(chǎn)生了一定的零序阻抗，通常在 6-10Ω左右,相對(duì)于星形接線的變壓器的零序阻抗 600Ω而言，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。此外，曲折接地變壓器還可以使空載電流和空載損耗盡可能小。同普通星形接線變壓器比較，由于曲折接線變壓器的每相鐵芯是由2個(gè)鐵心柱的繞組組成，結(jié)合其向量圖可知，與普通星形接線變壓器比較，當(dāng)電壓相同時(shí)要多繞 1.16 倍。中性點(diǎn)電阻接地方式下城市配電網(wǎng)在單相接地時(shí)，零序阻抗和正序阻抗的幅值相差很大。三相正、負(fù)序電流流過(guò)時(shí)，接地變壓器的每一鐵芯柱上的磁勢(shì)是該鐵芯柱上分屬不同相的兩繞組磁勢(shì)的相量和。三個(gè)鐵芯柱上的磁勢(shì)是一組三相平衡量，相位差 120°，產(chǎn)生的磁通可在三個(gè)鐵芯柱上互相形成回路，磁路磁阻小，磁通量大，感應(yīng)電勢(shì)大，呈現(xiàn)很大的正序、負(fù)序阻抗；因此，接地變壓器具有正、負(fù)序阻抗大而零序阻抗小的特點(diǎn) [2]  [3]  。

主要技術(shù)參數(shù)

為適應(yīng)配電網(wǎng)采用消弧線圈接地補(bǔ)償?shù)男枰?/span>,同時(shí)也能滿足變電站站用動(dòng)力與照明負(fù)載的需要,選用 Z 型接線連接的變壓器，需要合理設(shè)置接地變壓器的主要參數(shù) [6]  。

（1）額定容量

接地變壓器一次側(cè)容量與需要與消弧線圈容量相配套。依據(jù)現(xiàn)有消弧線圈的容量規(guī)格，建議把接地變壓器容量設(shè)為消弧線圈容量的1.05-1.15 倍。如1臺(tái)200kVA 消弧線圈所配用的接地變壓器容量為215kVA。

（2）中性點(diǎn)補(bǔ)償電流

單相故障時(shí)流過(guò)變壓器中性點(diǎn)的總電流：

上式中：U 為配電網(wǎng)線電壓(V)；Zx為消弧線圈的阻抗(Ω)；Zd為接地變壓器一次零序阻抗(Ω/相)；Zs為系統(tǒng)阻抗(Ω)；中性點(diǎn)補(bǔ)償電流的持續(xù)時(shí)間應(yīng)與消弧線圈的持續(xù)工作時(shí)間相同，按規(guī)定為2小時(shí)。

（3）零序阻抗

零序阻抗是接地變壓器的重要參數(shù)，對(duì)于繼電保護(hù)限制單相接地短路電流及抑制過(guò)電壓等都有重要影響。對(duì)于無(wú)二級(jí)線圈的曲折形（Z 型）以及星性/開(kāi)口三角形聯(lián)結(jié)的接地變壓器只有1個(gè)阻抗，即零序阻抗，這樣制造部門能滿足電力部門的要求。

（4）損耗

損耗是接地變壓器的1個(gè)重要性能參數(shù)，對(duì)于帶有二次線圈的接地變壓器，其空載損耗可以做到與同容量的雙繞組變壓器相同。對(duì)于負(fù)載損耗，二次側(cè)滿載運(yùn)行時(shí)，由于一次側(cè)負(fù)荷較輕，其負(fù)載損耗小于與二次側(cè)同容量雙繞組變壓器的負(fù)載損耗。

（5）溫升

按國(guó)標(biāo)對(duì)接地變壓器的溫升有如下規(guī)定：

1）額定持續(xù)電流下的溫升應(yīng)符合一般電力變壓器干式變壓器國(guó)標(biāo)中的規(guī)定，但主要適用于二次側(cè)經(jīng)常帶負(fù)荷的接地變壓器；

2）對(duì)短時(shí)負(fù)載電流的持續(xù)時(shí)間在10s以內(nèi)時(shí)(這種情況主要發(fā)生在中性點(diǎn)與電阻聯(lián)結(jié)時(shí))，其溫升應(yīng)符合國(guó)標(biāo)電力變壓器中對(duì)短路條件下的溫升限值的規(guī)定；

3）接地變壓器與消弧線圈一起運(yùn)行時(shí)其溫升應(yīng)符合對(duì)消弧線圈溫升的規(guī)定：

對(duì)于持續(xù)流過(guò)額定電流的繞組溫度為80K，主要適用于星性/開(kāi)口三角形聯(lián)結(jié)的接地變壓器；

對(duì)于額定電流的最大流通時(shí)間規(guī)定為2h的繞組，規(guī)定溫度為100K。這種情況符合多數(shù)接地變壓器的工作條件；

對(duì)于最大流通時(shí)間規(guī)定為30min的繞組，規(guī)定溫度為120K。

上述規(guī)定的出發(fā)點(diǎn), 是根據(jù)在最嚴(yán)重的條件下繞組熱點(diǎn)的最高溫度不超過(guò)140℃ ～ 160℃，以保證絕緣的安全運(yùn)行和不至于嚴(yán)重危及絕緣壽命而規(guī)定 [10]  。