接地變壓器

接地變壓器

外文名

Grounding Transformer

所屬領域

電力一次設備

分    類

油式和干式

特    點

長時空載，短時過載

應用范圍

主要是10kV配電網

目錄

00001. 1 使用現狀

00002. ? 使用背景

00003. ? 國內外使用現狀

00004. 2 設備分類

00005. ? 三相接地變壓器

00001. ? 單相接地變壓器

00002. 3 工作特點

00003. 4 接線方式

00004. ? YNyn聯結

00005. ? YNd聯結

00001. ? ZNyn聯結

00002. 5 工作原理

00003. 6 主要技術參數

使用現狀

使用背景

電力系統中的6kV、10kV、35kV電網中一般都采用中性點不接地的運行方式。電網中主變壓器低壓側一般為三角形接法，沒有可以接地的中性點。當中性點不接地系統發生單相接地故障時，線電壓三角形仍然保持對稱，電力系統可以持續對用戶供電1到2小時，并且電容電流比較小（小于10A），不會引起間歇性電弧，一些瞬時性接地故障能夠自行消失，這對提高供電可靠性，減少停電事故是非常有效的。但隨著城市電網的不斷擴大及電纜出線的不斷增多，系統對地電容電流急劇增加，單相接地后流經故障點的電容電流較大（超過10A） [2]  。電弧不易熄滅、容易激發鐵磁諧振過電壓及產生間隙性弧光接地過電壓，可能導致絕緣損壞，使線路跳閘，事故擴大，具體為：

1.單相接地電弧發生間歇性的熄滅與重燃，會產生弧光接地過電壓，其幅值可達4U（U為正常相電壓峰值）或者更高，持續時間長，會對電氣設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.由于持續電弧造成空氣的離解，破壞了周圍空氣的絕緣，容易發生相間短路。

3.產生鐵磁諧振過電壓，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。這些后果將嚴重威脅電網設備的絕緣，危及電網的安全運行。

為了減小單相接地故障時的對地電容電流，需要在變壓器中性點裝設消弧線圈等補償裝置，因此需人為建立一個中性點，以便在中性點接入消弧線圈，減小接地短路斷路電流，提高系統供電可靠性 [3]  [4-5]  。

國內外使用現狀

我國的接地變壓器通常采用 Z 型接線（或稱曲折型接線），為節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，為變電所所用設備供電。根據我國《電抗器》國家標準規定，接地變壓器的接地方式可分為直接接地;通過電抗器、電阻及消弧線圈接地。直接接地在我國目前還沒有使用，但己有電力研究部門開始這方面的探討。

國外的接地變壓器通常采用或 Z 型連接，用于 10kV 不接地系統，構成了配電網的接地保護，當系統發生接地故障時，接地變壓器對正序、負序電流呈現高阻抗性，對零序電流呈現低阻抗性，使接地保護可靠動作 [2]  。

設備分類

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小（10Ω左右），而普通變壓器要大得多。按規程規定，用普通變壓器帶消弧線圈時，其容量不得超過變壓器容量的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，也可帶二次負載，可代替站用變，從而節省投資費用。

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的發電機、Satons變壓器的中性點接地電阻柜，以降低電阻柜的造價和體積。

工作特點

（1）零序阻抗低， 以保證零序電流的輸出；

（2）勵磁阻抗高，以降低空載電流；

（3）空載損耗低，以節省日常運行的能耗 [6]  。

接線方式

YNyn聯結

這種聯結方式的變壓器一般采用三相三柱式鐵心，高壓側的中性點可以聯結消弧線圈等實現接地。但是, 當單相接地的零序電流流過高壓側繞組時，所產生的零序磁勢不能被二次磁勢所平衡，同方向的零序磁通又不能在三柱式鐵心內形成回路，從而使得大量的零序磁通只能經過夾件、油和油箱本體而形成閉合回路，從而在油箱及夾件內引起附加損耗，以致形成局部過熱，使變壓器容量的利用受到限制。

我國電力部門的有關運行規程, 曾對YNyn聯結變壓器的中性點聯結消弧線圈的工作狀態, 作過下列規定:

（1）消弧線圈的容量不得超過變壓器額定容量的20%；

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

（3）流經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%。

上述規定主要是根據零序磁通所造成的局部過熱不致超過變壓器繞組熱點的最高溫度限制而決定的。從上述可知，YNyn聯結的接地變壓器容量遠未被利用，另外它的零序電抗值也較大 [6]  [7]  。

YNd聯結

YNd聯結變壓器與消弧線圈XL相聯

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

國外的試驗研究表明: 考慮附加損耗、局部過熱、絕緣壽命和繞組熱點最高溫度的限制等因素后，YNd聯結的接地變壓器允許的工作方式為：

（1）當平時二次滿載時，YN側所接消弧線圈的容量不得超過變壓器額定容量的50%；

（2）當平時二次的負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。

盡管這種聯結的二次側可以供電給地區負載或變電所自用電，但由于三角形聯結難于同時向動力與照明混合用戶供電， 所以它的應用將受到很大限制。

YN ,開口d 聯結與消弧線圈XL相聯

與YNd聯結相類似的是YN，開口d 的聯結方式，在開口三角形一側可接入電阻器或電抗器以調節變壓器的零序電抗，接入電阻器還可以抑制網絡的鐵磁諧振。如采用三相五柱式鐵心還可使零序阻抗值大為增加, 甚至有省去一臺消弧線圈的可能，但結構復雜，造價增加。另外，二次采用開口三角形結線不能滿足供電給地區負載及自用電的需要，因此這種方式采用不多 [6]  [7]  。

ZNyn聯結

ZN,yn 聯結變壓器與消弧線圈XL相聯

這種聯結方式是接地變壓器常用聯結方式，由于曲折形結法的同一鐵心柱上的上下兩半繞組內的零序磁勢正好大小相等、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結的消弧線圈的容量相等 [2]  。目前國內外廣泛采用的接地變壓器主要是這種聯結方式。

由于低壓側采用yn結法，故可以同時供給地區用電或變電所的自用電。低壓側容量常小于高壓側容量，多數情況下，低壓側容量在80-200kVA 的范圍內 [8]  。

盡管高壓側的額定容量可以與聯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，所以接地變壓器的實際容量應為消弧線圈容量的1.15倍 [6]  [8]  [9]  。

工作原理

系統發生單相故障時接地變壓器的工作原理圖

以常用的ZNyn接線說明，接地變壓器在運行過程中，當通過一定大小的零序電流時，流過同一鐵心柱上的2個單相繞組的電流方向相反且大小相等，使得零序電流產生的磁勢正好相反抵消，從而使零序阻抗也很小。使得接地變壓器在發生故障時，中性點可以流過補償電流。由于有很小的零序阻抗，當零序電流通過時，產生的阻抗壓降要盡可能的小，以保證系統的安全。由于接地變壓器具有零序阻抗低的特點，所以當 C 相發生單相接地故障時，C 相的對地電流 I 經大地流入中性點，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 N 的位移不變，三相線電壓仍然保持對稱。但在制造過程中高壓繞組的上下包的匝數和幾何尺寸不可能完全相等，使得零序電流產生的磁勢不可能正好相反抵消,還是產生了一定的零序阻抗，通常在 6-10Ω左右,相對于星形接線的變壓器的零序阻抗 600Ω而言，其優勢不言而喻。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個鐵心柱的繞組組成，結合其向量圖可知，與普通星形接線變壓器比較，當電壓相同時要多繞 1.16 倍。中性點電阻接地方式下城市配電網在單相接地時，零序阻抗和正序阻抗的幅值相差很大。三相正、負序電流流過時，接地變壓器的每一鐵芯柱上的磁勢是該鐵芯柱上分屬不同相的兩繞組磁勢的相量和。三個鐵芯柱上的磁勢是一組三相平衡量，相位差 120°，產生的磁通可在三個鐵芯柱上互相形成回路，磁路磁阻小，磁通量大，感應電勢大，呈現很大的正序、負序阻抗；因此，接地變壓器具有正、負序阻抗大而零序阻抗小的特點 [2]  [3]  。

主要技術參數

為適應配電網采用消弧線圈接地補償的需要,同時也能滿足變電站站用動力與照明負載的需要,選用 Z 型接線連接的變壓器，需要合理設置接地變壓器的主要參數 [6]  。

（1）額定容量

接地變壓器一次側容量與需要與消弧線圈容量相配套。依據現有消弧線圈的容量規格，建議把接地變壓器容量設為消弧線圈容量的1.05-1.15 倍。如1臺200kVA 消弧線圈所配用的接地變壓器容量為215kVA。

（2）中性點補償電流

單相故障時流過變壓器中性點的總電流：

上式中：U 為配電網線電壓(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為系統阻抗(Ω)；中性點補償電流的持續時間應與消弧線圈的持續工作時間相同，按規定為2小時。

（3）零序阻抗

零序阻抗是接地變壓器的重要參數，對于繼電保護限制單相接地短路電流及抑制過電壓等都有重要影響。對于無二級線圈的曲折形（Z 型）以及星性/開口三角形聯結的接地變壓器只有1個阻抗，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個重要性能參數，對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。對于負載損耗，二次側滿載運行時，由于一次側負荷較輕，其負載損耗小于與二次側同容量雙繞組變壓器的負載損耗。

（5）溫升

按國標對接地變壓器的溫升有如下規定：

1）額定持續電流下的溫升應符合一般電力變壓器干式變壓器國標中的規定，但主要適用于二次側經常帶負荷的接地變壓器；

2）對短時負載電流的持續時間在10s以內時(這種情況主要發生在中性點與電阻聯結時)，其溫升應符合國標電力變壓器中對短路條件下的溫升限值的規定；

3）接地變壓器與消弧線圈一起運行時其溫升應符合對消弧線圈溫升的規定：

對于持續流過額定電流的繞組溫度為80K，主要適用于星性/開口三角形聯結的接地變壓器；

對于額定電流的最大流通時間規定為2h的繞組，規定溫度為100K。這種情況符合多數接地變壓器的工作條件；

對于最大流通時間規定為30min的繞組，規定溫度為120K。

上述規定的出發點, 是根據在最嚴重的條件下繞組熱點的最高溫度不超過140℃ ～ 160℃，以保證絕緣的安全運行和不至于嚴重危及絕緣壽命而規定 [10]  。