接地變壓器及其容量計算方法

摘要：分析了接地變壓器的基本原理，介紹了一種比較合理的接地變壓器容量計算方法，并給出了計算實例。
　　關鍵詞：接地變壓器；容量；計算方法
　　中圖分類號：TM406文獻標識碼：B文章編號：1001-8425(2000)04-0017-03
　　 1前言
　　 我國電力系統中的35kV、10kV電網一般都采用中性點不接地的運行方式。改革開放以來，城市建設迅速發展，相應的城市電網改造任務也隨之加大，其變化的最大特點是城網電纜線路劇增，電網的對地電容電流也迅速上升。當系統發生單相接地時，接地相的接地電流是非故障相對地電容電流之和。當接地電流超過10A時，每次電流過零點都會產生的一個暫時性熄弧過程和伴隨其后的再度擊穿絕緣都會引起電網中的電磁能量的劇烈震蕩，使非故障相，系統中性點乃至故障相產生電弧接地過電壓，這種過電壓可高達4倍或更高。它將嚴重威脅電網設備的絕緣，危及電網的安全運行。
　　 2接線方式、分析與比較
　　 為了抑制弧光接地過電壓，就必須改電網中性點不接地系統為中性點經電阻接地或經消弧線圈接地。
　　由于一般電網變電所的主變壓器都使用Yd的接法或YNynd的聯結法，特別是10kV配網系統都無中性點引出。接地變壓器的功能是為中性點不接地系統，引出一個中性點。接地變壓器的特性是在電網正常運行時有很高的勵磁阻抗，繞組中只流過較小的勵磁電流或因中性點電壓偏移引起的持續電流(此值一般較小)。當系統發生單相接地故障時，接地變壓器繞組對正序、負序都呈現高阻抗，而對零序電流則呈低阻抗，這一零序電流經過接地變壓器中性點電阻或消弧線圈起到減小電網的接地電流和抑制過電壓的發生。為此，該接地變壓器的結構就必須采用曲折形的繞組聯結法，并在中性線處引出中性點套管，以加裝消弧線圈或接地電阻。其聯結圖如圖1所示?！　?
　　圖1曲折形繞組聯結圖
　　 從圖1可見，接地變壓器由6個繞組組成，每一鐵心柱上有2個繞組，然后反極性串聯成曲折形的星形繞組。即A1繞組的末端與B2繞組的末端相連，同樣，B1繞組末端與C2繞組末端，C1繞組末端與A2繞組末端相連，然后A2、B2、C2的首端相連則形成曲折變壓器的中性點O。
　　圖2表示了各繞組間的相量關系?！　?
　　圖2各繞組間的相量關系
　　 從圖2的相量關系可見，如果繞組A、B、C間的電壓為10500V，則其相電壓符合星形繞組聯結法應為=6070V。每一繞組的電壓就不應為6070/2，因為每相繞組中的兩個繞組的夾角是120°，故每個繞組的電壓應是3505V。
　　如果圖1所示的曲折形聯結的變壓器通過三相平衡負荷，它流通的電流僅是勵磁電流，因而它顯示出高阻抗作用。而當出現相對中性點的電流時，該繞組會出現極小的阻抗，因為每一鐵心柱上的兩個繞組反極性串聯，它們在每一鐵心柱上產生的磁通相互抵消，所以系統發生單相接地故障時，變壓器對地能產生故障電流。
　　圖3是曲折形聯結的變壓器接到系統中的接線圖。假設系統A相對地發生故障，其接地電流Ijd通過曲折變的接地阻抗Z，進入曲折變的中性點O。由于該變三繞組通過的電流是流過相等的低阻抗通路，故三相繞組流過的I0都相等，也即Ijd=3I0。由于電源為不接地系統，B相和C相的電流I0流進三相D聯結的電源側，再由A相電源側2I0流出，經過系統的X點，與A相的I0匯合到X點，X點流出的3I0與故障接地成一閉合回路。　　
　　圖3曲折形變壓器接到系統中的接線圖
　　 從上述分析可知：
　　(1)曲折形聯結的變壓器對三相平衡負荷呈高阻抗作用，對單相接地故障呈低阻抗作用。
　　(2)系統發生單相接地故障時，接地變壓器的中性點電位由零電位升到。接地變壓器的中性點與大地相連的阻抗(電阻線電抗)會產生一接地電流I_jd=U₀/Z。
　　(3)系統發生單相接地故障電流流過接地變壓器后，在中性點以相同電流流過變壓器各相繞組，亦即I_jd=3I₀。
　　(4)由于接地變壓器的介入，系統成為一個有效的接地系統，發生單相接地后，非故障相保持相對相的水平，非故障相不會產生危及設備的過電壓。
　　對于用于消弧線圈的接地變壓器和用于電阻接地變壓器，前者應根據電網發生單相接地運行2h這一要求來確定，即允許連續工作2h，后者的工作時間僅以10s來考慮，因而在接地變壓器設計上應區別對待，以使接地變壓器的設計在安全的基礎上，盡量做到用料合理和經濟，降低造價。
　　 3應用實例
　　 今介紹一種較為合理的接地變壓器容量計算方法。
　　根據IEEE—C62.92.3標準做出的過載系數的規定，換算變壓器的短時容量為持續額定容量，其換算列入表1。
　　 表1換算表　　 過載時間 10s 10.5 60s 4.7 10min 2.6 30min 1.9 2h 1.4
　　 由于考慮到一般接地變壓器大多數兼用作所用變考慮，要求帶二次繞組，因而在正常持續運行的變壓器可參照IEEE所做出的短路過載的倍數的接地變壓器。
　　【例】一接地變壓器中性點接有一臺10Ω、600A接地電阻，求接地變壓器的短時容量和額定容量。
　　對10Ω、600A接地電阻，通過接地變壓器中性點的短路電流按要求為600A，流過接地變壓器各相繞組短路電流則為600/3=200A。
　　則該接地變壓器的短時容量應為：
　　
　　
　　在小電阻接地系統里，接地電阻和接地變壓器允許短時運行時間一般以10s來計算，查表可知，10s的變壓器過載倍數為10.5。所以換算到持續運行(即長時間運行)的變壓器的額定容量為：
　　
　　 亦即，按正常電力變壓器容量設計的接地變壓器，346kVA或350kVA變壓器可用于10Ω、600A接地電阻的變壓器上。同理，230kVA變壓器可用于16Ω、400A接地電阻的接地變壓器上。
　　 作者簡介：平紹勛(1941-)，男，上海人，江蘇如皋供電局高級工程師，從事變電運行、過電壓等研究工作。
　　平紹勛(江蘇如皋供電局，江蘇如皋226500)
　　 參考文獻
　　 ［1］平紹勛，陳玉書.配電系統的中性點接地方式［J］，華東電力，1999，(4)：41～42
　　［2］IEEE-C62.92.3-1993