接地變壓器及其容量計(jì)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(jì)算方法，并給出了計(jì)算實(shí)例。
　　關(guān)鍵詞：接地變壓器；容量；計(jì)算方法
　　中圖分類號(hào)：TM406文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1001-8425(2000)04-0017-03
　　 1前言
　　 我國(guó)電力系統(tǒng)中的35kV、10kV電網(wǎng)一般都采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式。改革開(kāi)放以來(lái)，城市建設(shè)迅速發(fā)展，相應(yīng)的城市電網(wǎng)改造任務(wù)也隨之加大，其變化的最大特點(diǎn)是城網(wǎng)電纜線路劇增，電網(wǎng)的對(duì)地電容電流也迅速上升。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，接地相的接地電流是非故障相對(duì)地電容電流之和。當(dāng)接地電流超過(guò)10A時(shí)，每次電流過(guò)零點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生的一個(gè)暫時(shí)性熄弧過(guò)程和伴隨其后的再度擊穿絕緣都會(huì)引起電網(wǎng)中的電磁能量的劇烈震蕩，使非故障相，系統(tǒng)中性點(diǎn)乃至故障相產(chǎn)生電弧接地過(guò)電壓，這種過(guò)電壓可高達(dá)4倍或更高。它將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)設(shè)備的絕緣，危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。
　　 2接線方式、分析與比較
　　 為了抑制弧光接地過(guò)電壓，就必須改電網(wǎng)中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)為中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地或經(jīng)消弧線圈接地。
　　由于一般電網(wǎng)變電所的主變壓器都使用Yd的接法或YNynd的聯(lián)結(jié)法，特別是10kV配網(wǎng)系統(tǒng)都無(wú)中性點(diǎn)引出。接地變壓器的功能是為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，引出一個(gè)中性點(diǎn)。接地變壓器的特性是在電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)有很高的勵(lì)磁阻抗，繞組中只流過(guò)較小的勵(lì)磁電流或因中性點(diǎn)電壓偏移引起的持續(xù)電流(此值一般較小)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地變壓器繞組對(duì)正序、負(fù)序都呈現(xiàn)高阻抗，而對(duì)零序電流則呈低阻抗，這一零序電流經(jīng)過(guò)接地變壓器中性點(diǎn)電阻或消弧線圈起到減小電網(wǎng)的接地電流和抑制過(guò)電壓的發(fā)生。為此，該接地變壓器的結(jié)構(gòu)就必須采用曲折形的繞組聯(lián)結(jié)法，并在中性線處引出中性點(diǎn)套管，以加裝消弧線圈或接地電阻。其聯(lián)結(jié)圖如圖1所示。　　
　　圖1曲折形繞組聯(lián)結(jié)圖
　　 從圖1可見(jiàn)，接地變壓器由6個(gè)繞組組成，每一鐵心柱上有2個(gè)繞組，然后反極性串聯(lián)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(diǎn)O。
　　圖2表示了各繞組間的相量關(guān)系。　　
　　圖2各繞組間的相量關(guān)系
　　 從圖2的相量關(guān)系可見(jiàn)，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(lián)結(jié)法應(yīng)為=6070V。每一繞組的電壓就不應(yīng)為6070/2，因?yàn)槊肯嗬@組中的兩個(gè)繞組的夾角是120°，故每個(gè)繞組的電壓應(yīng)是3505V。
　　如果圖1所示的曲折形聯(lián)結(jié)的變壓器通過(guò)三相平衡負(fù)荷，它流通的電流僅是勵(lì)磁電流，因而它顯示出高阻抗作用。而當(dāng)出現(xiàn)相對(duì)中性點(diǎn)的電流時(shí)，該繞組會(huì)出現(xiàn)極小的阻抗，因?yàn)槊恳昏F心柱上的兩個(gè)繞組反極性串聯(lián)，它們?cè)诿恳昏F心柱上產(chǎn)生的磁通相互抵消，所以系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，變壓器對(duì)地能產(chǎn)生故障電流。
　　圖3是曲折形聯(lián)結(jié)的變壓器接到系統(tǒng)中的接線圖。假設(shè)系統(tǒng)A相對(duì)地發(fā)生故障，其接地電流Ijd通過(guò)曲折變的接地阻抗Z，進(jìn)入曲折變的中性點(diǎn)O。由于該變?nèi)@組通過(guò)的電流是流過(guò)相等的低阻抗通路，故三相繞組流過(guò)的I0都相等，也即Ijd=3I0。由于電源為不接地系統(tǒng)，B相和C相的電流I0流進(jìn)三相D聯(lián)結(jié)的電源側(cè)，再由A相電源側(cè)2I0流出，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的X點(diǎn)，與A相的I0匯合到X點(diǎn)，X點(diǎn)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(tǒng)中的接線圖
　　 從上述分析可知：
　　(1)曲折形聯(lián)結(jié)的變壓器對(duì)三相平衡負(fù)荷呈高阻抗作用，對(duì)單相接地故障呈低阻抗作用。
　　(2)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地變壓器的中性點(diǎn)電位由零電位升到。接地變壓器的中性點(diǎn)與大地相連的阻抗(電阻線電抗)會(huì)產(chǎn)生一接地電流I_jd=U₀/Z。
　　(3)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障電流流過(guò)接地變壓器后，在中性點(diǎn)以相同電流流過(guò)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(tǒng)成為一個(gè)有效的接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地后，非故障相保持相對(duì)相的水平，非故障相不會(huì)產(chǎn)生危及設(shè)備的過(guò)電壓。
　　對(duì)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(yīng)根據(jù)電網(wǎng)發(fā)生單相接地運(yùn)行2h這一要求來(lái)確定，即允許連續(xù)工作2h，后者的工作時(shí)間僅以10s來(lái)考慮，因而在接地變壓器設(shè)計(jì)上應(yīng)區(qū)別對(duì)待，以使接地變壓器的設(shè)計(jì)在安全的基礎(chǔ)上，盡量做到用料合理和經(jīng)濟(jì)，降低造價(jià)。
　　 3應(yīng)用實(shí)例
　　 今介紹一種較為合理的接地變壓器容量計(jì)算方法。
　　根據(jù)IEEE—C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)做出的過(guò)載系數(shù)的規(guī)定，換算變壓器的短時(shí)容量為持續(xù)額定容量，其換算列入表1。
　　 表1換算表　　 過(guò)載時(shí)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(shù)兼用作所用變考慮，要求帶二次繞組，因而在正常持續(xù)運(yùn)行的變壓器可參照IEEE所做出的短路過(guò)載的倍數(shù)的接地變壓器。
　　【例】一接地變壓器中性點(diǎn)接有一臺(tái)10Ω、600A接地電阻，求接地變壓器的短時(shí)容量和額定容量。
　　對(duì)10Ω、600A接地電阻，通過(guò)接地變壓器中性點(diǎn)的短路電流按要求為600A，流過(guò)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(shí)容量應(yīng)為：
　　
　　
　　在小電阻接地系統(tǒng)里，接地電阻和接地變壓器允許短時(shí)運(yùn)行時(shí)間一般以10s來(lái)計(jì)算，查表可知，10s的變壓器過(guò)載倍數(shù)為10.5。所以換算到持續(xù)運(yùn)行(即長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行)的變壓器的額定容量為：
　　
　　 亦即，按正常電力變壓器容量設(shè)計(jì)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(jiǎn)介：平紹勛(1941-)，男，上海人，江蘇如皋供電局高級(jí)工程師，從事變電運(yùn)行、過(guò)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(xiàn)
　　 ［1］平紹勛，陳玉書(shū).配電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式［J］，華東電力，1999，(4)：41～42
　　［2］IEEE-C62.92.3-1993