接地變壓器及其保護原理分析

趙世杰 蘭文光 鐘 磊 徐 天

（國網上海市電力公司檢修公司，上海201204）

1 接地變壓器的作用

中性點不接地的系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，各相間的電壓大小和相位仍然不變，三相系統(tǒng)的平衡沒有遭到破壞，故障點流過的故障電流大小是該系統(tǒng)原來相對地電容電流的3 倍，對于35kV 系統(tǒng)，若該電流不大于10A，系統(tǒng)仍可以運行一段時間，這便是中性點不接地系統(tǒng)的優(yōu)點。但是隨著電網的不斷發(fā)展，特別是對于城市電網中電纜線路的增多，電網的對地電容亦將隨之增大，接地故障的電流越來越大（超過10A），此時接地點將產生間歇性電弧，引起過電壓，從而使非故障相對地電壓極大增加。在電弧接地過電壓的作用下，可能導致絕緣損壞，造成兩點或多點的接地短路，使事故擴大。[1]

為了防止上述事故的發(fā)生，目前普遍采用的方法有兩種：（1）在中性點裝設消弧線圈，其目的是利用消弧線圈的感性電流補償接地故障時的容性電流，使接地故障電流減小，以致自動熄弧，保證繼續(xù)供電；（2）裝設接地保護，并為系統(tǒng)提供足夠的零序電流和零序電壓，使接地保護可靠動作切除接地線路。

實現以上兩種功能，都需要系統(tǒng)提供一個可以接地的中性點。然而，對于大多數輸電變壓器，為了平衡由于變壓器鐵芯非線性產生的三次諧波磁通，一般將變壓器低壓繞組連接成三角形。比如220kV 電力變壓器主要采用Y/Y／D 聯(lián)結的三繞組變壓器或Y／D 聯(lián)結的雙繞組變壓器，低壓側均采用三角形接線，無法引出接地點。為解決上述矛盾，必須在低壓母線側或者是變壓器低壓側接入接地變壓器作為人工接地點。

圖1 接地變壓器結構

2 接地變壓器運行原理

接地變壓器是一種曲折聯(lián)結的變壓器，曲折聯(lián)結又叫Z 聯(lián)結，是把各相繞組分成兩半，把一相的上半繞組與另一相的下半繞組反串起來，組成一相，把A1、B1、C1引出，把A2、B2、C2聯(lián)在一起作為中性點引出。接地變的結構及各相半繞組的電動勢正方向如圖1 所示。[2]

以A 相鐵芯柱為例，參照電機學[2]對變壓器運行原理的分析，其在正常運行時的等效電路圖如圖2 所示。

圖2 接地變正常運行時的等效電路

其中Z1為各繞組的漏電抗，Zm 為勵磁阻抗。于是

由于三相結構完全對稱，于是

由圖1 接地變壓器的結構可得：

在一個三相對稱的元器件中，例如線路、變壓器等，如果流過三相正序電流，則在元器件上的三相壓降也是正序的，這一規(guī)律對于零序電流或負序電流同樣適用。[3]由于接地變壓器是三相對稱元件，因此可以用對稱分量法分析其運行原理。

于是接地變壓器的正序阻抗

于是接地變壓器的零序阻抗

需要特別強調的是，當接地變中流過正序或負序電流時，其產生的磁通在三相鐵芯柱中互為通路，磁通的路徑是鐵芯，因此勵磁阻抗Zm很大，在數值上是漏電抗Z1幾十倍。當接地變中流過零序電流時，其在各鐵芯柱的上、下半繞組中產生的磁動勢相互抵消，因此鐵芯中不存在零序磁通，勵磁阻抗的大小對于接地變的運行沒有影響。

根據上文的分析，可以得出如下結論：接地變壓器的正序和負序阻抗非常大，相當于開路；其零序阻抗非常小，相當于短路。因此對于中性點直接接地或經小電阻接地的系統(tǒng)，當正常運行或發(fā)生相間短路時，接地變壓器只流過很小的勵磁電流；當系統(tǒng)發(fā)生接地短路時，其流過非常大的故障電流。

3 單相接地故障時的電流分布

下面以圖3 所示的系統(tǒng)為例，分析接地變壓器中性點經小電阻接地的系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時的故障電流分布情況。

圖3 系統(tǒng)示意圖

設主變壓器的正序阻抗、負序阻抗分別為ZT1、ZT2；

每公里輸電線路的正序阻抗、負序阻抗分別為Zl1、Zl2，Lk為故障點到主變壓器的線路長度；

由前文的論述可知，接地變的正負序阻抗為勵磁阻抗，可認為其為無窮大，零序阻抗很小，設為Zt0，當發(fā)生單相接地故障時，忽略負荷電流和對地電容電流，系統(tǒng)的等效序網圖如下圖4所示。

圖4 單相接地故障時的等效序網圖

變壓器和線路屬于靜止元件，它們的正序阻抗與負序阻抗相等，因此當系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，故障點的電流為：

當短路發(fā)生在圖3 中的k1點時，接地變母線側電流互感器TA1流過的三相電流分別為：

當短路發(fā)生在圖3 中的k2點時，接地變繞組側電流互感器TA1流過的三相電流分別為：

接地變中性點電流互感器TA4流過的電流為：I˙N=3I˙0。

4 接地變壓器保護原理

4.1 非電量保護

接地變壓器非電氣量保護包括瓦斯保護和溫度保護，和變壓器非電量保護相同，主要用于反應繞組內部多相短路、匝間短路和鐵芯過熱等。

4.2 電氣量保護

接地變壓器電氣量保護包括電流速斷和過電流保護、中性點零序過流保護。

電流速斷和過電流保護主要用于切除保護區(qū)內的相間故障和單相接地故障，電流互感器二次繞組聯(lián)接成三角形，一方面可以消除區(qū)外接地故障產生的零序電流對保護的干擾，防止區(qū)外故障時過電流保護誤動作，另一方面可以增加區(qū)內故障時流入過流繼電器的電流，使保護在保證選擇性的前提下靈敏可靠的切除故障。

中性點零序過流保護的二次電流取自接地變壓器中性點流變。由上文第3 部分對于k1、k2點的接地故障的分析可知，接地變壓器區(qū)內或區(qū)外發(fā)生接地故障，中性點流變都會流過故障電流，因此中性點零序過流保護是全系統(tǒng)接地故障的總后備保護，其動作電流小動作時間長。

輸電變電站35kV 母線主要為單母分段或雙母分段配置，一段母線配置一臺主變和一臺接地變，正常運行時各段母線分裂運行。如果接地變壓器被切除，系統(tǒng)將變成非接地系統(tǒng)，如果此時發(fā)生單相接地故障，將會嚴重威脅系統(tǒng)絕緣和設備安全，因此接地變壓器保護動作后，除了要求切除接地變，還應聯(lián)切與之相連的主變。

5 結論

接地變壓器作為電力系統(tǒng)中人為引出的接地點，對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行意義重大。只有準確掌握其運行原理，并根據其原理配置保護功能，才能在發(fā)生事故時正確處理,更好地為電力系統(tǒng)的安全運行服務。