陳錦華

（廣州荔灣供電局，廣東 廣州 510175）

0 引言

配電變壓器是配電系統(tǒng)的重要組成部分，其安全、可靠運行對電能質(zhì)量和供電可靠性有著直接的影響。根據(jù)電力設備試驗規(guī)程規(guī)定，100 kVA以下的變壓器接地點接地電阻不大于10 Ω，100 kVA以上的變壓器接地點接地電阻不大于4 Ω，接地電阻測量周期不可大于2年［1］。施工質(zhì)量不合格、運行維護不到位和偷盜行為等因素，時常引起配電變壓器接地線斷線缺陷，而接地線斷線則是接地電阻阻值過大的一種特殊情況［2］。配電變壓器如果接地電阻阻值過大或發(fā)生接地線斷線故障將造成供電異常甚至導致電氣設備燒毀或?qū)θ松戆踩斐晌ｋU，給供電單位的運行管理帶來一定困難，配電變壓器因接地電阻不合格已引起了多起事故［3］。

1 DYn11連接組介紹

根據(jù)GB/T 6451油浸式變壓器和GB/T 10228－1977干式變壓器標準規(guī)定，配電變壓器可采用Dynl1聯(lián)結(jié)，《民用建筑電氣設計規(guī)范》、《工業(yè)與民用供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》及《10 kV及以下變電所設計規(guī)范》等推薦配電變壓器采用Dynl1聯(lián)結(jié)方式［4］，作者單位管轄范圍內(nèi)的所有臺架配電變壓器均采用Dyn11聯(lián)結(jié)方式，其繞組的連接方式如圖1所示。

DYn11聯(lián)接方式主要優(yōu)點有:

（1）高次諧波電流由于有個閉合的三角形接線繞組而受到抑制;三倍次諧波電流可在三角形中環(huán)流，該環(huán)流對原有的三倍次諧波磁通起去磁作用，三倍次諧波電勢被削弱，三倍次諧波環(huán)流對變壓器的運行無多大影響［5］。

（2）變壓器零序阻抗較小，有利于單相接地故障的切除。

（3）變壓器磁路中的磁通被削弱，不致因為副邊的零序電流而使變壓器過熱［6］。

（4）防雷性能較好。

圖1 Dyn11繞組聯(lián)結(jié)示意圖

2 接地線斷線的主要影響

（1）中性點電壓偏移

若接地電阻夠足夠小，可等效為Re=0 Ω，則中性點電壓將保持與大地電壓一致，而當中性線斷線后，接地電阻等效為Re=∞，此時若三相負載不對稱，引起變壓器中性點電壓將發(fā)生偏移。等效電路如圖2所示。

根據(jù)節(jié)點電壓法［7］，可計算出中性點電壓偏移:

圖2 接地線斷線等效電路圖

式中Y==jωC+1/R，C為A

aaaa相線路對地等效電容，Ra為A相負荷等效電阻;Y==jωC+1/

圖3 中性點位移向量圖

bb Rb，Cb為B相線路對地等效電容，R為B相負荷等效電阻;Y==jωC+1/R，C為C相線路

bcccc對地等效電容，R為C相負荷等效電阻;Y=。當三相負荷

cc平衡，即Y=Y=Y=Y時，=）Y=0，即中性點abcNN'電壓未發(fā)生偏移。而三相負荷不平衡引起中性點電壓偏移，使得三相負載電壓不再平衡，其相量圖如圖3所示。

圖4 仿真模型圖

單相接地是三相負荷不平衡的特殊形式，也是電力系統(tǒng)的常見故障之一［8］。為了了解在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地線斷線對系統(tǒng)的各相電壓、電流以及中性點電壓的影響，本文利用MATLAB軟件搭建電路模型進行仿真分析，仿真模型如圖4所示。

仿真模型中，電源采用線電壓為10 kV的35 MVA供電系統(tǒng)，配電變壓器額定容量為315 kVA，繞組連接方式為DYn11，短路阻抗4.44%，單相線路對地等效電容取0.5 μF/km，線路長度取0.5 km，運行過程中三相負荷對稱，按照變壓器利用率η=0.75，功率因數(shù) cosφ =0.95 計算，三相負荷Za=Zb=Zc=0.584+0.193j。圖5的仿真結(jié)果顯示，在0－0.02 s期間，系統(tǒng)正常運行，三相負荷平衡，中性點電壓沒有發(fā)生偏移;T=0.02 s時刻，A相發(fā)生短路故障，由于故障點電阻和接地電阻的影響，故障相電壓U·a減小，低于正常運行時相電壓，非故障相電壓和升高，其值大于正常運行時相電壓而小于線電壓，中性點電壓略微升高，為21.3 V;T=0.04 s時刻，接地線斷線，故障相電壓降低至地電位，非故障相電壓和升高至線電壓，中性點電壓升高至正常運行時的相電壓。此時系統(tǒng)電壓相量如圖6所示

圖5 三相電壓和中性點電壓仿真結(jié)果

由以上分析，接地線斷線后，三相負荷不平衡將使得變壓器中性點電壓發(fā)生偏移，對配電系統(tǒng)影響主要有:

① 造成三相電壓不對稱。電壓降低相用電設備無法正常工作;電壓升高相可能使用電設備損壞;當負荷不平衡度較大時，各相電壓將無法滿足－10%～+7%的電壓質(zhì)量要求。

② 發(fā)生單相短路故障時，非故障相電壓升高至線電壓水平，對低壓輸電線路的絕緣水平提出更高的要求。

③ 中性點電壓升高，單相短路情況下可達到相電壓水平，有可能將中性點絕緣擊穿而使變壓器損壞，同時，中性點電壓高于36 V的安全電壓，對接觸接地線的人身和設備造成危害。

圖6 接地線斷線單相接地故障時系統(tǒng)電壓相量圖

④ 當接地線斷線時，致使避雷器接地電阻等效為無窮大，雷擊過電壓時，避雷器不能正常對地放電。

（2）對零序電流的影響

對稱分量法是分析不對稱故障的常用方法，根據(jù)對稱分量法，一組不對稱的三相量可以分解為正序、負序和零序三相對稱的三相量［9］。在不同序別的對稱分量作用下，電力系統(tǒng)的各元件可能呈現(xiàn)不同的特征。在三相電路中，對于任意一組不對稱的三相相量（電流或電壓），可以分解為三組三相對稱的相量，當選擇a相作為基準相時，三相相量與其對稱分量之間的關(guān)系（如電流）為式中運算子a=，a2=，且有1+a+=0，a3=1分別為a相電流的正序、負序和零序分量，并且有:）

基于MATLAB/Simlink平臺，采用圖4所示模型，根據(jù)公式（3）搭建零序電流計算模塊，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 零序電流仿真結(jié)果圖

如圖7所示，在0.02～0.04 s期間，A相發(fā)生單相短路，而接地線可靠接地，A相電流大幅上升，產(chǎn)生較大幅值的零序電流;0.04～0.06 s期間，A相發(fā)生單相短路，接地線斷線，因為故障點不能通過中性點形成回路，接地電流僅為幅值較小的線路對地電容電流，三相電流不平衡度極小，零序電流幅值很小。由此可見，在系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障等三相負荷不平衡情況時，若接地線可靠連接，接地電阻較小，則零序電流幅值較大，有利于繼電保護裝置迅速地檢測并切除故障回路，改善系統(tǒng)參數(shù)減少接地故障時的內(nèi)部過電壓，而當接地線斷線時，雖三相電流幅值均升高，但零序電流幅值很小，僅使繼電保護裝置作用于報警信號，而不可及時動作跳閘隔離故障回路，降低繼電保護裝置的可靠性。

（3）線路損耗增加

① 增加低壓線路中的電能損耗

在三相四線制供電線路中，三相負荷不平衡時，中線會有電流通過，這樣不僅相線有電能損耗，而且中線也會有電能損耗。設某低壓線路的三相電流大小分別為Ia=Ib=Ic=I，中線電流為I0，相線電阻為R，中線電阻為2R。三相負荷平衡時，Ia=Ib=Ic=I，I0=0，線路中的有功損耗為:

三相負荷不平衡時，線路中的有功損耗為:

假設線路中出現(xiàn)最大不平衡時，Ia=1.5I，Ib=Ic=0.75I。若三相負荷性質(zhì)與功率因數(shù)相同，則I0=0.75I。則增加的電能損耗比例為:

② 增加高壓線路中的電能損耗

在低壓配網(wǎng)中，若三相負荷不平衡，不僅使低壓線路中的電能損耗增加，而且使高壓線路中的電能損耗增加。假設在上述最大不平衡狀態(tài)下，配電壓器高壓側(cè)的電流與低壓側(cè)電流成比例，即IA=1.5I'，IB=IC=0.75I'，高壓線路中各相電阻為R'，則高壓線路中的功率損耗為:

而中性點為發(fā)生偏移時，高壓線路中的功率損耗為:

則增加的電能損耗比例為:

圖8 中性線多點重復接地示意圖

3 預防措施

（1）接地引下線沿電桿敷設，盡可能短而直，減少其沖擊電抗，以支持件固定在桿塔上［10］。

（2）在變壓器的中性線上選取適當?shù)奈恢枚帱c重復接地，如圖8所示，當變壓器接地點接地電阻升高或接地線斷線（如N點斷線），相線接地。由于有了M點的重復接地，也能保證大地的電位為零，不會對人生安全和設備的正常運行造成威脅。

4 結(jié)束語

本文通過理論計算和基于MATLAB軟件平臺仿真分析，結(jié)果表明:若配電變壓器中點接地線斷線，當三相負荷不平衡時，中性點電壓將發(fā)生偏移，三相電壓不平衡，負載小的相電壓升高，對線路絕緣和用電設備造成威脅，同時中性點電壓升高危及接觸接地線的人身和設備，能夠引起零序繼電保護設備拒動，降低其可靠性，增加了線路的損耗。在變壓器的中性線上選取適當?shù)奈恢枚帱c重復接地，可有效地避免中點接地線斷線造成的影響。

［1］廣州電力工業(yè)局.配電技術(shù)管理規(guī)范匯編［M］.北京:中國電力出版社，2000，12.

［2］陳孝建.配電變壓器接地電阻阻值過大的危害及防范［J］.農(nóng)村電工，2010，19（7）:36 －37.

［3］曹文鐘，李仁波.配電變壓器損壞原因及保護措施［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2009，17（23）:129 －130.

［4］侯彥方.配電變壓器采用Dyn11聯(lián)結(jié)組的優(yōu)勢分析［J］.電氣應用，2008，27（6）:50 －52.

［5］楊光.工廠供電系統(tǒng)中Yyn0和Dyn11兩種變壓器性能的比較［J］.鄭州紡織工學院學報，2001，12（S1）:56 －57.

［6］鄭國華.Dyn11聯(lián)結(jié)組別配電變壓器的應用分析［J］.應用能源技術(shù)，2008，25（11）:27－29.

［7］邱關(guān)源.電路（第四版）［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［8］劉道兵，顧雪平.基于配電自動化系統(tǒng)的單相接地故障定位［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（5）:77 －80.

［9］劉凱，索南加東，鄧旭陽，等.基于故障分量正序、負序和零序綜合阻抗的線路縱聯(lián)保護新原理［J］.電力自動化設備，2010，38（4）:21 －25.

［10］張力生.電力網(wǎng)電能損耗管理及降損技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2005，5.