趙世杰 蘭文光 鐘 磊 徐 天

（國網(wǎng)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(wǎng)的不斷發(fā)展，特別是對于城市電網(wǎng)中電纜線路的增多，電網(wǎng)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(chǎn)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(xiàn)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(shù)輸電變壓器，為了平衡由于變壓器鐵芯非線性產(chǎn)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(jié)的三繞組變壓器或Y／D 聯(lián)結(jié)的雙繞組變壓器，低壓側(cè)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(cè)或者是變壓器低壓側(cè)接入接地變壓器作為人工接地點。

圖1 接地變壓器結(jié)構(gòu)

2 接地變壓器運行原理

接地變壓器是一種曲折聯(lián)結(jié)的變壓器，曲折聯(lián)結(jié)又叫Z 聯(lián)結(jié)，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(jié)構(gòu)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(xué)[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(jié)構(gòu)完全對稱，于是

由圖1 接地變壓器的結(jié)構(gòu)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(diào)的是，當接地變中流過正序或負序電流時，其產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(jù)上文的分析，可以得出如下結(jié)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(jīng)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(jīng)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(shè)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(shè)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(wǎng)圖如下圖4所示。

圖4 單相接地故障時的等效序網(wǎng)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(cè)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(cè)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(yīng)繞組內(nèi)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(shè)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(yīng)聯(lián)切與之相連的主變。

5 結(jié)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(jù)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(wù)。