Z型變壓器在中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

王寅　超顧潔??

摘要：近年來，隨著新能源的廣泛接入，電纜線路的占比提高，中低壓配網(wǎng)原有的中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式已無法適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展。因配電變壓器低壓側(cè)多采用三角形接線，若要將中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式改造成中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地或經(jīng)小電阻接地，就需要人為的建立一個中性點(diǎn)，目前一般采用Z型變壓器來改造。本文首先介紹Z型變壓器的結(jié)構(gòu)，然后分析了基本原理，最后探究了具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Z型變壓器；中性點(diǎn)；小電阻；變壓器容量

現(xiàn)如今，城市發(fā)展速度不斷加快，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)隨著電網(wǎng)的對地電容電流逐漸增大，一旦發(fā)生單相接地故障，極易產(chǎn)生弧光接地過電壓，造成電網(wǎng)的劇烈震蕩，將對設(shè)備的絕緣及電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅。因此當(dāng)電容電流大于10A時，就需要將中性點(diǎn)接地方式改成中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地或經(jīng)小電阻接，像上海這類特大型城市，考慮到城市電網(wǎng)發(fā)展的速度很快，一般建議采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的方式。

1 接地變壓器基本介紹

接地變壓器最大的作用是提供一個中性點(diǎn)來連接接地電阻或消弧線圈[1]。對接地變壓器的性能要求是：系統(tǒng)正常運(yùn)行時，勵磁阻抗很高，繞組中流過的勵磁電流很小，空載損耗小。而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，繞組的正序和負(fù)序阻抗大，零序阻抗小，能夠有效傳遞零序電流，有利于接地保護(hù)動作。為此，接地變壓器多采用曲折形繞組接線方式。

（1）Z型變壓器的結(jié)構(gòu)及基本原理。

Z型變壓器在結(jié)構(gòu)上與普通三相變壓器基本相同，只是高壓側(cè)繞組每相線圈被分成匝數(shù)相同的兩部分，分別套在三相鐵芯上，采用曲折形繞組接線方式。Z型變壓器根據(jù)接線方式又可分為Zn，yn11和Zn，yn1兩種，Zn，yn11采用的比較多，其接線方式如圖1所示。

（2）Z型變壓器的電磁特性。

Z型變壓器的每個鐵心柱繞有匝數(shù)相等的兩段繞組，兩段繞組的繞向相反，再反極性串聯(lián)在一起。當(dāng)發(fā)生接地故障時，繞組中會流過正序、負(fù)序和零序電流，正序電流和負(fù)序電流在鐵心柱上產(chǎn)生的磁勢是兩相繞組磁勢的向量和，三個鐵芯柱上的合成磁勢大小相等，相位相差120°。三相磁通可在三個鐵芯柱上互相連通，形成磁通路，磁阻小、磁通量大、感應(yīng)電勢大，因此呈現(xiàn)很大的正序阻抗和負(fù)序阻抗。而零序電流流過同一相繞向相反的兩段繞組時，產(chǎn)生的磁勢大小相等，方向相反，正好相互抵消，因此對零序電流呈低阻抗[1]。

2 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中Z型變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行時Z型變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時中性點(diǎn)的位移電壓可以用下式表示：

Un=λ1+d2UP（1）

式中：Un-中性點(diǎn)位移電壓，kV

UP-相電壓，kV

λ-電網(wǎng)不對稱度。正常情況下，電網(wǎng)的不對稱度很小，架空線一般小于1.5%，電纜的數(shù)值更小

d-電網(wǎng)阻尼率。中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)的阻尼率一般在2%-5%范圍內(nèi)。中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地電網(wǎng)的阻尼率一般在1-4的范圍內(nèi)。

由式（l）可知，中性點(diǎn)位移電壓受到電網(wǎng)不對稱度λ和電網(wǎng)的阻尼率d的影響。由于中性點(diǎn)接地電阻的強(qiáng)阻尼作用，中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)位移電壓遠(yuǎn)小于中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)系統(tǒng)。

算例1，設(shè)一10kV配電網(wǎng)，單相接地電容電流為200A，電網(wǎng)不對稱度為1%，中性點(diǎn)不接地時的阻尼率為4%，選用5.7Ω，1000A/10S的中性點(diǎn)接地電阻接地時，阻尼率d=1000/200=5

中性點(diǎn)不接地時的中性點(diǎn)位移電壓由式（1）得：

Un=λ1+d2UP=1%1+4%2×100003=57.7V

中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地時的中性點(diǎn)位移電壓由式（1）得：

Un=λ1+d2UP=1%1+52×100003=11.3V

因此正常運(yùn)行時流過中性點(diǎn)接地電阻的電流為：

Ir=UnR=11.35.7=1.98A

而流過Z型變壓器每相的電流為：

I=Ir3=1.983=0.66A

由此算例計算可認(rèn)為正常運(yùn)行時，繞組中流過的勵磁電流很小，接地變壓器相當(dāng)于空載運(yùn)行。

（2）系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時Z型變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)。

系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，中性點(diǎn)接地電阻會流經(jīng)很大的接地電流，因為配置的零序保護(hù)裝置會立即切除故障線路，所以此接地電流持續(xù)的時間很短，Z型變壓器相當(dāng)于只是在故障發(fā)生時到保護(hù)裝置切除故障線路這段短時間內(nèi)，通過接地電流，該電流值很大。

綜上所述，Z型變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)是：長時間空載運(yùn)行，當(dāng)接地故障發(fā)生時，短時間過載。

3 Z型變壓器容量的確定

選用合適容量大小的Z型變壓器，對工程技術(shù)人員來說也是非常重要的問題，本文介紹一種根據(jù)變壓器允許過載系數(shù)來確定變壓器容量的方法。

（1）不帶二次負(fù)載情況下的變壓器容量的確定。

根據(jù)IEEE—C62.92.3標(biāo)準(zhǔn)制定的過載系數(shù)的規(guī)定，換算變壓器的短時容量為持續(xù)額定容量，其換算表如表1所列。

在實際應(yīng)用中，接地電阻的最大通流時間較短，因此在計算時變壓器過載時間選用10S，據(jù)此先計算出10S短時容量，然后按10S允許的過載倍數(shù)折算成連續(xù)運(yùn)行的額定容量。

算例2，設(shè)一中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)接地電阻的參數(shù)為：系統(tǒng)額定電壓UE=10kV，短時允許相電流IP=1000A，最大通流時間t=10S。

則選用的Z型變壓器的短時容量應(yīng)為：

S10s=3UEI10s[]3=3×10×1000[]3=5774kVA

查表1容量換算表可知，過載時間為10S時，對應(yīng)的過載倍數(shù)為10.5，所以換算到連續(xù)運(yùn)行的額定容量為：

S額定容量=S10s[]105=5774[]105=550kVA

（2）帶二次負(fù)載情況下的變壓器容量的確定。

當(dāng)Z型變壓器兼作站用變使用時，變壓器的額定容量除了按不帶二次負(fù)載的方法計算得出的額定容量，還應(yīng)考慮站用電負(fù)載所需的負(fù)荷，將兩者合計來確定變壓器容量。

4 Z型變壓器接入系統(tǒng)的具體應(yīng)用

Z型變壓器作為接地變壓器接入系統(tǒng)主要有以下兩種方式：

方式1：Z型變壓器直接接在主變壓器低壓側(cè)出口，之間不設(shè)斷路器及隔離開關(guān)，將Z型變壓器與主變壓器作為一個整體，接線方式如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省出線間隔，小電阻、接地變壓器與主變壓器同時投退，不會出現(xiàn)失地或兩點(diǎn)接地的問題。缺點(diǎn)：供電可靠性降低，接地變壓器及小電阻故障都會導(dǎo)致主變壓器停運(yùn)，主變壓器低壓側(cè)不允許并列運(yùn)行。

方式2：Z型變壓器單獨(dú)占用一個間隔，Z型變壓器通過斷路器接到母線上，接線方式如圖3所示。優(yōu)點(diǎn)：供電可靠性高，接地變壓器及小電阻故障不影響主變壓器運(yùn)行，主變壓器低壓側(cè)運(yùn)行方式靈活，既可以并列運(yùn)行又可以分列運(yùn)行。缺點(diǎn)：需要單獨(dú)占用一個間隔，且運(yùn)行方式調(diào)整相對復(fù)雜。

在應(yīng)用中選用哪一種接入方式，需要根據(jù)變電站的重要等級、變壓器的數(shù)量、變電站的主接線方式等因素綜合考慮。

5 結(jié)論

本文提供了不帶二次負(fù)載情況下的接地變?nèi)萘康囊环N比較實用的計算方法和接地變兼作站用變使用時接地變?nèi)萘康挠嬎惴椒?，介紹了Z型變壓器接入系統(tǒng)的兩種方式，便于工程技術(shù)人員在實際應(yīng)用中選用合適的接地變壓器進(jìn)行安裝。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐紹麟.城市電網(wǎng)10kV低阻接地系統(tǒng)中接地變壓器零序保護(hù)接線方案[J].繼電器，2003，31（9）：3539.

作者簡介：王寅超（1986），男，江蘇無錫人，本科，電氣工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。