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      特種變壓器

      接地變壓器

      接地變壓器

      外文名

      Grounding Transformer

      所屬領(lǐng)域

      電力一次設備

          類(lèi)

      油式和干式

          點(diǎn)

      長(cháng)時(shí)空載,短時(shí)過(guò)載

      應用范圍

      主要是10kV配電網(wǎng)

      目錄

      00001. 1 使用現狀

      00002. ? 使用背景

      00003. ? 國內外使用現狀

      00004. 2 設備分類(lèi)

      00005. ? 三相接地變壓器

      00001. ? 單相接地變壓器

      00002. 3 工作特點(diǎn)

      00003. 4 接線(xiàn)方式

      00004. ? YNyn聯(lián)結

      00005. ? YNd聯(lián)結

      00001. ? ZNyn聯(lián)結

      00002. 5 工作原理

      00003. 6 主要技術(shù)參數

      使用現狀

      使用背景

      電力系統中的6kV、10kV、35kV電網(wǎng)中一般都采用中性點(diǎn)不接地的運行方式。電網(wǎng)中主變壓器低壓側一般為三角形接法,沒(méi)有可以接地的中性點(diǎn)。當中性點(diǎn)不接地系統發(fā)生單相接地故障時(shí),線(xiàn)電壓三角形仍然保持對稱(chēng),電力系統可以持續對用戶(hù)供電12小時(shí),并且電容電流比較?。ㄐ∮?/span>10A),不會(huì )引起間歇性電弧,一些瞬時(shí)性接地故障能夠自行消失,這對提高供電可靠性,減少停電事故是非常有效的。但隨著(zhù)城市電網(wǎng)的不斷擴大及電纜出線(xiàn)的不斷增多,系統對地電容電流急劇增加,單相接地后流經(jīng)故障點(diǎn)的電容電流較大(超過(guò)10A [2]  。電弧不易熄滅、容易激發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓及產(chǎn)生間隙性弧光接地過(guò)電壓,可能導致絕緣損壞,使線(xiàn)路跳閘,事故擴大,具體為:

      1.單相接地電弧發(fā)生間歇性的熄滅與重燃,會(huì )產(chǎn)生弧光接地過(guò)電壓,其幅值可達4UU為正常相電壓峰值)或者更高,持續時(shí)間長(cháng),會(huì )對電氣設備的絕緣造成極大的危害,在絕緣薄弱處形成擊穿;造成重大損失。

      2.由于持續電弧造成空氣的離解,破壞了周?chē)諝獾慕^緣,容易發(fā)生相間短路。

      3.產(chǎn)生鐵磁諧振過(guò)電壓,容易燒壞電壓互感器并引起避雷器的損壞甚至可能使避雷器爆炸。這些后果將嚴重威脅電網(wǎng)設備的絕緣,危及電網(wǎng)的安全運行。

      為了減小單相接地故障時(shí)的對地電容電流,需要在變壓器中性點(diǎn)裝設消弧線(xiàn)圈等補償裝置,因此需人為建立一個(gè)中性點(diǎn),以便在中性點(diǎn)接入消弧線(xiàn)圈,減小接地短路斷路電流,提高系統供電可靠性 [3]  [4-5]  。

      國內外使用現狀

      我國的接地變壓器通常采用 Z 型接線(xiàn)(或稱(chēng)曲折型接線(xiàn)),為節省投資和變電所空間,通常在接地變壓器上增加第三繞組,替代所用變壓器,為變電所所用設備供電。根據我國《電抗器》國家標準規定,接地變壓器的接地方式可分為直接接地;通過(guò)電抗器、電阻及消弧線(xiàn)圈接地。直接接地在我國目前還沒(méi)有使用,但己有電力研究部門(mén)開(kāi)始這方面的探討。

      國外的接地變壓器通常采用或 Z 型連接,用于 10kV 不接地系統,構成了配電網(wǎng)的接地保護,當系統發(fā)生接地故障時(shí),接地變壓器對正序、負序電流呈現高阻抗性,對零序電流呈現低阻抗性,使接地保護可靠動(dòng)作 [2]  。

      設備分類(lèi)

      三相接地變壓器接地變壓器.jpg

      三相接地變壓器

      此類(lèi)變壓器采用Z型接線(xiàn)(或稱(chēng)曲折型接線(xiàn)),與普通變壓器的區別是,每相線(xiàn)圈分成兩組分別反向繞在該相磁柱上,這樣連接的好處是零序磁通可沿磁柱流通,而普通變壓器的零序磁通是沿著(zhù)漏磁磁路流通,所以Z型接地變壓器的零序阻抗很?。?/span>10Ω左右),而普通變壓器要大得多。按規程規定,用普通變壓器帶消弧線(xiàn)圈時(shí),其容量不得超過(guò)變壓器容量的20%。Z型變壓器則可帶90% 100%容量的消弧線(xiàn)圈,接地變除可帶消弧圈外,也可帶二次負載,可代替站用變,從而節省投資費用。

      單相接地變壓器

      單相接地變壓器接地變單相1.png

      單相接地變主要用于有中性點(diǎn)的發(fā)電機、Satons變壓器的中性點(diǎn)接地電阻柜,以降低電阻柜的造價(jià)和體積。

      工作特點(diǎn)

      1)零序阻抗低, 以保證零序電流的輸出;

      2)勵磁阻抗高,以降低空載電流;

      3)空載損耗低,以節省日常運行的能耗 [6]  。

      接線(xiàn)方式

      YNyn聯(lián)結

      這種聯(lián)結方式的變壓器一般采用三相三柱式鐵心,高壓側的中性點(diǎn)可以聯(lián)結消弧線(xiàn)圈等實(shí)現接地。但是, 當單相接地的零序電流流過(guò)高壓側繞組時(shí),所產(chǎn)生的零序磁勢不能被二次磁勢所平衡,同方向的零序磁通又不能在三柱式鐵心內形成回路,從而使得大量的零序磁通只能經(jīng)過(guò)夾件、油和油箱本體而形成閉合回路,從而在油箱及夾件內引起附加損耗,以致形成局部過(guò)熱,使變壓器容量的利用受到限制。

      我國電力部門(mén)的有關(guān)運行規程, 曾對YNyn聯(lián)結變壓器的中性點(diǎn)聯(lián)結消弧線(xiàn)圈的工作狀態(tài), 作過(guò)下列規定:

      1)消弧線(xiàn)圈的容量不得超過(guò)變壓器額定容量的20%;

      2) 流過(guò)消弧線(xiàn)圈的零序電流在變壓器內所產(chǎn)生的零序壓降不得超過(guò)額定相電壓的10%;

      3)流經(jīng)消弧線(xiàn)圈的三相總零序電流不大于變壓器額定相電流的60%。

      上述規定主要是根據零序磁通所造成的局部過(guò)熱不致超過(guò)變壓器繞組熱點(diǎn)的最高溫度限制而決定的。從上述可知,YNyn聯(lián)結的接地變壓器容量遠未被利用,另外它的零序電抗值也較大 [6]  [7]  。

      YNd聯(lián)結

      YNd聯(lián)結變壓器與消弧線(xiàn)圈XL相聯(lián)1.png

      這種聯(lián)結方式的特點(diǎn)是二次側的三角形聯(lián)結可提供零序電流的閉合通路,因而零序電抗較小。另外, 由于每個(gè)心柱上的一、二次繞組的零序磁勢得以平衡, 所以零序漏磁也較小。但是, YN聯(lián)結繞組處于外部時(shí),在油箱等部件內所引起的零序附加損耗仍不能完全避免。當它聯(lián)結消弧線(xiàn)圈時(shí),其容量的利用仍將受到一定限制。

      國外的試驗研究表明: 考慮附加損耗、局部過(guò)熱、絕緣壽命和繞組熱點(diǎn)最高溫度的限制等因素后,YNd聯(lián)結的接地變壓器允許的工作方式為:

      1)當平時(shí)二次滿(mǎn)載時(shí),YN側所接消弧線(xiàn)圈的容量不得超過(guò)變壓器額定容量的50%;

      2)當平時(shí)二次的負載僅為變壓器容量的50%,則消弧線(xiàn)圈容量可以等于變壓器的額定容量。

      盡管這種聯(lián)結的二次側可以供電給地區負載或變電所自用電,但由于三角形聯(lián)結難于同時(shí)向動(dòng)力與照明混合用戶(hù)供電, 所以它的應用將受到很大限制。

      2.pngYN ,開(kāi)口d 聯(lián)結與消弧線(xiàn)圈XL相聯(lián)

      YNd聯(lián)結相類(lèi)似的是YN,開(kāi)口d 的聯(lián)結方式,在開(kāi)口三角形一側可接入電阻器或電抗器以調節變壓器的零序電抗,接入電阻器還可以抑制網(wǎng)絡(luò )的鐵磁諧振。如采用三相五柱式鐵心還可使零序阻抗值大為增加, 甚至有省去一臺消弧線(xiàn)圈的可能,但結構復雜,造價(jià)增加。另外,二次采用開(kāi)口三角形結線(xiàn)不能滿(mǎn)足供電給地區負載及自用電的需要,因此這種方式采用不多 [6]  [7]  。

      ZNyn聯(lián)結

      ZN,yn 聯(lián)結變壓器與消弧線(xiàn)圈XL相聯(lián)3.png

      這種聯(lián)結方式是接地變壓器常用聯(lián)結方式,由于曲折形結法的同一鐵心柱上的上下兩半繞組內的零序磁勢正好大小相等、方向相反而相互抵消,使得零序漏磁通減到很小, 從而使它的零序電抗值很小,它的容量可以與所聯(lián)結的消弧線(xiàn)圈的容量相等 [2]  。目前國內外廣泛采用的接地變壓器主要是這種聯(lián)結方式。

      由于低壓側采用yn結法,故可以同時(shí)供給地區用電或變電所的自用電。低壓側容量常小于高壓側容量,多數情況下,低壓側容量在80-200kVA 的范圍內 [8]  。

      盡管高壓側的額定容量可以與聯(lián)接的消弧線(xiàn)圈容量相等,但Z 形接法將較Y 形接法多繞1.15倍的匝數,所以接地變壓器的實(shí)際容量應為消弧線(xiàn)圈容量的1.15 [6]  [8]  [9]  。

      工作原理

      系統發(fā)生單相故障時(shí)接地變壓器的工作原理圖4.png

      以常用的ZNyn接線(xiàn)說(shuō)明,接地變壓器在運行過(guò)程中,當通過(guò)一定大小的零序電流時(shí),流過(guò)同一鐵心柱上的2個(gè)單相繞組的電流方向相反且大小相等,使得零序電流產(chǎn)生的磁勢正好相反抵消,從而使零序阻抗也很小。使得接地變壓器在發(fā)生故障時(shí),中性點(diǎn)可以流過(guò)補償電流。由于有很小的零序阻抗,當零序電流通過(guò)時(shí),產(chǎn)生的阻抗壓降要盡可能的小,以保證系統的安全。由于接地變壓器具有零序阻抗低的特點(diǎn),所以當 C 相發(fā)生單相接地故障時(shí),C 相的對地電流 I 經(jīng)大地流入中性點(diǎn),并且被等分為三份流入接地變壓器,由于流入接地變壓器的三相電流相等,所以中性點(diǎn) N 的位移不變,三相線(xiàn)電壓仍然保持對稱(chēng)。但在制造過(guò)程中高壓繞組的上下包的匝數和幾何尺寸不可能完全相等,使得零序電流產(chǎn)生的磁勢不可能正好相反抵消,還是產(chǎn)生了一定的零序阻抗,通常在 6-10Ω左右,相對于星形接線(xiàn)的變壓器的零序阻抗 600Ω而言,其優(yōu)勢不言而喻。此外,曲折接地變壓器還可以使空載電流和空載損耗盡可能小。同普通星形接線(xiàn)變壓器比較,由于曲折接線(xiàn)變壓器的每相鐵芯是由2個(gè)鐵心柱的繞組組成,結合其向量圖可知,與普通星形接線(xiàn)變壓器比較,當電壓相同時(shí)要多繞 1.16 倍。中性點(diǎn)電阻接地方式下城市配電網(wǎng)在單相接地時(shí),零序阻抗和正序阻抗的幅值相差很大。三相正、負序電流流過(guò)時(shí),接地變壓器的每一鐵芯柱上的磁勢是該鐵芯柱上分屬不同相的兩繞組磁勢的相量和。三個(gè)鐵芯柱上的磁勢是一組三相平衡量,相位差 120°,產(chǎn)生的磁通可在三個(gè)鐵芯柱上互相形成回路,磁路磁阻小,磁通量大,感應電勢大,呈現很大的正序、負序阻抗;因此,接地變壓器具有正、負序阻抗大而零序阻抗小的特點(diǎn) [2]  [3]  。

      主要技術(shù)參數

      為適應配電網(wǎng)采用消弧線(xiàn)圈接地補償的需要,同時(shí)也能滿(mǎn)足變電站站用動(dòng)力與照明負載的需要,選用 Z 型接線(xiàn)連接的變壓器,需要合理設置接地變壓器的主要參數 [6]  。

      1)額定容量

      接地變壓器一次側容量與需要與消弧線(xiàn)圈容量相配套。依據現有消弧線(xiàn)圈的容量規格,建議把接地變壓器容量設為消弧線(xiàn)圈容量的1.05-1.15 倍。如1200kVA 消弧線(xiàn)圈所配用的接地變壓器容量為215kVA。

      2)中性點(diǎn)補償電流

      單相故障時(shí)流過(guò)變壓器中性點(diǎn)的總電流:


      上式中:U 為配電網(wǎng)線(xiàn)電壓(V);Zx為消弧線(xiàn)圈的阻抗(Ω);Zd為接地變壓器一次零序阻抗(Ω/);Zs為系統阻抗(Ω);中性點(diǎn)補償電流的持續時(shí)間應與消弧線(xiàn)圈的持續工作時(shí)間相同,按規定為2小時(shí)。

      3)零序阻抗

      零序阻抗是接地變壓器的重要參數,對于繼電保護限制單相接地短路電流及抑制過(guò)電壓等都有重要影響。對于無(wú)二級線(xiàn)圈的曲折形(Z 型)以及星性/開(kāi)口三角形聯(lián)結的接地變壓器只有1個(gè)阻抗,即零序阻抗,這樣制造部門(mén)能滿(mǎn)足電力部門(mén)的要求。

      4)損耗

      損耗是接地變壓器的1個(gè)重要性能參數,對于帶有二次線(xiàn)圈的接地變壓器,其空載損耗可以做到與同容量的雙繞組變壓器相同。對于負載損耗,二次側滿(mǎn)載運行時(shí),由于一次側負荷較輕,其負載損耗小于與二次側同容量雙繞組變壓器的負載損耗。

      5)溫升

      按國標對接地變壓器的溫升有如下規定:

      1)額定持續電流下的溫升應符合一般電力變壓器干式變壓器國標中的規定,但主要適用于二次側經(jīng)常帶負荷的接地變壓器;

      2)對短時(shí)負載電流的持續時(shí)間在10s以?xún)葧r(shí)(這種情況主要發(fā)生在中性點(diǎn)與電阻聯(lián)結時(shí)),其溫升應符合國標電力變壓器中對短路條件下的溫升限值的規定;

      3)接地變壓器與消弧線(xiàn)圈一起運行時(shí)其溫升應符合對消弧線(xiàn)圈溫升的規定:

      對于持續流過(guò)額定電流的繞組溫度為80K,主要適用于星性/開(kāi)口三角形聯(lián)結的接地變壓器;

      對于額定電流的最大流通時(shí)間規定為2h的繞組,規定溫度為100K。這種情況符合多數接地變壓器的工作條件;

      對于最大流通時(shí)間規定為30min的繞組,規定溫度為120K。

      上述規定的出發(fā)點(diǎn), 是根據在最嚴重的條件下繞組熱點(diǎn)的最高溫度不超過(guò)140℃ 160℃,以保證絕緣的安全運行和不至于嚴重危及絕緣壽命而規定 [10]  。


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