接地变压器及其保护原理探讨

接地变压器及其保护原理探讨

尹永政

华电山东乳山新能源有限公司 山东 威海 264500

摘要:接地变压器作为变电站关键的设备之一，主要负责对电容电流进行平衡并且提供保护。接地保护则主要对接地情况进行监视，一旦出现故障能够进行可靠的动作，对于保障电力系统的稳定十分重要。针对接地变压器的如此重要，本文对接地变压器及其保护原理进行了相应的探讨，并且结合工作中总结的经验，对出现故障时接地变压器中故障电流的分布情况进行了详细分析，对接地变压器的进一步研究以及应用有一定的帮助。

关键词：接地变压器；功能；保护原理

1 接地变压器的作用

在电力系统中10kV以及35kV电网中通常都使用中性点不接地的运行方式，因为中性点不接地系统具有良好的实用性。如果系统采用的中性点不接地的方式，当系统出现单相接地故障时，各相之间的电压与相位能够保持与原来相同，继续维持三相系统的平衡，出现故障的位置流过的电流大小为系统原来相对地电容电流的三倍，在35kV的电网系统中，如果这种电流不超过10A，在出现故障时系统还能够继续运行，中性点不接地系统的优点在此充分体现了出来。不过随着电网的规模不断扩大，电网中尤其是城市中的电缆线路在不断增加，导致电网的对地电容也在增加，当出现接地故障时电流会越来越大，已经超过10A，当出现这种情况时，接地点会产生间歇性电弧，导致出现过电压现象，使非故障对地电压急剧的增大。在电弧接地过电压的作用下，容易损坏绝缘，导致出现两点或者多点的接地短路情况，容易造成较大的安全事故。

为了避免出现上述事故，现阶段主要两种方法应用较好，具体如下：（1）在中性点出安装消弧线圈，通过利用消弧线圈的感性电流对出现接地故障时的容性电流进行补偿，从而降低故障电流，实现电弧自动熄弧，保证电网的正常供电不会被中断。（2）安装接地保护，同时保证系统的零序电流以及零序电流足够，确保接地保护能够可靠动作，从而切除接地线路。

如果想要实现上述的两种方法，需要系统提供一个能够接地的中性点。但是许多输电变压器因为变压器铁芯的非线性从而会产生三次谐波磁通，为了能够这这个磁通平衡，则电压器的低压绕组在连接时会采用三角形的形式。例如，220kV的电力变压器使用的是Y/Y/D联结的三绕组变压器或者Y/D联结的双绕组变压器，在低压侧使用的都是三角形接线，不能够将接地点引出。为了将这种问题解决，需要在低压母线侧或者变压器低压侧接入接地变压器，从而当做人工接地点。

2 接地变压器运行原理

接地变压器属于曲折联结的变压器，而曲折联结又叫做Z联结。这种联结方式能够将各项的绕组分成两半，将一相的上半绕组和另一相的下半绕组反串起来，组成新的一相。将A₁，B₁，C₁引出，将A₂，B₂，C₂，联结在一起当做中性点引出。图1所示为接地变压器的结构以及不同相半绕组的电动势正方向。

图1接地变压器结构

选A相铁芯柱举例，根据相关的参考资料对变压器的原理进行详细的分析，图2所示的为变压器正常运行时的等效电路图。

接地图2变压器正常运行时等效电路图

图中Z₁为各个绕组的漏电抗，Z_m为励磁阻抗，可以得到下式：

因为三相结构对称，则

根据接地变压器的结构可以知道

如果某个元器件是三相对称的，比如线路以及变压器等，当有三相正序电流流过时，元器件上的三相压降也是正序的，并且对于零序电流或者负序电流同样能够适用这种规律。因为接地变压器属于三相对称元件，所以能够使用对称分量法对接地变压器的运行原理进行分析。

不过需要注意的是，当有正序电流或者负序电流流过接地变压器时，接地变压器所产生的的磁通在三相铁芯中互为通路，铁芯为磁通的路径，所以励磁阻抗Z_m非常大，往往是漏电抗Z₁的几十倍。当零序电流流过接地变压器时，接地变压器在各个铁芯柱的上、下半绕组中所产生的磁动势会相互取消，所以在铁芯中没有零序磁通，并且励磁阻抗的大小对接地变压器的实际运行不会产生影响。

根据上述相关的分析，能够得到下述相关结论：（1）接地变压器的正序以及负序具有较大的阻抗，等同于开路；（2）接地变压器的零序阻抗较小，等同于短路。因此如果电网系统采用的是中性点直接接地或者经小电阻接地的方式，当系统在正常运行或者出现相间短路的情况时，只有较小的励磁电流会流过接地变压器，而当系统出现接地短路时，则会有较大的故障电流流过。

3 单相接地故障时的电流分布

根据上述分析的结果，以图3所示的系统为例，对接地变压器中性点经小电阻接地的系统出现单相接地短路时的故障电流分布情况进行分析。设主变压器的正序抗组以及负序抗阻为Z_T1、Z_T2，每公里输电线路的正序阻抗以及负序阻抗为Z_l1、Z_l2，主变压器到故障点的线路长度为L_k。根据前文的分析，接地变压器的正序阻抗和负序阻抗都为励磁阻抗，可以看做为无穷大，而零序阻抗较小，设为Z

_t0。当出现单相接地的故障时，将负荷电流以及对地电容电流忽略。图4所示为系统的等效序网图。

图3系统示意图

输电线路以及变压器都是静止的元件，两者的正序阻抗以及负序阻抗相等，当系统出现单相接地故障时，流经故障点的电流为：

当短路的位置在图3中的K₁点时，流过接地变压器母线侧电流互感器TA₁的三相电流为：

流经接地变压器中性点电流互感器TA₄的电流为：

当短路的位置出现在图3中的K₂点时，流经接地变压器绕组侧电流互感器TA₁的三相电流为：

流经接地变压器中性点电流互感器TA₄的电流为：

4 接地变压器保护原理

4.1 非电量保护

瓦斯保护以及温度保护是接地变压器非电气量保护的主要方式，同变压器非电量保护一样，主要是当反应绕组出现多相短路、匝间短路以及铁芯过热时进行保护。

4.2 电气量保护

接地变压器电气量保护主要有电流速断和过电流保护、中性点零序过流保护。其中电流速断以及过电流保护是对保护区内的相间故障以及单相接地故障进行切除，电流互感器二次绕组联结为三角形，采用这种方式有两点好处：（1）能够将因为区外接地故障所产生的的零序电流对保护的干扰进行消除，避免区外出现故障时过电流保护出现误动作的情况。（2）能够使区内故障时流入过流继电器的电流增大，从而使保护能够在确保选择性的基础上对故障进行可靠的切除。

中性点零序过流保护的二次电流取自接地变压器中性点流变。根据文中对K₁、K₂点的接地故障的分析可以知道，当接地变压器在区内或者区外出现接地故障时，故障电流都会流过故障点流变，所以中性点零序过流保护是保护整个系统接地故障的最重要部分，其动作时间较长，动作电流较小。

输电变电站35KV母线采用的多为单母分段或者双母分段配置，每段母线都会配备一台主变压器以及一台接地变压器，在正常工作时不同段的母线采取分裂运行的方式。假如接地变压器被切除，那么系统将变成非接地系统，这时如果出现单相接地故障，对相关设备以及绝缘的安全会产生严重的威胁。所以接地变压器在进行保护动作之后，不仅需要对接地变压器进行切除，还需要联切和其相连的主变压器。

5 结语

在电力系统中，接地变压器对保证系统的安全稳定运行非常重要，因此相关的工作技术人员必须能够对其工作原理进行掌握，明确其保护原理，在此基础上进行相关保护功能的配置，从而在系统出现故障时能够及时安全的处理，保证电力系统的正常运行。

参考文献

1. 韦钢. 电力系统分析基础[M]. 中国电力出版社, 2006.

2. 国家电力调度通信中心. 电力系统继电保护实用技术问答[M]. 中国电力出版社, 2000.