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接地变压器的作用
作者:变压器 来源: 日期:2016-11-28 11:29:49 人气:
   我国电力系统中,的6kV、10kV、35kV电网中一般都采用中性点不接地的运行方式。电网中主变压器配电电压侧一般为三角形接法,没有可供接地电阻的中性点。当中性点不接地系统发生单相接地故障时,线电压三角形仍然保持对称,对用户继续工作影响不大,并且电容电流比较小(小于10A)时,一些瞬时性接地故障能够自行消失,这对提高供电可靠性,减少停电事故是非常有效的。
    但是随着电力事业日益的壮大和发展,这中简单的方式已不在满足现在的需求,现在城市电网中电缆电路的增多,电容电流越来越大(超过10A),此时接地电弧不能可靠熄灭,就会产生以下后果:
      1)单相接地电弧发生间歇性的熄灭与重燃,会产生弧光接地过电压,其幅值可达4U(U为正常相电压峰值)或者更高,持续时间长,会对电气设备的绝缘造成极大的危害,在绝缘薄弱处形成击穿;造成重大损失。
      2)由于持续电弧造成空气的离解,破坏了周围空气的绝缘,容易发生相间短路;
      3)产生铁磁谐振过电压,容易烧坏电压互感器并引起避雷器的损坏甚至可能使避雷器爆炸;这些后果将严重威胁电网设备的绝缘,危及电网的安全运行。
为了防止上述事故的发生,为系统提供足够的零序电流和零序电压,使接地保护可靠动作,需人为建立一个中性点,以便在中性点接入接地电阻。为了解决这样的办法.接地变压器(简称接地变)就在这样的情况下产生了。接地变就是人为制造了一个中性点接地电阻,它的接地电阻一般很小(一般要求小于5欧)。
      另外接地变有电磁特性,对正序、负序电流呈高阻抗,绕组中只流过很小的励磁电流。由于每个铁心柱上两段绕组绕向相反,同心柱上两绕组流过相等的零序电流呈现低阻抗,零序电流在绕组上的压降很小。也既当系统发生接地故障时,在绕组中将流过正序、负序和零序电流。
该绕组对正序和负序电流呈现高阻抗,而对零序电流来说,由于在同一相的两绕组反极性串联,其感应电动势大小相等,方向相反,正好相互抵消,因此呈低阻抗。接地变的工作状态,由于很多接地变只提供中性点接地小电阻,而不需带负载。所以很多接地变就是属于无二次的。接地变在电网正常运行时,接地变相当于空载状态。但是,当电网发生故障时,只在短时间内通过故障电流,中性点经小电阻接地电网发生单相接地故障时,高灵敏度的零序保护判断并短时切除故障线路,接地变只在接地故障至故障线路零序保护动作切除故障线路这段时间内起作用,其中性点接地电阻和接地变才会通过IR=  (U为系统相电压,R1为中性点接地电阻,R2为接地故障回路附加电阻)的零序电路。根据上述分析,接地变的运行特点是;长时空载,短时过载。
    总之,接地变是人为的制造一个中性点,用来连接接地电阻。当系统发生接地故障时,对正序负序电流呈高阻抗,对零序电流呈低阻抗性使接地保护可靠动作。
变电站内现在一般采用的接地变压器有两个用途,1.供给变电站使用的低压交流电源,2.在10kV侧形成人为的中性点,同消弧线圈相结合,用于10kV发生接地时补偿接地电容电流,消除接地点电弧,其原理如下:
三相电网各相导线之间及各相对地之间,沿导线全长都分布有电容。当电网中性点不是死接地时,单相接地相的对地电容为零,另外两相的对地电压升高到 倍。相电压升高并未超过安全电压设计的绝缘强度,但是会导致其对地电容的增加。单相接地时电容电流为正常运行时一相对地电容电流的3倍。当该电容电流较大时,较易引起间歇电弧,对电网的电感和电容的震荡回路产生过电压,其值可达2.5到3倍的相电压。电网电压越高,由其引起的过电压危险越大。因此只有60KV以下的供电系统的中性点才可不接地,因为它们的单相接地电容电流不大。否则,应通过接地变压器将中性点经阻抗接地。
当变电站主变压器一侧(如10KV侧)为三角形或星形接线,当单相对地电容电流较大时,由于没有中性点可接地,则需要采用一台接地变压器使电网形成人为的中性点,以便经消弧线圈接地,使电网形成人为中性点,这就是接地变压器的作用。在电网正常运行时接地变压器承受电网的对称电压,仅流过很小的励磁电流,处于空载运行状态,其中性点对地电位差为零(忽略消弧线圈的中性点位移电压),此时消弧线圈没有电流流过。假设C相对地短路时,三相不对称分解出来的零序电压,汇合后流经消弧线圈入地。其作用与消弧线圈一样,即它所产生的感性电流补偿了接地电容电流,消除了接地点的电弧。
近年来,某地区电网中多次发生110kV变电站接地变压器保护误动事故,严重影响了该地区电网的稳定运行,为了找出问题的所在,分析了引起接地变压器保护误动的原因,并采取相应的措施,阻止类似事故的再次发生,并为其他地区电网提供借鉴。
目前110kV变电站10kV馈线越来越多地采用电缆出线,以致10 kV系统单相对地电容电流大幅度增加。为抑制单相接地时产生的过电压幅值,110kV变电站10kV电网系统开始加装接地变压器,构成低阻接地接线方式,形成一条零序电流的通道,以便当10 kV系统发生接地时,根据接地点所在位置,由相应零序保护有选择性动作将接地故障隔离,以防电弧重燃引发过电压,保证电网设备安全供电。
某地区电网,于2008年开始将110kV变电站10kV电网系统改造为低阻接地接线方式,加装了接地变压器和接地变压器保护设备,实现了10 kV系统任意馈线发生接地故障时,能快速切除故障,减少了对电网的影响。然而,近段时间,该地区电网有五个110kV变电站先后发生了多次接地变压器保护误动事故,造成变电站停电,严重影响了该地区电网的稳定运行, 因此,为了阻止类似事故的再次发生,维护地区电网的安全稳定,找出原因,采取措施是非常必要的。
1、接地变压器保护误动原因分析:
10kV馈线发生接地短路故障时,安装在110kV变电站的故障线路零序保护首先启动,切除故障线路,当不能正确切除时,由接地变压器的零序保护越级切除母联开关和主变压器两侧开关,从而隔离故障对系统的影响。所以防止接地变压器保护误动,10kV馈线保护及开关的动作正确性是保证电网安全至关重要的,从该地区电网五个110kV变电站发生的接地变压器保护误动事故统计分析,引起接地变压器保护误动的主要原因也是10kV馈线不能正确切除接地故障所引起的。
10kV馈线零序保护的构成原理:馈线零序CT采样→馈线保护启动→开关动作跳闸,从10kV馈线零序保护的构成原理可以看出,零序CT、馈线保护、开关是保护正确动作的关键元件,下面就从这几个方面分析引起接地变压器保护误动的原因:
①零序CT误差引起接地变压器保护误动。当10KV馈线发生接地短路故障时,故障线路零序CT检测到故障电流,对应的馈线零序保护首先启动切除故障线路,同时接地变压器的零序CT也检测到故障电流,保护启动,为了遵循选择性的原则,实现10kV馈线保护优先动作,10kV馈线零序保护电流和时间整定值要比接地变压器保护小。根据现行变电站运行数据可知,接地变:一次电流75A、1.5s切10kV分段、1.8s闭锁10kV自投、2.0s切变低、2.5s切两侧;10kV馈线:一次电流60A、1.0s切开关。
但由于各种原因,CT难免有误差,如果接地变压器的零序CT-10%的 误差,馈线的零序CT +10%的误差,两者的实际电流动作值为67.5A和66A,几乎相等,只依靠时间选择,当发生10KV馈线接地时,就很容易造成接地变零序过流越级动作。
②电缆屏蔽层接地线不正确,引起接地变压器保护误动。110kV变电站10kV馈线都采用带屏蔽层的电缆,且电缆屏蔽层在两端同时接地,这是一种有效的电磁抗干扰措施,10KV馈线零序CT都是用穿心式,零序CT穿过电缆安装于开关柜电缆出线处,利用电磁感应原理,接地短路故障时产生的不平衡电流,在零序CT上感应到电流从而使保护装置动作,然而,电缆屏蔽层两端接地后,流过电缆屏蔽层的感应电流也将会在零序CT上感应到电流,如果不采取措施,将影响到馈线零序保护不能正确动作,从而引起接地变压器保护越级动作。
③10kV馈线保护拒动,引起接地变压器保护误动。目前电网系统广泛应用微机型保护装置,保护性能大大提高,但保护装置生产厂商和型号也比较多,产品质量和技术参差不一,散热能力差也是其一大弊端,装置故障时有发生,从110kV变电站保护设备故障统计表明,10KV馈线保护装置的电源插件、采样插件、CPU插件和跳闸出口插件最容易出现故障。所以一旦它们出现故障又未即时处理,保护有可能拒动,造成接地变压器保护误动。
④10KV馈线开关拒动,引起接地变压器保护误动。近年来,由于使用时限长、操作次数多或是本身的质量问题,发生在10kV开关柜上的故障越来越多,其中开关控制回路的故障尤其突出,特别是一些欠发达的山区,由于还有部分旧式开关柜(GG-1A型)仍在运行和发生接地故障机率较多。如果在开关柜故障期间出现馈线接地故障,即使零序保护正确启动,由于开关拒动也会造成接地变压器保护误动,从事故调查分析,馈线接地故障零序保护动作,命令跳开馈线开关,同时跳闸线圈烧坏,开关不能动作,是开关拒动的主要原因。
⑤10kV两条馈线高阻接地或较严重10kV馈线单相高阻接地,引起接地变压器保护误动。当两条10KV馈线同相高阻接地时,两条10kV馈线保护只达到告警值,零序保护不动作,但有可能达到接地变压器保护动作值,引起接地变压器保护误动,例如一馈线单相高阻接地,零序电流达到40A,馈线零序保护不动作(动作值为60A);接着另一馈线也同一相高阻接地,零序电流达到50A,零序电流未达到60A,馈线零序保护也不动作;但电流叠加达到90A,超过接地变压器保护动作值(动作值为75A),将造成接地变压器保护零序过流越级动作。目前110kV变电站10kV馈线越来越多地采用全电缆出线,以致10kV系统对地电容电流大幅度增加(个别站高达12~15A),即使不是发生10kV两条馈线高阻接地,而是发生较严重10KV馈线单相高阻接地(零序电流达到58A),再与正常运行电容电流叠加后也很接近接地变压器保护动作值(动作值为75A),若此时有系统振荡发生,就会很容易造成接地变压器保护零序过流越级动作。
2、防止接地变压器保护误动的解决措施:
通过以上分析,采取相应的措施如下:
①防止零序CT误差引起接地变压器保护误动的措施。选用质量过关的零序CT;安装调试前应严格校验零序CT的性能特性,误差在5%的坚决弃用;10kV馈线零序保护动作电流整定值和接地变压器零序保护动作电流整定值均应按一次值整定,保护校验时,应从零序CT一次升流检验其正确性。
②防止电缆屏蔽层接地线不正确引起接地变压器保护误动的措施。
第一,电缆屏蔽层接地线必须由上向下穿过零序CT,并与电缆支架绝缘,在穿过零序CT前不应有碰地现象。电缆屏蔽层接地线头、尾留出部分金属导体,用于一次升流,其余部分用绝缘材料可靠包扎。当电缆屏蔽层接地线引出点低于零序CT时,电缆屏蔽层接地线不能穿过零序CT。尽量避免电缆屏蔽层接地线引出点位于零序电流互感器的中间位置。第二,加强专业技能培训,使各相关班组人员清楚零序CT安装方法。特别是继电保护专业和电缆专业的人员,必须要掌握零序CT安装方法和电缆屏蔽层接地线安装方法,并严格执行。第三,加强验收管理,继保、运行、电缆等专业班组共同把好零序CT安装接线关。
    ③防止馈线保护拒动引起接地变压器保护误动的措施。选用质量可靠,运行成熟、故障率少的保护装置;对运行年限长和经常故障的保护装置,要计划更换;加强保护装置的运行维护,发现故障马上处理;安装空调和通风系统,改善保护装置运行环境,防止元件长期在高温条件下运行。
④防止馈线开关拒动引起接地变压器保护误动的措施。选用质量可靠,运行成熟、故障率少的开关设备;对运行年限长的开关设备和经常故障的开关设备,要计划更换逐步淘汰旧式开关柜,更换成电动储能型或弹簧储能型的密封式开关柜;加强开关控制回路的维护,发现故障马上处理;对于跳闸线圈经常烧坏的问题,应采用性能优良的线圈。作为开关的配套设备,开关柜的合理选用是解决线圈问题的关键。
⑤防止馈线高阻接地引起接地变压器保护误动的措施。当10KV馈线高阻接地引起零序保护发接地告警信号时,应马上组织巡视故障线路,排除接地馈线的故障。同时,加强对10KV馈线线路改造,尽量减少线路供电半径,合理调节各相负荷平均分布,以此减少正常运行的电容电流。
    4结语
随着越来越多的地区电网开始加装接地变压器及相关保护设备,达到了改善电网结构、提高电网安全稳定性的目的,然而,陆续发生的接地变压器保护误动事故,提醒我们不要忽视其不利的影响,在此,本文分析了引起接地变压器保护误动的主要原因,并提出了相应的一些措施,为已加装接地变压器或计划加装接地变压器的地区电网提供指引。
 
 
Z型接地变压器
对于35KV、66KV配电网,变压器绕组通常采用Y接法,有中性点引出,就不需要使用接地变压器。对于6KV、10KV配电网,变压器绕组通常采用△接 法,无中性点引出,这就需要用接地变压器引出中性点。接地变压器的作用就是在系统为△型接线或Y型接线中性点未引出时,用于引出中性点以连接消弧线圈。
接地变压器采用Z型接线(或者称曲折型接线),即每一相线圈分别绕在两个磁柱上,两相绕组产生的零序磁通相互抵消,因而Z型接地变压器的零序阻抗很小(一 般小于10Ω),空载损耗低,变压器容量可以利用90%以上。而普通变压器零序阻抗要大很多,消弧线圈容量一般不应超过变压器容量的20%,由此可见,Z 型接线的变压器作为接地变压器是一种比较好的选择。
一般系统不平衡电压较大时,Z型变压器的三相绕组做成平衡式,就可以满足测量需要。当系统不平衡电压较小时(例如全电缆网络),Z型变压器的中性点要做出30V~70V的不平衡电压以满足测量需要。
接地变压器除可带消弧线圈外,也可带二次负载,代替站用变。在带二次负载时,接地变压器的一次容量应为消弧线圈容量与二次负载容量之和。
接地变的最大功能就是传递接地补偿电流。
Z型接地变压器的接线图见图1及图2,共有两种接线方式,分别是ZNyn11和ZNyn1,其降低零序阻抗的原理是:在接地变压器三相铁芯的每一相都有两个匝数相同的绕组,分别接不同的相电压。当接地变压器线端加入三相正、负序电压时,接地变压器每一铁芯柱上产生的磁势是两相绕组磁势的向量和。三个铁芯柱上的合成磁势相差120°,是一组三相平衡量。三相磁通可在三个铁芯柱上互相形成磁通路,磁阻小、磁通量大、感应电势大,呈现很大的励磁阻抗。当接地变压器三相线端加入零序电压时,在每个铁芯柱上的两个绕组产生的磁势大小相等,方向相反,合成的磁势为零,三相铁芯柱上没有零序磁通。零序磁通只能通过外壳和周围介质形成闭合回路,磁阻很大,零序磁通很小,所以零序阻抗也很小。
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