Z型變壓器在中性點經小電阻接地電網中的應用分析

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，中低壓配網原有的中性點不接地的運行方式已無法適應電網的發展。因配電變壓器低壓側多采用三角形接線，若要將中性點不接地的運行方式改造成中性點經消弧線圈接地或經小電阻接地，就需要人為的建立一個中性點，目前一般采用Z型變壓器來改造。本文首先介紹Z型變壓器的結構，然后分析了基本原理，最后探究了具體應用。

關鍵詞：Z型變壓器；中性點；小電阻；變壓器容量

現如今，城市發展速度不斷加快，中性點不接地系統隨著電網的對地電容電流逐漸增大，一旦發生單相接地故障，極易產生弧光接地過電壓，造成電網的劇烈震蕩，將對設備的絕緣及電網的安全運行造成嚴重的威脅。因此當電容電流大于10A時，就需要將中性點接地方式改成中性點經消弧線圈接地或經小電阻接，像上海這類特大型城市，考慮到城市電網發展的速度很快，一般建議采用中性點經小電阻接地的方式。

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：系統正常運行時，勵磁阻抗很高，繞組中流過的勵磁電流很小，空載損耗小。而當系統發生單相接地故障時，繞組的正序和負序阻抗大，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型變壓器的結構及基本原理。

Z型變壓器在結構上與普通三相變壓器基本相同，只是高壓側繞組每相線圈被分成匝數相同的兩部分，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相等的兩段繞組，兩段繞組的繞向相反，再反極性串聯在一起。當發生接地故障時，繞組中會流過正序、負序和零序電流，正序電流和負序電流在鐵心柱上產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、感應電勢大，因此呈現很大的正序阻抗和負序阻抗。而零序電流流過同一相繞向相反的兩段繞組時，產生的磁勢大小相等，方向相反，正好相互抵消，因此對零序電流呈低阻抗[1]。

2 中性點經小電阻接地系統中Z型變壓器的運行特點

（1）系統正常運行時Z型變壓器的運行特點。

系統正常運行時中性點的位移電壓可以用下式表示：

Un=λ1+d2UP（1）

式中：Un-中性點位移電壓，kV

UP-相電壓，kV

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

d-電網阻尼率。中性點不接地電網的阻尼率一般在2%-5%范圍內。中性點經小電阻接地電網的阻尼率一般在1-4的范圍內。

由式（l）可知，中性點位移電壓受到電網不對稱度λ和電網的阻尼率d的影響。由于中性點接地電阻的強阻尼作用，中性點經小電阻接地系統的中性點位移電壓遠小于中性點不接地電網系統。

算例1，設一10kV配電網，單相接地電容電流為200A，電網不對稱度為1%，中性點不接地時的阻尼率為4%，選用5.7Ω，1000A/10S的中性點接地電阻接地時，阻尼率d=1000/200=5

中性點不接地時的中性點位移電壓由式（1）得：

Un=λ1+d2UP=1%1+4%2×100003=57.7V

中性點經小電阻接地時的中性點位移電壓由式（1）得：

Un=λ1+d2UP=1%1+52×100003=11.3V

因此正常運行時流過中性點接地電阻的電流為：

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

由此算例計算可認為正常運行時，繞組中流過的勵磁電流很小，接地變壓器相當于空載運行。

（2）系統發生單相接地故障時Z型變壓器的運行特點。

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

綜上所述，Z型變壓器的運行特點是：長時間空載運行，當接地故障發生時，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，對工程技術人員來說也是非常重要的問題，本文介紹一種根據變壓器允許過載系數來確定變壓器容量的方法。

（1）不帶二次負載情況下的變壓器容量的確定。

根據IEEE—C62.92.3標準制定的過載系數的規定，換算變壓器的短時容量為持續額定容量，其換算表如表1所列。

在實際應用中，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，據此先計算出10S短時容量，然后按10S允許的過載倍數折算成連續運行的額定容量。

算例2，設一中性點經小電阻接地系統，中性點接地電阻的參數為：系統額定電壓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，對應的過載倍數為10.5，所以換算到連續運行的額定容量為：

S額定容量=S10s[]105=5774[]105=550kVA

（2）帶二次負載情況下的變壓器容量的確定。

當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載的方法計算得出的額定容量，還應考慮站用電負載所需的負荷，將兩者合計來確定變壓器容量。

4 Z型變壓器接入系統的具體應用

Z型變壓器作為接地變壓器接入系統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出口，之間不設斷路器及隔離開關，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。優點：節省出線間隔，小電阻、接地變壓器與主變壓器同時投退，不會出現失地或兩點接地的問題。缺點：供電可靠性降低，接地變壓器及小電阻故障都會導致主變壓器停運，主變壓器低壓側不允許并列運行。

方式2：Z型變壓器單獨占用一個間隔，Z型變壓器通過斷路器接到母線上，接線方式如圖3所示。優點：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行，主變壓器低壓側運行方式靈活，既可以并列運行又可以分列運行。缺點：需要單獨占用一個間隔，且運行方式調整相對復雜。

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

5 結論

本文提供了不帶二次負載情況下的接地變容量的一種比較實用的計算方法和接地變兼作站用變使用時接地變容量的計算方法，介紹了Z型變壓器接入系統的兩種方式，便于工程技術人員在實際應用中選用合適的接地變壓器進行安裝。

參考文獻：

[1]徐紹麟.城市電網10kV低阻接地系統中接地變壓器零序保護接線方案[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。