配電變壓器中點(diǎn)接地線斷線危害分析

陳錦華

（廣州荔灣供電局，廣東 廣州 510175）

0 引言

配電變壓器是配電系統(tǒng)的重要組成部分，其安全、可靠運(yùn)行對(duì)電能質(zhì)量和供電可靠性有著直接的影響。根據(jù)電力設(shè)備試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，100 kVA以下的變壓器接地點(diǎn)接地電阻不大于10 Ω，100 kVA以上的變壓器接地點(diǎn)接地電阻不大于4 Ω，接地電阻測量周期不可大于2年［1］。施工質(zhì)量不合格、運(yùn)行維護(hù)不到位和偷盜行為等因素，時(shí)常引起配電變壓器接地線斷線缺陷，而接地線斷線則是接地電阻阻值過大的一種特殊情況［2］。配電變壓器如果接地電阻阻值過大或發(fā)生接地線斷線故障將造成供電異常甚至導(dǎo)致電氣設(shè)備燒毀或?qū)θ松戆踩斐晌ｋU(xiǎn)，給供電單位的運(yùn)行管理帶來一定困難，配電變壓器因接地電阻不合格已引起了多起事故［3］。

1 DYn11連接組介紹

根據(jù)GB/T 6451油浸式變壓器和GB/T 10228－1977干式變壓器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，配電變壓器可采用Dynl1聯(lián)結(jié)，《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》、《工業(yè)與民用供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《10 kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》等推薦配電變壓器采用Dynl1聯(lián)結(jié)方式［4］，作者單位管轄范圍內(nèi)的所有臺(tái)架配電變壓器均采用Dyn11聯(lián)結(jié)方式，其繞組的連接方式如圖1所示。

DYn11聯(lián)接方式主要優(yōu)點(diǎn)有:

（1）高次諧波電流由于有個(gè)閉合的三角形接線繞組而受到抑制;三倍次諧波電流可在三角形中環(huán)流，該環(huán)流對(duì)原有的三倍次諧波磁通起去磁作用，三倍次諧波電勢被削弱，三倍次諧波環(huán)流對(duì)變壓器的運(yùn)行無多大影響［5］。

（2）變壓器零序阻抗較小，有利于單相接地故障的切除。

（3）變壓器磁路中的磁通被削弱，不致因?yàn)楦边叺牧阈螂娏鞫棺儔浩鬟^熱［6］。

（4）防雷性能較好。

圖1 Dyn11繞組聯(lián)結(jié)示意圖

2 接地線斷線的主要影響

（1）中性點(diǎn)電壓偏移

若接地電阻夠足夠小，可等效為Re=0 Ω，則中性點(diǎn)電壓將保持與大地電壓一致，而當(dāng)中性線斷線后，接地電阻等效為Re=∞，此時(shí)若三相負(fù)載不對(duì)稱，引起變壓器中性點(diǎn)電壓將發(fā)生偏移。等效電路如圖2所示。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法［7］，可計(jì)算出中性點(diǎn)電壓偏移:

圖2 接地線斷線等效電路圖

式中Y==jωC+1/R，C為A

aaaa相線路對(duì)地等效電容，Ra為A相負(fù)荷等效電阻;Y==jωC+1/

圖3 中性點(diǎn)位移向量圖

bb Rb，Cb為B相線路對(duì)地等效電容，R為B相負(fù)荷等效電阻;Y==jωC+1/R，C為C相線路

bcccc對(duì)地等效電容，R為C相負(fù)荷等效電阻;Y=。當(dāng)三相負(fù)荷

cc平衡，即Y=Y=Y=Y時(shí)，=）Y=0，即中性點(diǎn)abcNN'電壓未發(fā)生偏移。而三相負(fù)荷不平衡引起中性點(diǎn)電壓偏移，使得三相負(fù)載電壓不再平衡，其相量圖如圖3所示。

圖4 仿真模型圖

單相接地是三相負(fù)荷不平衡的特殊形式，也是電力系統(tǒng)的常見故障之一［8］。為了了解在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地線斷線對(duì)系統(tǒng)的各相電壓、電流以及中性點(diǎn)電壓的影響，本文利用MATLAB軟件搭建電路模型進(jìn)行仿真分析，仿真模型如圖4所示。

仿真模型中，電源采用線電壓為10 kV的35 MVA供電系統(tǒng)，配電變壓器額定容量為315 kVA，繞組連接方式為DYn11，短路阻抗4.44%，單相線路對(duì)地等效電容取0.5 μF/km，線路長度取0.5 km，運(yùn)行過程中三相負(fù)荷對(duì)稱，按照變壓器利用率η=0.75，功率因數(shù) cosφ =0.95 計(jì)算，三相負(fù)荷Za=Zb=Zc=0.584+0.193j。圖5的仿真結(jié)果顯示，在0－0.02 s期間，系統(tǒng)正常運(yùn)行，三相負(fù)荷平衡，中性點(diǎn)電壓沒有發(fā)生偏移;T=0.02 s時(shí)刻，A相發(fā)生短路故障，由于故障點(diǎn)電阻和接地電阻的影響，故障相電壓U·a減小，低于正常運(yùn)行時(shí)相電壓，非故障相電壓和升高，其值大于正常運(yùn)行時(shí)相電壓而小于線電壓，中性點(diǎn)電壓略微升高，為21.3 V;T=0.04 s時(shí)刻，接地線斷線，故障相電壓降低至地電位，非故障相電壓和升高至線電壓，中性點(diǎn)電壓升高至正常運(yùn)行時(shí)的相電壓。此時(shí)系統(tǒng)電壓相量如圖6所示

圖5 三相電壓和中性點(diǎn)電壓仿真結(jié)果

由以上分析，接地線斷線后，三相負(fù)荷不平衡將使得變壓器中性點(diǎn)電壓發(fā)生偏移，對(duì)配電系統(tǒng)影響主要有:

① 造成三相電壓不對(duì)稱。電壓降低相用電設(shè)備無法正常工作;電壓升高相可能使用電設(shè)備損壞;當(dāng)負(fù)荷不平衡度較大時(shí)，各相電壓將無法滿足－10%～+7%的電壓質(zhì)量要求。

② 發(fā)生單相短路故障時(shí)，非故障相電壓升高至線電壓水平，對(duì)低壓輸電線路的絕緣水平提出更高的要求。

③ 中性點(diǎn)電壓升高，單相短路情況下可達(dá)到相電壓水平，有可能將中性點(diǎn)絕緣擊穿而使變壓器損壞，同時(shí)，中性點(diǎn)電壓高于36 V的安全電壓，對(duì)接觸接地線的人身和設(shè)備造成危害。

圖6 接地線斷線單相接地故障時(shí)系統(tǒng)電壓相量圖

④ 當(dāng)接地線斷線時(shí)，致使避雷器接地電阻等效為無窮大，雷擊過電壓時(shí)，避雷器不能正常對(duì)地放電。

（2）對(duì)零序電流的影響

對(duì)稱分量法是分析不對(duì)稱故障的常用方法，根據(jù)對(duì)稱分量法，一組不對(duì)稱的三相量可以分解為正序、負(fù)序和零序三相對(duì)稱的三相量［9］。在不同序別的對(duì)稱分量作用下，電力系統(tǒng)的各元件可能呈現(xiàn)不同的特征。在三相電路中，對(duì)于任意一組不對(duì)稱的三相相量（電流或電壓），可以分解為三組三相對(duì)稱的相量，當(dāng)選擇a相作為基準(zhǔn)相時(shí)，三相相量與其對(duì)稱分量之間的關(guān)系（如電流）為式中運(yùn)算子a=，a2=，且有1+a+=0，a3=1分別為a相電流的正序、負(fù)序和零序分量，并且有:）

基于MATLAB/Simlink平臺(tái)，采用圖4所示模型，根據(jù)公式（3）搭建零序電流計(jì)算模塊，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 零序電流仿真結(jié)果圖

如圖7所示，在0.02～0.04 s期間，A相發(fā)生單相短路，而接地線可靠接地，A相電流大幅上升，產(chǎn)生較大幅值的零序電流;0.04～0.06 s期間，A相發(fā)生單相短路，接地線斷線，因?yàn)楣收宵c(diǎn)不能通過中性點(diǎn)形成回路，接地電流僅為幅值較小的線路對(duì)地電容電流，三相電流不平衡度極小，零序電流幅值很小。由此可見，在系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障等三相負(fù)荷不平衡情況時(shí)，若接地線可靠連接，接地電阻較小，則零序電流幅值較大，有利于繼電保護(hù)裝置迅速地檢測并切除故障回路，改善系統(tǒng)參數(shù)減少接地故障時(shí)的內(nèi)部過電壓，而當(dāng)接地線斷線時(shí)，雖三相電流幅值均升高，但零序電流幅值很小，僅使繼電保護(hù)裝置作用于報(bào)警信號(hào)，而不可及時(shí)動(dòng)作跳閘隔離故障回路，降低繼電保護(hù)裝置的可靠性。

（3）線路損耗增加

① 增加低壓線路中的電能損耗

在三相四線制供電線路中，三相負(fù)荷不平衡時(shí)，中線會(huì)有電流通過，這樣不僅相線有電能損耗，而且中線也會(huì)有電能損耗。設(shè)某低壓線路的三相電流大小分別為Ia=Ib=Ic=I，中線電流為I0，相線電阻為R，中線電阻為2R。三相負(fù)荷平衡時(shí)，Ia=Ib=Ic=I，I0=0，線路中的有功損耗為:

三相負(fù)荷不平衡時(shí)，線路中的有功損耗為:

假設(shè)線路中出現(xiàn)最大不平衡時(shí)，Ia=1.5I，Ib=Ic=0.75I。若三相負(fù)荷性質(zhì)與功率因數(shù)相同，則I0=0.75I。則增加的電能損耗比例為:

② 增加高壓線路中的電能損耗

在低壓配網(wǎng)中，若三相負(fù)荷不平衡，不僅使低壓線路中的電能損耗增加，而且使高壓線路中的電能損耗增加。假設(shè)在上述最大不平衡狀態(tài)下，配電壓器高壓側(cè)的電流與低壓側(cè)電流成比例，即IA=1.5I'，IB=IC=0.75I'，高壓線路中各相電阻為R'，則高壓線路中的功率損耗為:

而中性點(diǎn)為發(fā)生偏移時(shí)，高壓線路中的功率損耗為:

則增加的電能損耗比例為:

圖8 中性線多點(diǎn)重復(fù)接地示意圖

3 預(yù)防措施

（1）接地引下線沿電桿敷設(shè)，盡可能短而直，減少其沖擊電抗，以支持件固定在桿塔上［10］。

（2）在變壓器的中性線上選取適當(dāng)?shù)奈恢枚帱c(diǎn)重復(fù)接地，如圖8所示，當(dāng)變壓器接地點(diǎn)接地電阻升高或接地線斷線（如N點(diǎn)斷線），相線接地。由于有了M點(diǎn)的重復(fù)接地，也能保證大地的電位為零，不會(huì)對(duì)人生安全和設(shè)備的正常運(yùn)行造成威脅。

4 結(jié)束語

本文通過理論計(jì)算和基于MATLAB軟件平臺(tái)仿真分析，結(jié)果表明:若配電變壓器中點(diǎn)接地線斷線，當(dāng)三相負(fù)荷不平衡時(shí)，中性點(diǎn)電壓將發(fā)生偏移，三相電壓不平衡，負(fù)載小的相電壓升高，對(duì)線路絕緣和用電設(shè)備造成威脅，同時(shí)中性點(diǎn)電壓升高危及接觸接地線的人身和設(shè)備，能夠引起零序繼電保護(hù)設(shè)備拒動(dòng)，降低其可靠性，增加了線路的損耗。在變壓器的中性線上選取適當(dāng)?shù)奈恢枚帱c(diǎn)重復(fù)接地，可有效地避免中點(diǎn)接地線斷線造成的影響。

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