10kV电网接地系统的一次设备

游华春，陈修海，何伯强，吴富强

（广东增城特种电力设备有限公司，广东  增城  511300）

摘要：根据目前10kV电网普遍采用的消弧接地方式及小电阻接地方式，介绍相关主要的一次设备技术性能特点、参数、结构及原理。

关键词：接地系统，接地变压器，消弧线圈，调匝式，调气隙式，调容式，高短路阻抗可控式，小电阻。

二、     接地变压器

简单地说，接地变压器就是为中性点不接地电网人为的引出一个中性点。采用YN d及ZN联结方式都能实现该功能。接线原理图如图2、3所示。目前，接地变压器普遍采用ZN联结方式，原因有二：其一，采用YN d联结方式的接地变压器必须带有三角形接线的二次绕组，方能以该二次绕组流过的环流平衡一次绕组的电流，而采用ZN联结方式的接地变压器绕组是由两个不同相的半绕组串联组成，故障电流可以在两个串联的绕组

中互相平衡，不必为此设置二次绕组，当然可带有辅助电源用的二次绕组。前者制造成本高，而后者相对较低；其二，根据零序阻抗的计算公式Z₀₌（24.8W²ΣaRρ）/(H×10⁶)Ω，零序阻抗Z₀与绕组匝数W²成正比，对ZN联结的绕组来说，W为半绕组的匝数，对YN d联结的绕组来说，W为整个绕组的匝数，如忽略其他因素，ZN联结的匝数为YN d联结的匝数的1/，即零序阻抗之比为1/3。ZN联结方式能满足电网日益要求强烈的低零序阻抗要求。

图2  YN d联结接线原理图

  图3  ZN联结接线原理图

   以ZN联结方式的接地变压器为例，他的主要技术性能参数有：①一、二次额定容量。通常二次额定容量比较小，只为变电站提供辅助电源，目前我公司设计的一次额定容量已达到1210kVA，满足日益发展的大电网要求；②一、二次额定电压。一次侧额定电压一般为10.5kV或11.0kV，二次侧额定电压为0.4kV；③一次侧电压分接范围。一般可设计为±2×2.5%、±5%或者0，-0.5%，-1%，-1.5%，也可以不带分接。带有分接的接地变压器一般是通过消弧线圈接地，人为调节不平衡位移电压，以保证系统能监测中性点电压及电流信号，并计算电网的脱谐度。不带分接的接地变压器一般是通过小电阻接地，只要求短路电流满足系统要求；④联结组别。不带二次绕组时为ZN，带有二次绕组时可为ZN yn11或者ZN yn1，一般用户会具体规定；⑤零序阻抗。他决定着故障短路电流的大小，在中性点经阻抗接地的情况下还决定接地变压器各相对地电压的分布，零序阻抗越小对他们的影响就越小，但是过小的零序阻抗会使接地变压器的制造成本增加很多；⑥空载损耗。空载损耗为一次额定容量下的数值，满足GB/T10228-1997国家标准的要求；⑦负载损耗。带有二次额定容量的接地变压器的负载损耗为二次额定容量下的数值，满足GB/T10228-1997国家标准的要求，不带二次额定容量的接地变压器对负载损耗不作具体要求；⑧温升。对于环氧树脂浇注的F级的绕组温升要满足三方面的要求：其一，当带二次负荷运行一定时间的同时，一次绕组流过额定中性点电流2小时，温升不超过120K；其二，长期带二次负荷运行的温升不超过100K；其三，当接地变压器通过小电阻接地时，绕组通过最大短路电流10S时间内其温度不超过350℃。

接地变压器主要由铁心、一次绕组和二次绕组三部分组成。其中铁心和二次绕组结构与普通配电变压器相同，主要是一次绕组结构差异较大。一次绕组由两个不同相的半绕组构成，该两个半绕组可采用整体结构，也可采用分体结构。①整体结构的绕组为同一套模具成形，半绕组间设置电气间隔，同时也是散热气道，整体接线美观、整齐。由于两半绕组电位差为6000V，且内绕组引线经过外绕组引出，因此必须保证这两部位有足够的绝缘距离，否则电气性能不能满足要求，特别是局部放电问题尤为突出。目前我公司接地变压器的一次绕组采用整体结构，气道间距设计为18mm，内绕组引线与外绕组线匝绝缘距离设计为50mm，电气性能全部满足要求；②分体结构采用两套不同的模具浇注成形，分别抽出引线，在外部接线，两绕组同心布置，间距可设计的较小，中间采用绝缘筒加强绝缘，不存在难于解决的电气问题，十分适合35kV以上高电压等级的接地变压器，但外观效果相对较差。

三、消弧线圈

消弧线圈一般为单相，其作用就是为接地系统提供用于补偿的感性电流，采用不同方式调节感性电流I_L恰好补偿接地点的容性电流I_C，使残流控制在5A以内，以致电弧熄灭。目前，消弧线圈按改变电感方式的不同，可分为以下四类：①调匝式消弧线圈；②可动铁心调气隙的消弧线圈；③调容式消弧线圈；④高短路阻抗变压器式可控消弧线圈。

1．调匝式消弧线圈

这种消弧线圈靠改变绕组匝数来改变电感，由于电感量与绕组匝数W的平方成正比，因此可设计5～16档分接头，通过有载分接开关即可实现电感调节。由于绕组匝数不连续可调，故它的电感不能连续可调。接线原理图如图4所示。另外，受到开关档位的限制，在单台额定容量较大时，其级差电流将很大，调节精度大大降低，而且范围一般只能做到50%～100%额定电流之间。调匝式消弧线圈的铁心一般采用双柱结构，直接缝，两心柱设有若干个气隙，必须保证整个铁心机械强度。两绕组可采用并联或者串联方式连接。

图4  7档调匝式消弧线圈接线原理图

调匝式消弧线圈的技术性能参数主要有：①线路电压；②额定容量；③线圈电压，一般为10.5/kV；④调流级数及电流；⑤对应电抗；⑥温升要求，F级绝缘等级的产品运行2小时的绕组温升不超过120K。

2．可动铁心调气隙消弧线圈

这种消弧线圈的工作原理是靠移动插入绕组内部的可动铁心来改变导磁率而改变绕组电感。从理论上讲，这种消弧线圈的电感可连续调节，但由于机械惯性和电机控制精度问题，在工程中实际上是做不到的。另外，它的响应速度慢，在额定电压下调节电感时的噪声相对较大。并且有时会因泥污而引起机械上动作失灵。该种消弧线圈的铁心与线圈结构及技术性能参数大致与调匝式消弧线圈相同。

3．调容式消弧线圈

这种消弧线圈的铁心结构与调匝式消弧线圈相同，绕组结构却完全不同。它除有一次绕组外，还带有二次绕组。二次绕组额定电压一般为1kV，与电容柜相连接。接线原理图如图5所示。其原理是通过真空接触器K₁～Kn，根据系统故障电容电流的大小来自动投入不同的电容器组C₁～Cn，从而改变一次侧合成电流大小，即可达到改变消弧线圈补偿电感电流大小的目的。该类消弧线圈的调流范围可达10%～100%额定电流，调谐精度较高，响应速度较快，残流小。

图5  调容式消弧线圈接线原理图

调容式消弧线圈的技术性能参数主要有：①一次侧额定电压，一般为10.5/kV；②二次侧额定电压，一般为1kV；③调流范围，一般为10%～100%额定电流；④调流级数，一般为32档或64档；⑤电抗值；⑥温升要求，2小时运行温升不超过120K。

4．高短路阻抗变压器式可控消弧线圈

这种消弧线圈由铁心、一次工作绕组、滤波绕组及控制绕组组成。铁心结构不同于其它消弧线圈，采用单心柱旁轭结构，心柱没有气隙，与普通配电变压器相同，结构简单，运行噪音低。一次工作绕组接入电网中性点，控制绕组由两个反向连接的晶闸管短路，接线原理图及等效电路图如图6、7所示。其工作原理是：晶闸管的导通角由触发控制器控制，调节晶闸管的导通角在0～90°之间变化，晶闸管的等效阻抗Z_SCR可在∞～0之间变化→一次工作绕组的等效阻抗可在∞～消弧线圈短路阻抗之间变化→电流就在0～额定值之间得到无级调节。很显然，调流范围宽，另外，由于工作阻抗是短路阻抗而不是励磁阻抗，因而其伏安特性可在0～110%额定电压范围内保持极佳的线性度；由于采用可控硅控制，因而其响应速度极快，可在发生单相接地故障后立即（小于5mS）投入补偿电感电流。滤波绕组与滤波装置连接，可有效抑制可控硅导通时产生的谐波，使输出的电流保持为工频电流。

图6  可控消弧线圈接线原理图

图7  可控消弧线圈等效电路图 

该种消弧线圈的主要技术性能参数有：①额定容量，一次工作绕组与控制绕组容量相同，滤波绕组的额定容量只为他们的1/4；②额定电压，一次工作绕组的额定电压一般为10.5/kV，控制绕组的额定电压一般为500V或750V，滤波绕组的电压为500V；③短路阻抗，一次工作绕组与控制绕组的短路阻抗要求为100%，一次工作绕组与滤波绕组的短路阻抗为10%；④温升要求，与其它消弧线圈要求相同。

消弧线圈接地方式能自动消除瞬时性单相接地故障，具有减少跳闸次数、降低接地故障电流的优点，但不能切除非瞬时性单相接地故障，整个电网系统必须承受2小时的工频过电压，即线电压，因此对设备的绝缘水平要求高，这对电网系统设备是不利的；同时，非瞬时性单相接地故障的长时间存在也不利于人身安全。近几年来，人们对传统消弧线圈进行技术改造，配以系统控制屏及小电流接地选线装置，由系统控制屏识别接地故障是瞬时性还是非瞬时性，从而决定补偿的同时是否要发出跳闸信号。如是非瞬时性故障，则跳开由小电流接地选线装置选出的故障线路。采用改进后的新型消弧系统，可实时跟踪配电网，对瞬时性单相接地故障具有极佳的快速补偿效果并消除故障，而对非瞬时性单相接地故障既能快速判断故障线路并跳闸，又可按传统消弧线圈接地方式运行2小时。显然，结合了传统消弧线圈及小电阻接地的优点，又弥补了他们各自的缺点。是近年电网接地系统的发展趋势。由于该新型系统一次投资成本较高，根据电网的实际情况，可选择投资成本经济的小电阻接地系统。

四、中性点接地电阻柜

中性点接地电阻柜是由电阻材料成形的栅格电阻元件与外壳组成。主要核心部件的栅格电阻元件按材料分为铁基和镍基两大类。在高温下抗氧化性能铁基比镍基好，另外铁基成本低，但是冷加工性能稍差一点。目前，市场上小电阻大概有以下5种：①进口不锈钢电阻（铁铬铝钛合金）；②国产不锈钢电阻（Z20）；③铸铁电阻；④镍镉电阻；⑤氧化锌线性电阻。根据近几年小电阻的使用情况，采用进口不锈钢电阻的性能最佳。其一，电阻率高为1.08μΩ.m，有利于减少电阻元件尺寸；其二，阻值稳定，电阻温度系数为2.17x10^-4/℃,在高温时，阻值仅增加6%左右，而铸铁电阻元件增加24%，国产不锈钢电阻不稳定；其三，抗氧化能力强（含铝）；其四，机械强度高，在1000℃高温下基本保持不变。最后两种电阻主要用在小电流（100A以下）、高电阻（100Ω以上）的情况下。