关键词：接地变压器、风机脱网、小电流接地系统、接地故障
1前言
2011年2月24日,甘肃酒泉桥西第一风电场场内升压站35kV馈线电缆头发生故障，导致系统电压大幅跌落，波及该地区11个风场，引发598台风电机组脱网,占在运风机的48.78%,西北电网在64 s内损失出力840.43 MW，西北主网频率最低跌至49.854Hz。该事故是我国风电事故中由于35kV馈线故障引起风电机组大规模脱网的典型事故，类似事故还有“西北4.17”事故，“西北4.3”事故，“张北4.17”事故，均是由于主变低压侧故障导致的大规模风机脱网事故，对风电场和电网的安全运行带来了严重影响。经过对以上事故的分析发现，发生事故的风电场低压侧采用不接地运行方式，单项故障不能快速切除，是导致故障恶化，事故扩大的主要原因。[1]我国风电场35kV侧一般都采用中性点不接地的运行方式，属于小电流接地系统，系统电容电流大到一定程度时，对接地故障所产生的接地电流及其弧光间隙过电压将最终不能自熄，危及系统安全，导致事故扩大，因此必须加以限制。
目前，对接地电流及其弧光间隙过电压的限制主要有2种措施：一种是在变电站中的电源变压器中性点经消弧线圈接地，对接地电流进行感性补偿，使接地电弧瞬间熄灭，达到限制弧光间隙过电压的目的，这种接地方式适用于以架空线路为主，电缆较少，电容电流比较小的风电场；另一种是在变电站中的电源变压器中性点经接地电阻接地，在接地点注入电阻性电流，改变接地电流相位，加速泻放回路中的残余电荷，促使接地电弧自熄，达到限制弧光间隙过电压的目的，这种接地方式适用于电缆长度较大，电容电流比较大的风电场。同时，这种措施还可提供足够的零序电流和零序电压，使接地保护可靠动作。但是风电场主变压器低压侧一般为三角形接法，没有可以接地的中性点，因而需要采用专用接地变压器，做一个人为中性点连接消弧线圈或接地电阻。在发生接地故障时，接地变压器将消弧线圈或接地电阻所产生的接地补偿电流送入电网，限制弧光间隙过电压，同时提供足够的零序电流和零序电压，使接地保护可靠动作，快速切除故障线路和设备，保证风电场和电网系统的安全运行。[2]
2接地变压器概述
接地变压器简称接地变，根据填充介质，接地变可分为油式和干式；根据相数，接地变可分为三相接地变和单相接地变。接地变压器的作用是为中性点不接地的系统提供一个人为的中性点，便于采用消弧线圈或小电阻的接地方式，以减小配电网发生接地短路故障时的对地电容电流大小，提高配电系统的供电可靠性。[3]
2.1接线方式
接地变压器接线方式主要有YNyn联结，YNd联结和ZNyn联结等方式。我国的接地变压器通常采用ZNyn型接线（或称曲折型接线），与普通变压器的区别是，每相线圈分成两组分别反向绕在该相磁柱上，零序磁势正好大小相等、方向相反而相互抵消，使得零序漏磁通减到很小，从而使它的零序电抗值很小，它的容量可以与所联结的消弧线圈的容量相等，这样连接的好处是零序磁通可沿磁柱流通，而普通变压器的零序磁通是沿着漏磁磁路流通，所以ZNyn型接地变压器的零序阻抗比普通变压器要小得多，这种接线方式在国内外得到广泛采用。[4]ZNyn 联结型接地变压器与消弧线圈XL相联如图1所示。
图1：ZN,yn 联结变压器与消弧线圈XL相联
按规程规定，用普通变压器带消弧线圈时，其容量不得超过变压器容量的20%。Z型变压器则可带90% ～100%容量的消弧线圈，接地变低压侧采用yn结法，除可带消弧圈外，也可带二次负载，可代替站用变，为风电场变电站所用设备供电，从而节省投资费用。
2.2工作原理
以常用的ZNyn接线说明，如图2所示，接地变压器在运行过程中，当通过一定大小的零序电流时，流过同一铁心柱上的2个单相绕组的电流方向相反且大小相等，使得零序电流产生的磁势正好相反抵消，从而使零序阻抗也很小。使得接地变压器在发生故障时，中性点可以流过补偿电流。由于有很小的零序阻抗，当零序电流通过时，产生的阻抗压降要尽可能的小，以保证系统的安全。由于接地变压器具有零序阻抗低的特点，所以当 C 相发生单相接地故障时，C 相的对地电流 I 经大地流入中性点，并且被等分为三份流入接地变压器，由于流入接地变压器的三相电流相等，所以中性点 N 的位移不变，三相线电压仍然保持对称。
图2：系统发生单相故障时接地变压器的工作原理图
但在制造过程中高压绕组的上下包的匝数和几何尺寸不可能完全相等，使得零序电流产生的磁势不可能正好相反抵消,还是产生了一定的零序阻抗，通常在 6-10Ω左右,相对于星形接线的变压器的零序阻抗 600Ω而言，其优势不言而喻。此外，曲折接地变压器还可以使空载电流和空载损耗尽可能小。同普通星形接线变压器比较，由于曲折接线变压器的每相铁芯是由2个铁心柱的绕组组成，结合其向量图可知，与普通星形接线变压器比较，当电压相同时要多绕 1.16 倍。中性点电阻接地方式下的风电场电网在单相接地时，零序阻抗和正序阻抗的幅值相差很大。三相正、负序电流流过时，接地变压器的每一铁芯柱上的磁势是该铁芯柱上分属不同相的两绕组磁势的相量和。三个铁芯柱上的磁势是一组三相平衡量，相位差 120°，产生的磁通可在三个铁芯柱上互相形成回路，磁路磁阻小，磁通量大，感应电势大，呈现很大的正序、负序阻抗；因此，接地变压器具有正、负序阻抗大而零序阻抗小的特点。
3接地变压器在小电流接地系统中的应用
2012年以前，风电场35 kV（10 kV）集电系统均为不接地系统，该方式是系统中性点对地绝缘方式，这种设计是从配电系统设计中借鉴过来，一般适应于接地电流小的架空线路。风电场主变压器低压侧一般为三角形接法，没有可以接地的中性点，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，允许带单相接地运行1～2 h，并且电容电流比较小，不会引起间歇性电弧，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。但是对于架空线路和电缆混合的风电场显得不尽合理，主要是因为随着风电场的不断扩大及电缆出线的不断增多，系统对地电容电流急剧增加，单相接地后流经故障点的电容电流较大，电弧不易熄灭、容易激发铁磁谐振过电压及产生间隙性弧光接地过电压，可能导致绝缘损坏，使线路跳闸，事故扩大，主要分为以下三种情况：
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气设备的绝缘，危及风电场和电网的安全运行。
4结论
接地变压器不仅能有效解决小电流接地系统在发生接地故障时产生弧光间隙过电压的问题，还能够利用自身的结构特性，提供足够的零序电流和零序电压，使接地保护可靠动作，快速切除故障线路或设备，防止系统电压大幅波动，从而保证风电场和电网的安全运行。但是接地变压器结构形式、接线方式、容量和阻抗电压的选择，还要根据风电场的实际情况进行选择，才能充分发挥接地变压器的作用。
参考文献
[1] 张琳，仇卫东。大规模风电脱网事故的几点思考。电力建设。2012，33（3），11-14.
[2] 俞俭书。接地变压器选择。中国电力。2000，33（8），41-44.
[3]史嘉贶, 黄朝. 浅谈ZN型接地变压器中性点接地方式[J]. 水电与新能源, 2015(11):62-64.
[4]陶金. 接地变压器的仿真分析与保护设计[D]. 长沙理工大学, 2010.
[5]席国强. 基于ANSYS的ZN型接地变压器仿真研究[D]. 华南理工大学, 2014.
论文作者:冯国辉
论文发表刊物:《科技中国》2017年7期
论文发表时间:2017/10/11
标签：变压器论文; 电流论文; 过电压论文; 阻抗论文; 故障论文; 风电场论文; 接线论文; 《科技中国》2017年7期论文;