Z型变压器在中性点经小电阻接地电网中的应用分析

王寅　超顾洁��

摘要：近年来，随着新能源的广泛接入，电缆线路的占比提高，中低压配网原有的中性点不接地的运行方式已无法适应电网的发展。因配电变压器低压侧多采用三角形接线，若要将中性点不接地的运行方式改造成中性点经消弧线圈接地或经小电阻接地，就需要人为的建立一个中性点，目前一般采用Z型变压器来改造。本文首先介绍Z型变压器的结构，然后分析了基本原理，最后探究了具体应用。

关键词：Z型变压器；中性点；小电阻；变压器容量

现如今，城市发展速度不断加快，中性点不接地系统随着电网的对地电容电流逐渐增大，一旦发生单相接地故障，极易产生弧光接地过电压，造成电网的剧烈震荡，将对设备的绝缘及电网的安全运行造成严重的威胁。因此当电容电流大于10A时，就需要将中性点接地方式改成中性点经消弧线圈接地或经小电阻接，像上海这类特大型城市，考虑到城市电网发展的速度很快，一般建议采用中性点经小电阻接地的方式。

1 接地变压器基本介绍

接地变压器最大的作用是提供一个中性点来连接接地电阻或消弧线圈[1]。对接地变压器的性能要求是：系统正常运行时，励磁阻抗很高，绕组中流过的励磁电流很小，空载损耗小。而当系统发生单相接地故障时，绕组的正序和负序阻抗大，零序阻抗小，能够有效传递零序电流，有利于接地保护动作。为此，接地变压器多采用曲折形绕组接线方式。

（1）Z型变压器的结构及基本原理。

Z型变压器在结构上与普通三相变压器基本相同，只是高压侧绕组每相线圈被分成匝数相同的两部分，分别套在三相铁芯上，采用曲折形绕组接线方式。Z型变压器根据接线方式又可分为Zn，yn11和Zn，yn1两种，Zn，yn11采用的比较多，其接线方式如图1所示。

（2）Z型变压器的电磁特性。

Z型变压器的每个铁心柱绕有匝数相等的两段绕组，两段绕组的绕向相反，再反极性串联在一起。当发生接地故障时，绕组中会流过正序、负序和零序电流，正序电流和负序电流在铁心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大小相等，相位相差120°。三相磁通可在三个铁芯柱上互相连通，形成磁通路，磁阻小、磁通量大、感应电势大，因此呈现很大的正序阻抗和负序阻抗。而零序电流流过同一相绕向相反的两段绕组时，产生的磁势大小相等，方向相反，正好相互抵消，因此对零序电流呈低阻抗[1]。

2 中性点经小电阻接地系统中Z型变压器的运行特点

（1）系统正常运行时Z型变压器的运行特点。

系统正常运行时中性点的位移电压可以用下式表示：

Un=λ1+d2UP（1）

式中：Un-中性点位移电压，kV

UP-相电压，kV

λ-电网不对称度。正常情况下，电网的不对称度很小，架空线一般小于1.5%，电缆的数值更小

d-电网阻尼率。中性点不接地电网的阻尼率一般在2%-5%范围内。中性点经小电阻接地电网的阻尼率一般在1-4的范围内。

由式（l）可知，中性点位移电压受到电网不对称度λ和电网的阻尼率d的影响。由于中性点接地电阻的强阻尼作用，中性点经小电阻接地系统的中性点位移电压远小于中性点不接地电网系统。

算例1，设一10kV配电网，单相接地电容电流为200A，电网不对称度为1%，中性点不接地时的阻尼率为4%，选用5.7Ω，1000A/10S的中性点接地电阻接地时，阻尼率d=1000/200=5

中性點不接地时的中性点位移电压由式（1）得：

Un=λ1+d2UP=1%1+4%2×100003=57.7V

中性点经小电阻接地时的中性点位移电压由式（1）得：

Un=λ1+d2UP=1%1+52×100003=11.3V

因此正常运行时流过中性点接地电阻的电流为：

Ir=UnR=11.35.7=1.98A

而流过Z型变压器每相的电流为：

I=Ir3=1.983=0.66A

由此算例计算可认为正常运行时，绕组中流过的励磁电流很小，接地变压器相当于空载运行。

（2）系统发生单相接地故障时Z型变压器的运行特点。

系统发生单相接地故障时，中性点接地电阻会流经很大的接地电流，因为配置的零序保护装置会立即切除故障线路，所以此接地电流持续的时间很短，Z型变压器相当于只是在故障发生时到保护装置切除故障线路这段短时间内，通过接地电流，该电流值很大。

综上所述，Z型变压器的运行特点是：长时间空载运行，当接地故障发生时，短时间过载。

3 Z型变压器容量的确定

选用合适容量大小的Z型变压器，对工程技术人员来说也是非常重要的问题，本文介绍一种根据变压器允许过载系数来确定变压器容量的方法。

（1）不带二次负载情况下的变压器容量的确定。

根据IEEE—C62.92.3标准制定的过载系数的规定，换算变压器的短时容量为持续额定容量，其换算表如表1所列。

在实际应用中，接地电阻的最大通流时间较短，因此在计算时变压器过载时间选用10S，据此先计算出10S短时容量，然后按10S允许的过载倍数折算成连续运行的额定容量。

算例2，设一中性点经小电阻接地系统，中性点接地电阻的参数为：系统额定电压UE=10kV，短时允许相电流IP=1000A，最大通流时间t=10S。

则选用的Z型变压器的短时容量应为：

S10s=3UEI10s[]3=3×10×1000[]3=5774kVA

查表1容量换算表可知，过载时间为10S时，对应的过载倍数为10.5，所以换算到连续运行的额定容量为：

S额定容量=S10s[]105=5774[]105=550kVA

（2）带二次负载情况下的变压器容量的确定。

当Z型变压器兼作站用变使用时，变压器的额定容量除了按不带二次负载的方法计算得出的额定容量，还应考虑站用电负载所需的负荷，将两者合计来确定变压器容量。

4 Z型变压器接入系统的具体应用

Z型变压器作为接地变压器接入系统主要有以下两种方式：

方式1：Z型变压器直接接在主变压器低压侧出口，之间不设断路器及隔离开关，将Z型变压器与主变压器作为一个整体，接线方式如图2所示。优点：节省出线间隔，小电阻、接地变压器与主变压器同时投退，不会出现失地或两点接地的问题。缺点：供电可靠性降低，接地变压器及小电阻故障都会导致主变压器停运，主变压器低压侧不允许并列运行。

方式2：Z型变压器单独占用一个间隔，Z型变压器通过断路器接到母线上，接线方式如图3所示。优点：供电可靠性高，接地变压器及小电阻故障不影响主变压器运行，主变压器低压侧运行方式灵活，既可以并列运行又可以分列运行。缺点：需要单独占用一个间隔，且运行方式调整相对复杂。

在应用中选用哪一种接入方式，需要根据变电站的重要等级、变压器的数量、变电站的主接线方式等因素综合考虑。

5 结论

本文提供了不带二次负载情况下的接地变容量的一种比较实用的计算方法和接地变兼作站用变使用时接地变容量的计算方法，介绍了Z型变压器接入系统的两种方式，便于工程技术人员在实际应用中选用合适的接地变压器进行安装。

参考文献：

[1]徐绍麟.城市电网10kV低阻接地系统中接地变压器零序保护接线方案[J].继电器，2003，31（9）：3539.

作者简介：王寅超（1986），男，江苏无锡人，本科，电气工程师，研究方向：电气工程及其自动化。