500kV單相變壓器中性點環流分析與改造措施

馬自偉 謝 靜

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500kV單相變壓器中性點環流分析與改造措施

馬自偉1謝 靜2

（1. 云南省電力設計院有限公司，昆明 650051；2. 昆明理工大學，昆明 650500）

分析了500kV單相變壓器中性點Π形接地方式下環流產生的原因，計算了在運變電站幾種工況下中性點引線環流，并提出改造措施。

單相變；中性點；環流；Π形接地；單點接地

在500kV變電站中，主變壓器一般采用自耦變壓器，中性點直接接地[1-3]。在云南這樣一個多山的地區，由于受道路運輸條件限制，500kV主變通常采用單相自耦變，這就需要在變電站設計時考慮中性點接地的問題。通常有兩種設計方案：一種是采用Π形接地，從中性點匯流母線兩端通過引下線與主接地網連接；另一種是單點接地，從匯流母線一端通過引下線與主接地網連接。由于工程強制性條文[4]規定，電氣設備接地線須兩點及以上與主接地網連接，因此南網的標準設計文件[5]推薦采用Π形接地，并且認為Π形接地較一點接地更可靠。但近來有研究表明，Π形接地方式存在較大環流[6-8]，且環流大小占負荷電流的20%以上。然而，以上研究存在明顯的不足之處，均忽略了接地網對環流分布的影響，因而計算結果不能真實反應實際情況。

云南地區變電站設計均遵循南網標準設計文 件[5]，500kV單相變中性點普遍采用Π形接地?；谶@這一事實，研究中性點回路環流分布，以及分析是否存在安全隱患，具有現實意義。

1 Π形接地電路模型及分析

在500kV變電站中，三臺單相自耦變壓器經防火墻分隔集中布置組成一個單元，中性點出線套管短接后經兩側引下線與地網連接，形成所謂的Π形接地，如圖1所示。

圖1 單相變中性點Π形接地圖

圖1中匯流母線、引下線、水平接地極的電抗很小，可以忽略，主要考慮電阻，因此等效電路模型如圖2所示。需要強調的是，文獻[6-8]的電路模型中均忽略了水平接地極電阻3、4，因而其計算結果有很大偏差，本文是對以上文獻的重要修正和補充。

注：AB、BC分別相間匯流母線電阻；1、2為引下線電阻；3、4為水平接地極電阻；N1—N3為地網接地電阻。

設1、2分別為流過引下線1和引下線2的電流，由基爾霍夫第一定律可知：

主變三相不平衡電流很小，可以近似按三相平衡考慮。因三相電流和為零，所以1和2大小相等，方向相反。可以計算得出，變電站接地網電阻N在0.5～1W之間，水平接地極電阻3、4為0.9mW左右，因此可以斷定，環流1、2只可能經3、4后匯合，不會經地網流入大地，這樣，在求解環流1和2時，可采用并聯支路電流分流的原理。采用疊加法，分別計算A、B、C相電流作用下流過兩側引線下的電流，三相矢量和即為最終流過引下線的電流。

定義為環流電阻，則

（2）

流過引下線1的和電流為

設三相電流為

（4）

則

相間匯流母線AB≈BC，引下線1≈2，地中接地線3≈4，因此近似認為AB=BC，1=2，3=4。則

（6）

式（6）即為引下線中環流的計算式。與文獻[6-8]的研究結論相比，本公式分母中多了3分量，即說明水平接地極電阻對環流分布有重要影響，不可忽略。從式（6）可以看出，對于Π形接地，環流大小與中性點環路電阻的組合有很大關系，當匯流母線、引下線和水平接地極采用不同規格型號的導體時，環流大小將不同。從以上分析中還可看出，環流只在中性點環路中流動，環路之外，環流為零，因此，環流并不會使接地網電位抬升，從而對繼電保護及二次回路造成干擾。

2 案例分析

從往年的設計來看，匯流母線常采用采用管母線、耐熱鋁合金鋼芯絞線，引下線常采用扁鋼、銅排或耐熱鋁合金鋼芯絞線，水平接地極一般采用扁鋼，通常可組合成3種方案。設主變額定容量750MVA，三相負荷平衡，由式（6）可計算各種組合方案下的環流大小，見表1。從表1可以看出，匯流母線和引下線均為耐熱鋁合金鋼芯絞線時環流較大，為45.09A，占負荷電流的5.2%；匯流母線為管母線，引下線和地中接電線均為扁鋼時環流最小，為18.81A，占負荷電流的2.17%?？偟膩碚f，環流不超過負荷電流的6%，遠小于文獻[6-8]得出的20%的結論。

表1 環流計算值

云南500kV廠口變、500kV和平變、500kV草鋪變等多座變電站主變中性點接地均采用方案三設計，500kV富寧變采用方案一設計。以上變電站均已運行多年，至今未報告關于中性點的問題或事故，從側面說明了環流不算太大。

3 改造措施

盡管計算結果表明，環流不算太大，但環流長期存在，不僅產生損耗，還會加速地中水平接地極的腐蝕速度，不利于系統安全。因此，應采取措施消除環流。引下線采用單點接地時，匯集到引線上的和電流為零，因此，主變中性點采用單點接地可以消除環流。為滿足強制性條文[4]的要求，保證接地可靠，建議從一點引雙根引下線至主接地網，雙根引下線可以采用支柱絕緣子固定在B相防火墻的兩側。

4 結論

通過以上分析可以得出以下結論：

1）主變中性點應采用單點雙線接地方式較為妥當。

2）對于在運的老站，短期內環流不會對變電站安全運行造成影響，但長期運行后環流可能造成變壓器區水平接地極敷設，建議在有條件時進行改造，消除隱患。

3）建議及早修訂南網標準設計文件，將Π形接地修改為單點雙線接地。

[1] DL/T 5429—2009. 電力系統設計技術規程[S].

[2] GB/T 50064—2014. 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范[S].

[3] 電力工業部電力規劃設計總院, 紀雯. 電力系統設計手冊[M]. 北京: 中國電力出版社, 1998.

[4] 工程建設標準強制性條文: 電力工程部分[M]. 北京: 中國電力出版社, 2011.

[5] 中國南方電網有限責任公司. 中國南方電網公司輸變電工程標準設計V1.0[M]. 北京: 中國電力出版社, 2013.

[6] 李顯鵬, 章凱峰, 錢黎鳴, 等. 通過500kV單相主變中性點接地引下線的電流分析[J]. 浙江電力, 2012, 31(3): 22-24.

[7] 李德佳. 單相變壓器組中性點“Π”型接地產生環流的原因分析[J]. 變壓器, 2005, 42(12): 32-33.

[8] 唐芳軒. 500kV單相變壓器組中性點接地方式探討[J]. 高壓電器, 2004, 40(3): 233-234.

Analysis and Solution of 500kV Single Phase Transformer Neutral Point Current

Ma Ziwei1Xie Jing2

(1. Yunnan Province Electric Power Design Institute Co., Ltd, Kunming650051;2. Kunming University of Science and Technology, Kunming650500)

Analyze the causes of neutral point circular current existing in the Π grounding loop, calculate the circular current under various working condition, and put forward resolving measures.

single phase transformer; neutral point; circular current;Π grounding；single point grounding

馬自偉（1979-），男，云南省昆明市人，碩士，高工，主要從事變電站設計、高電壓與絕緣技術研究工作。