500kV變電站主變中性點接地方式及接地導體的選擇應用

曾 勇 楊永健

（1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663；2. 廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

500kV變電站主變中性點接地方式及接地導體的選擇應用

曾 勇1楊永健2

（1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州 510663；2. 廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

本文總結了500kV電力變壓器中性點的接地要求，分析了500kV主變中性點接地方式的選擇，闡述了500kV主變中性點在主變或電網發生交流短路情況下采用直接接地或經小電抗接地的接地方式運行特點，在發生主變直流偏磁時迅速切換至經隔直裝置接地方式運行特點，并基于上述中性點接地方式運行的特點，提出關于中性點接地導體選擇的計算方法，最后結合工程對其選擇應用的進行說明。

直接接地；小電抗接地；隔直裝置接地；主變中性點接地導體

我國能源分布不均衡，煤炭能源集中在華北，水能資源集中在西南，石油天然氣資源分散，均遠離消費中心，電能作為生產、使用方便的二次能源，正改善著人類的生存環境。電網是目前電能的最主要的承載體，電能的生產、輸送、分配、使用無一不是通過電網來完成的，不同電壓等級的電網因在電力系統中的地位和作用而不同，目前500kV仍然是國內電網的主干網，500kV變電站作為電網的樞紐節點，對電能的二次輸送和分配起著不可替代的作用。500kV電力變壓器作為變電站最重要的設備之一，其接地方式的選擇對電網運行有著重要影響。

1 主變中性點接地方式的選擇

1）接地方式概況

高壓電氣裝置接地按用途可分為系統接地、保護接地、雷電保護接地和防靜電接地[1]。為滿足系統接地和保護接地要求，500kV電力變壓器設置中性點考慮有效的接地方式，目前500kV電力變壓器中性點采用直接接地或經低阻抗接地[2]，這兩種接地方式在降低變壓器中性點絕緣水平的同時，可有效降低變壓器制造和運輸成本。進一步研究表明，500kV電力變壓器中性點采用不同接地方式時其絕緣水平不同，直接接地絕緣水平可按 35kV考慮，經小電抗接地絕緣水平可按63kV考慮[3]。

2）當前存在問題

上述相關規程規范明確了500kV電力變壓器中性點接地方式，但沒有考慮新興直流輸電技術對中性點接地的影響。超高壓直流輸電由于具有遠距離輸電和電力系統聯網方面的優點，廣泛應用在“西電東送”和“全國聯網”的電網建設當中。超高壓直流輸電系統在采用單極大地回線運行時，會導致直流接地極附近中性點接地的電力變壓器發生直流偏磁現象，直流偏磁現象是變壓器非正常的工作狀態，主變在交流電網正常工作情況時，單極大地直流回路部分直流電流通過中性點進入變壓器繞組，進而主變勵磁電流中突顯直流分量，磁通伴隨變化，引發半波飽和，勵磁電流隨之產生大量諧波，這些諧波將導致銅損和鐵損紛紛增大、油溫升高、鐵心振動增大和噪聲增大，嚴重時甚至引起繼電保護誤動，影響其他一次設備的正常運行[4-6]。

3）建議采取的接地方式

基于上述存在的問題，在500kV電力變壓器的中性點除正常接地外，還應加裝隔直裝置。同時，在國家實施“西電東送”的戰略中，以西部為起點，以東部為落點且變電站密集的長三江、珠三角地區，接地極附近的換流變和中性點接地的主變不得不考慮加裝隔直裝置，以到達消除直流偏磁的不良影響。

本文結合圖1 500kV電力變壓器中性點接地方式電氣接線圖對主變中性點接地方式的選擇應用加以說明。圖1中性點CT實時監測交流電流分量，實現二次差動保護和零序電流繼電保護，通過對刀閘 QF1的控制，中性點可靈活運行在直接接地或小電抗接地方式下，與此同時，地刀 QF2處在閉合狀態，直流 CT監測直流電流分量，當超高壓直流輸電單極大地回線運行而引起直流電流分量上升至動作值時，地刀 QF2觸發斷開命令，直流 CT支路退出運行，同時刀閘QF3觸發閉合命令，刀閘QF3閉合，隔直裝置投入運行。

圖1 500kV電力變壓器中性點接地方式電氣接線圖

超高壓輸電單極大地回線運行會引起環境改變，并產生不良影響，目前超高壓直流輸電通常采用雙極雙導線運行，單極大地回線運行作為緊急備用。當超高壓直流輸電由單極大地回線運行調整為雙極雙導線運行后，隔直裝置中監測的直流電流分量將隨之下降，達到閥值時，刀閘 QF3觸發斷開，隔直裝置退出運行，同時地刀 QF2觸發閉合，直流CT支路投入運行，繼續監測大地直流電流。

2 接地導體的選擇

在明確500kV電力變壓器中性點接地方式后，需進一步選擇其接地導體，有文獻對電壓等級較低變壓器的中性點接地導體的截面有過研究[7]，但尚未有文獻對500kV主變中性點接地導體的種類、絕緣安全及截面等做進一步的研究。本文將結合500kV主變中性點接地方式的特點，對接地導體的選擇應用做全面的研究。

2.1 導體種類選用

500kV主變中性點接地導體根據500kV電站布置情況選擇架空裸導線或電纜，主變廠家一般將中性點通常設置在低壓側附近，考慮施工便利，宜采用強度較好的鋼芯鋁絞線。若采用電纜，則可優先考慮固體絕緣介質的電力電纜。

2.2 導體絕緣選用

500kV電力變壓器中性點接地導體采用架空裸導線，屋外配電裝置的安全凈距C按63kV電壓等級考慮[8]，最小安全凈距取值為3.1m。若采用電纜，根據圖 1中接地導體 L1和 L2可分段絕緣，L1段按63kV電壓等級以上考慮，L2段僅在發生直流偏磁時接入閉合回路，此時電壓較小，可按 10kV電壓等級考慮。

2.3 導體截面選用

在主變正常工作情況下，500kV主變中性點接地導體僅流過數值較小的中性點不平衡電流。當主變或電網發生接地故障，500kV主變中性點接地將成為短路電流入地的重要通道，釋放能量，接地故障時屬突發情況，可不考慮導體的經濟電流密度校驗，此時中性點接地電壓等級小于 110kV，可不進行電暈和無線電干擾的校驗，此外，中性點接地導體入地距離較近，可不校驗其電壓損失。綜上，中性點接地導體不論采用架空裸導線還是電纜，均僅需從工作電流和短路熱穩定兩個方面進行選擇[9]。

1）工作電流選擇

導體的工作電流Ip應滿足：

式中，Ig為接地導體回路持續工作電流，應按大于變壓器允許的不平衡電流選擇，一般情況下，可按變壓器高壓側額定電流的1/3考慮。

2）短路熱穩定校驗

若采用架空裸導線，則架空線導體的載流截面積S1（mm2）應滿足：

式中，Q為短路電流的熱效應（A2?s）；C1為熱穩定系數，即

式中，I為系統電源供給短路電流的周期分量起始有效值（A）；t為短路持續時間（s）。

C1與短路前導體溫度存在如下關系：

式中，K、τ為常數；1t為導體短路前的發熱溫度（℃）；2t為短路時導體最高允許溫度（℃）。

短路前的導體發熱溫度 70℃時，鋁導體 C1取值為87，銅導體C1取值為171。

若采用固體絕緣電纜，則電纜導體的載流截面積 S2（mm2）應滿足[9-10]：

式中，C2為熱穩定系數，即

式中，J為熱功當量系數，取1.0；q為電纜導體的單位體積熱容量（J/cm2?℃）；θm為短路作用時間內電纜導體允許的最高溫度（℃）；θp為短路發生前的電纜導體最高工作溫度（℃）；θH為電纜額定負荷的電纜導體允許最高工作溫度（℃）；θ0為電纜所處的環境溫度最高值（℃）；IH為電纜的額定負荷電流（A）；Ip為電纜實際最大工作電流（A）；α為20℃時電纜導體的電阻溫度系數（1/℃）；ρ為20℃時電纜導體的電阻系數（Ω?cm2/cm）；η為取1.0；K為20℃時電纜芯線的集膚效應系數。

3 應用舉例

本文以南方某500kV變電站主變中性點接地方式及其接地導體的選擇應用為實例進行說明。本站位于珠三角地區，且在直流接地極影響范圍內，主變中性點采用直接接地或小電抗接地后串聯隔直裝置的接地方式，根據站內的布置情況，為節省成本，中性點接地導體采用架空裸導線和電纜相結合，其中電纜分段絕緣，圖2為主變中性點接地電氣平面布置圖。

圖2 主變中性點接地電氣平面布置圖

圖3中，L3和L5采用電纜導體，并通過電纜溝敷設，這樣可減少外界的干擾，L4采用架空裸導線，這樣施工接線方便和材料成本降低。L3采用了63kV電壓等級的交聯聚乙烯絕緣焊接皺紋鋁套防水層聚氯乙烯護套電力電纜，按工作電流 Ip≥367.4A，載流截面積 S2≥220mm2，選用電力電纜型號為YJLW02-Z-64/110kV-1x300。L5采用了10kV電壓等級的交聯聚乙烯絕緣雙鋼帶鎧裝聚氯乙烯護套電力電纜，由于L5所在回路僅在直流CT監測到直流電流超限（一般取 10A）才形成閉合回路，所以其工作電流較小，可按Ip≥10A，載流截面積S2≥55mm2，L5選用電力電纜型號為 ZB-YJV62-8.7/15-1x70。L4采用了強度較好的鋼芯鋁絞線，其工作電流也較小，可按Ip≥10A，載流截面積S2≥222mm2，選用鋼芯鋁絞線型號為LGJ-240/30。對應的主變中性點接地導體電氣接線示意圖如圖3所示。

圖3 主變中性點接地導體電氣接線示意圖

4 結論

本文總結了500kV電力變壓器中性點的接地要求，在主變或電網發生交流短路情況下，分析了采用直接接地或經低阻抗接地的接地方式運行的特點，同時，也分析了在發生主變直流偏磁時，中性點迅速切換至經隔直裝置接地方式的運行特點，并依據這些運行特點，提出了關于中性點接地導體選擇的計算方法，最后，結合工程實例對500kV電力變壓器中性點接地運行方式的選擇及其接地導體的選擇應用進行說明。

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Application of Grounding Mode and Grounding Conductor for Power Transformer Neutral Point in 500kV Hub Substation

Zeng Yong1Yang Yongjian2
(1. Guangdong Electric Power Design Institute Co., Ltd, China Energy Engineering Group,Guangzhou 510663;2. Zhongshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Company, Zhongshan, Guangdong 528400)

The grounding requirements of neutral point of 500kV power transformer are summarized in the paper. According to different characteristics of grounding mode and grounding conductor for power transformer neutral point in 500kV power transformer, the grounding mode works by solidly grounding or low-reactance grounding in AC short circuit conditions of main transformer or the gird, and quickly switch to DC-blocking device grounding in main transformer DC bias. Based on the characteristics of the neutral grounding operation mode, calculate grounding conductor for neutral point of power transformer, finally illustrate the selection and application in a project.

solidly grounding; low-reactance grounding; DC-blocking device grounding; grounding conductor for neutral point of power transformer

曾 勇（1984-），男，湖南邵陽人，碩士，工程師，主要從事輸變電工程的電氣設計工作。