变压器运行和维护【绝版好资料，看到就别错过】 .pdf

1 变压器运行和维护变压器运行和维护 1.变压器安装的设计和布局变压器安装的设计和布局 1.变压器安装的设计和布局变压器安装的设计和布局 1.1 户外变电站户外变电站 对变压器安装的布局规划时，应考虑许多方面的要求。 所有含 BS 148 油的电力变压器都存在火灾的隐患，在进行变电站设计时，防火是要 考虑的首要问题。变压器应安装在限制火灾的环境中，即万一有一台变压器发生火灾， 则火灾范围只能限于本台变压器及与这台变压器紧密相关的辅助设备，而不能牵连到其 他变压器及相关的辅助设备、电缆和维护设备，对于安装两台或两台以上的变压器以作 备用的变电站而言，这一点至关重要。 1.1.1 由油浸变压器引发的火灾由油浸变压器引发的火灾 在考虑上述要求时，应当认识到变压器油 (矿物油)导致的火灾并非像平时想像的那 样严重。由于规定变压器油的闭口闪点不低于 140，即当温度在 140以下时，密封空 间不可能积累足够的蒸汽引起火焰或其他火灾。在非密封空间内，温度相应地要高一些。 一般来说，矿物油需要灯芯才能产生足够的蒸汽而自由燃烧。英国中央供电局(CEGB)对 英国电力部门进行的统计（内部资料）表明，与变压器有关的火灾率很低，通过前一段 时间对 132kV 级以下的变压器调查分析已经证实了这一点。这是因为在低电压系统中， 受变压器的故障水平和保护装置动作时间所限，变压器不可能在一次故障中产生足够的 能量使油温高到引起燃烧的程度。如果采用合理的保护措施，则可以在离建筑物和电厂 相当近的地方安装高压侧为 33kV 或以下电压等级的油浸式变压器，并非一定要采用难 燃、干式或树脂浇注绝缘变压器。只有在建筑物内和户内安装变压器时，才需要采用难 燃、干式或树脂浇注变压器，这一点将在后面分别予以论述。 (注：规定闭口闪点的原因是为了保证若干年后冷却介质不受损失。对配电变压器来 说,如果没有储油柜，变压器油的损耗则极大。这些变压器油中暴露于空气中的表面积最 大，会使油耗散。当然这些变压器是最容易安装、又最容易被人忘记的变压器，但是， 2 如果这些变压器长时间内持续损耗变压器油，最终会导致绕组露出油面的危险。可利用 宾斯基·马丁斯测量仪测量油的闭口闪点。闪点给出了变压器油蒸发出的可燃气体在油面 上方空间充分聚集、遇到明火而“闪火” 的温度。) 在过去发生火灾的地方，通常是故障造成变压器油箱破裂，导致变压器油快速流失。 如果故障位置的温度很高，而且暴露在大气中，则会出现起火。此时变压器绝缘将作为 引燃物维持燃烧。再次强调这一点的意义是，只要故障能量不至于引起油箱破裂，则发 生火灾的危险性则会大大降低。快速的故障切断时间也会减少故障的能量，加上足够的 压力释放阀 (大型油箱不只一个)，以便减小油箱破裂的危险。可以采用布置压力释放阀 从而使变压器跳闸的方式来降低火灾发生率，但是一定要权衡比较压力释放器误动作所 引起变压器跳闸和因此降低的火灾发生率。 此外还必须防止任何低能量点火装置起火。 一般当故障引起油滴漏或油渗出到受热表 面时，会出现上述情况的点火。当外部套管连线由于接触电阻过大而起过热时，可能出 现这种情况。 如果温度升高到使瓷绝缘体热膨胀破裂的程度并使油泄漏到过热的接头上， 就会引起点火。此时，慢慢渗出的油可以将该区域变成一束火焰。这种类型的事故其危 险是使电气保护装置失灵，从而使故障一直延续未被发现，直到火灾达到非常严重的程 度。 1.1.2 将火灾降到最低限度将火灾降到最低限度 多年来的常规做法是在变电站安装油浸式变压器和高压开关设备的地面上铺一层碎 石并且修筑一个排油池。这样，溢出的油则可迅速地被地面的碎石层吸收，因此会防止 因重大事故导致的火灾。 但是根据英国中央供电局在 2O 世纪 60 年代对许多重大的发电 机变压器火灾事故的调查表明，地面上铺的碎石层在若干年后会变成油质层，而且上面 形成有一层油垢，在火灾情况下，油垢很可能又成为一种助燃物质，使火灾更难扑灭。 当然，对独立的变电站来说，不可能始终采取比铺石层更好的方案，但是英国中央供 电局在上述调研的基础上，研究出一种被证明非常有效的防止以前各类重大火灾的防火 系统。这一系统包括为每台变压器配置一个固定的喷水装置。此装置包括安装在变压器 周围并指向变压器的喷水嘴系统，当安装在变压器上方和四周的一系列含气玻璃探测管 (燃烧管)中的任何一个燃烧时，喷嘴会向变压器大量喷水。整个系统安装时一般不含水， 3 当玻璃探测管被点燃时，会相应地引起空气压力下降，从而开启控水阀，水就会流进喷 水管中，而后进入喷嘴。由于平时水压一直保持在 85bar(1bar=Pa)大气压力下，它可 立即控制住火势，此时起动备用水泵以保持供水压力。迅速灭火措施非常重要的一点是 快速地把落到地基表面的油移走。表面覆盖着石头的油池因天长日久会汇集变压器油， 当变压器上部喷水时，会使油池中的油又溅落回地面。为避免这种情况，集油池表面要 用，滑的混凝土浇注，而并非用碎石子。要配置大的排油池，而且必须与变压器集油和 存油系统之间有足够的落差。 显然，不能允许大量油和水流进正常下水道，因此排油池要连接截流池，以便在允许 水进入正常下水道之前，对油进行处理和分离。图 l 示出了典型的布置图。虽然基座的 设计可快速排水，但是很重要的一点是必须保证被油污染的水不要大量流人相邻区域。 因此， 每个基座都要构筑至少可存储变压器油箱总容积量另加由于防火操作 5min 和大雨 过后这一区域的汇流水。 图 1 变压器排泄系统 从民用工程角度看，此系统造价很高，并且需要大量水来灭火。一般情下只有发电 厂的变压器或主要输变电站的重要变压器才采用这种防火系统。在上述场合下，这是最 有效的防火方法，它对变压器周围区域的有效管理也很有好处。 1.1.3 集油集油 即使传统的碎石层和储油池系统被作为变压器区域的基础， 仍需要考虑收集从油箱和 冷却器中流失出的油，要采取适当的预防措施防止这些变压器油进入下水道中。这种预 防措施一般是在变压器和冷却器周围筑堤坝和储油池，它们必须能够容纳全部油量以及 4 在该区域可能遇到的最大降雨量。由于筑坝区域在正常运行条件下要考虑暴雨的排放， 所以应当有适当的截流措施，以便对溢出的油进行分离和储存。 1.1.4 隔离和分离隔离和分离 上述设施的建造形式不必过分讲究， 主要应侧重于它的防火性能， 包括设备的隔离或 分离。 分离包括将变压器与备用变压器 (如果有的话)或其他需要防火的电厂和设备保持一 定距离。一般认为 1Om 的间距就够了，这表示不但变压器与其备用变压器的距离至少保 持 l0m，所有连接线路、辅助电缆及辅助装置都必须至少保持这一距离。 在许多场合下， 这种措施对空间的要求是非常苛刻的， 因而导致人们选用一种隔离系 统，这依赖于在负荷设备和备用电厂及所有辅助设备之间布设的防火墙。不管在一台变 压器上的火灾多么严重，持续时间多长，都要保证防火墙的完好无损。此外，当其中一 台变压器出现爆炸时，防火墙不得被破坏，所以它需要用钢筋混凝土构筑。来自变压器 的爆炸碎片不能撞击与备用变压器有关的任何设备，包括套管、电缆、冷却器和冷却器 管路或开关设备。一般来说，为了便于进出，变压器与防火墙的距离至少保持 1m，且 这一距离可根据流通冷却空气的需要来增加，这一点将在以后论述。 1.1.5 变电站布置的其他要求变电站布置的其他要求 正如以上阐述的那样，要保护备用变压器不受正常供电变压器的影响，反之亦然。除 此之外，对变电站进行布置时还要考虑的另一个重要方面是必须保证变压器正确的相位 关系。满足以上要求后，变压器才能并联运行。在每个站点，都应备有供电系统相位图， 图中应标明站点内的输入电路和设备。尽管原理很简单，但在变压器投入运行期间却还 是会发生令人不可思议的错误，要严格地按照规定布置变压器才可以有效避免出现这种 错误。变压器和开关装置之间的低压电缆可以换位，这样可使配电屏上出现正确顺序， 但高压架空线或金属包层的分相母线则不太容易换位，因此变压器应当始终以正确的相 序直接与端子相连，不要再变换相序。在英国，常规的做法是当面对变压器高压侧时， 从左到右的相序是 A、B、C，这表示面对低压侧时，从左到右的相序是 c、b、a，或者 从右到左的相序是 a、b、c。如果高压或低压有一个中性点如果高压或者低压，或者两者 都有一个中性点)，这些中性点可以在任一端，但必须在变压器铭牌上将中性点与线端的 5 正确关系予以标明。 相位关系表示为当变压器高压侧 A 相处于 12 点钟的位置时， 假定按 逆时针方向旋转，则相序为 A、B、C。 总结前面章节的内容可以看出， 在现场移动一台大型变压器是一项困难的工作。 因此 在设计变电站时，要考虑的另一个重要方面是变压器和运输设备的进出。重量在 25t 以 下的小型变压器可以用移动吊车直接从运输机上吊到指定的变压器地基的正确位置，但 大多数变压器必须借助千斤顶和滑轨，才能放到正确的位置，必须允许运输机接近最佳 位置，以便将变压器运移到合适的起吊点。当然，尽管变压器是电厂中最可靠的设备， 但在偶然情况下，也可能发生失效，所以在需要移走变压器时，应将其他设备的影响降 低到最小。 设计变电站时，除了水冷变压器外，还应当考虑变压器热量的散失。无论散热器是安 装在油箱上还是作为独立的设置，都要留出足够的空间来流通冷却空气。如果冷却器被 防风墙挡住或离建筑物太近，则可以建立一个二次循环系统，这样可使冷却器吸收被变 压器加热的空气。较理想的情况是，冷却器或变压器及安装在油箱上的散热器的所有侧 面都具有适当尺寸的空间。 图 2 示出了典型的双变压器变电站布置图，它兼顾以上各项要求，并且带有适当的 识别特征。 图 2 在 132kV 变电站布置的典型双变压器 1.2 户内变压器 6 虽然近来的经验和数据都已表明，油浸电力变压器特别是高压侧电压低于 33kV、额 定容量小于 1OMV·A 的油浸电力变压器发生火灾的危险性很低，但由于安装在户内的电 力变压器还是有发生火灾的可能，所以最好避免在户内安装油浸变压器。虽然在这种情 况下，设计工程师或建筑师都会建议没有必要这样做，但保险商可能会要求必须这样做。 目前，各种类型的电力设备在室内的使用非常广泛，而且电力负荷的大小表明，许多 办公楼和商业建筑采用的供电电源至少为 3.3kV，因而需要降压至 415V 用于室内配电， 这样就会使防火变压器的市场需求不断增加， 所以各种不同类型的变压器也就应运而生。 在证实聚氯联苯 (PCB)存在环境污染不能再用之前，PCB作为室内变压器的首选 绝缘材料是不存在任何争议的。可能有些厂家和用户看到了不用液体绝缘的好处而转向 干式变压器，但当时 C 级绝缘材料还不可靠，除非使用环境良好、干燥和清洁，并且树 脂浇注非常昂贵，还存在着可靠性问题。由于当时在教科书中很少提到关于绝缘材料的 选择问题，所以采用做 PCB做绝缘材料的变压器很少出现安装和运行问题。 聚氯联苯是一种非常好的绝缘材料，没有任何绝缘材料能与它的电气性能或防火性能相 比。现在人们已经深刻认识到避免环境灾害的必要性，不仅要避免由变压器故障或油渗 漏所造成的火灾，还要避免变压器内部可燃气体引起的外部火灾，因此迫切需要克服各 种困难研制出一种新型的绝缘材料。目前，室内安装能变压器必须满足以下条件： ·绝缘材料必须无毒，可以生物降解并且不存在对环境有害的物质。 ·绝缘材料的燃点必须在 300以上。 ·绝缘材料不能助长外部火灾的蔓延，并且其燃烧物也是无毒的。 ·在正常运行状态，变压器内部的绝缘材料不能产生电气放电、严重的电弧以及其他 有毒或腐蚀性的烟雾或化合物。 各种液体绝缘材料，都能够满足以上要求。树脂浇注材料鲢燃烧性取决于树脂类型 和所用填充剂的数量和类型， 大多数正规厂家生产的树脂浇注变压器均能满足以上要求， 但是如果存在质疑，安装人员应要求变压器厂家提供担保。 7 一般来说，油浸变压器要比树脂浇注变压器或其他干式变压器体积小，价格也较便 宜，但安装变压器时，必须防止出现绝缘油渗漏现象，即必须有集油池或堤坝式集油装 置，以防变压器油流人建筑物的地下水道。如果将变压器安装在高于地面的位置，在变 压器下方则要建一个小屋，以免变压器油流到地面上。这些措施的费用并不包括在变压 器成本内，而且建堤坝所占用的空间也会使小型变压器的占用范围加大。反之，在安装 树脂浇注或干式变压器的建筑中，由于在新建筑物完工时常常会出现漏水事件，所以还 需要有其他设施，尤其是水管来保证在漏水时变压器不被水淹。不言而喻，在安装干式 变压器之前，应对变压器安装位置进行清理，并且该场地应当防风雨，尽管变压器厂家 会不容质疑地强调树脂浇注变压器具有耐受寒冷或降雨量的能力，但变压器高压和低压 连线部分则不太可能具有这些性能。 干式变压器或树脂浇注变压器可以安装在钢板制做的变压器室内。室内有与低压母 线连在一起的配电屏，它直接与接人的断路器相连。变压器可以单独发运和安装，尽管 有些厂家现在已经可以将变压器和变压器室制成一体，但在发运和安装时，两者很可能 是单独进行的。在安装变压器时，应将变压器室牢固地用螺栓固定在开关室地面上，然 后再将变压器可靠安装在变压器室内。室内地面应光滑平整，以利于变压器能够被容易 的运移。开关室内的地面应能承受整台变压器的重量，见表 1。变压器室和开关室至少 应保持 0.75m 的距离，变压器室前面应有足够的空间，以便于铁心和绕组的搬运。开关 室的门应足够大，以利于变压器进入，并且要容易拆卸。上述问题经常会被忽视，往往 在变压器运到现场之前，才急忙安装开关室的门。图 3 是典型的集 11kV0.415kV 变压 器和变压器室为一体的 415V 配电屏。 表 1 典型的 3 相 llkV 油浸变压器和树脂浇注变压器的总重量比较 树脂浇注变压器 油浸变压器 重量 /kg 额定容量 /kV·A 重量 /kg 散失的总损耗 /W 不带储油柜 带储油柜 8 100 160 250 315 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 650 800 1000 1200 1600 1700 2200 2500 2900 3500 5500 6000 2500 3600 4500 5160 7800 9000 10000 12000 16200 16800 20400 25000 1610 2020 2840 2960 3490 4400 5390 6490 1720 2130 2950 3090 3620 4550 5540 6800 图 3 11kV0.415kV 变压器和变压器室为一体的 415V 配电屏 应当指出，上述重量仅仅指变压器具有相同阻抗和损耗时的重量。在实际情况下， 以上数值会有很大出入。使变压器损耗低于 3O%很容易办到，但重量将会按比例增大。 尽管在安装变压器之前，开关室要求清洁干燥并有一定的室温，但在设计散热和通 风系统时，还必须考虑由变压器产生的热量。容量为 1MV·A 变压器的铁心损耗可达 2kW，这就需要在变压器投入运行之后随时将这些热量散失掉。1MV·A 变压器在额定负 载时的负载损耗高达 lOkW，因此在高压系统中，一定要考虑这一点。表 l 列出了不同额 定容量变压器的典型损耗。 为了保证变压器满负载运行甚至瞬时过负载运行，户内变压器应始终处于良好的通 风状态，与此同时，还应当有必要的防雨和防漏装置。由于变压器的寿命主要由热状态 9 决定，所以无论如何强调通风装置也不过分。通风不好以及开关室空间不够，必定会缩 短变压器的使用寿命，因此应当避免发生这种情况。 油浸变压器并不像干式变压器那样方便地与中压 (MV)开关装置连接，因为它被安 装在堤坝中，而配电屏却在堤坝外侧，虽然可以通过“整体”套管将 415V 连线引出与母线 槽连接， 但不像 415V 电缆的布置那样方便。 图 4 示出了适合户内外安装的 llkV0.415kV 合成液体变压器，可通过 415V 电缆连接到中压(MV)配电屏上。这种变压器的优点是便 于维护。 图 4 llkV0.415kV 绝缘材料是合成液体的变压器适合用户内和户外安装， 而且设计 也便于通过 415V 电缆与中压(MV)配电屏连接。 2 中性点接地中性点接地 2 中性点接地中性点接地 中性点点接地是较复杂的问题，它涉及的面很广，当电气工程师讨论中性点问题时， 其观点也各不相同。已有专门论述中性点的教科书，在此仅打算作为一个章节来论述中 性点问题，主要论述它对变压器设计和运行的影响。每个国家对中性点的布置各不相同， 即使在同一国家，不同电力部门间的布置也不一样。经过一段时期后，每个电力部门都 要重新检验过去对中性点的布置，有时还需要做一些细节上的变动。对变压器设计人员 来说，系统中性点的接地方式可以分为三种方式。 ·中性点死接地 10 ·中性点通过阻抗接地 ·中性点不接地 由于第三种方式有一定缺点和不利因素，所以很少应用，在变压器设计时仅仅需要 考虑前两种接地方式。 本节的主要目的是回顾英国电力部门规定的中性点接地条例，各称为“电力供电条例 1988”。 以上条例是根据条例 1937 和“电力(架空线)条例 1970”及“电雷击(条例)1899”修订， 这些条例主要代表一种合理化建议和最新进展，而不是中性点接地方式的变化。“电力供 电条例 1988” 的第 2 部分包括与接地有关的措施如下： ·凡是额定电压高于 50V 的系统均应接地。 ·高低压系统的接地方式互不相同。 大于 50V 但低于 1000V 的低压系统接地方式参照 415V 电网。对高压系统来说，凡 超过规定的电压值则应当接地， 但没有规定接地方式。 对低压系统来说,“任何对地线路都 不能接人阻抗除非需要对开关装置、仪表、控制或无线电遥测装置等进行操作时”， 换言之， 低压系统必须死接地。 在某些场合， 保护性多重接地系统适用于 415V 配电网络。 在低压系统中，允许保护性多重接地，但要求一定要死接地，“合理的接地位置是在电源 处或其附近”。 2.1 高压系统接地 如上所述，英国立法规定，所有电力系统都应接地，因此对技术上优缺点的讨论则 是学术性的讨论。 然而， 最重要的是要完全弄清楚中性点接地的意义 ,可以归纳出以下几 点。 2.1.1 高压系统接地的优点高压系统接地的优点 · 系统接地故障可导致线对中性点的短路故障。 中性点不接地的高压系统出现的高压 振荡很容易对系统造成严重破坏，如果系统中性点接地，将会使高压振荡降到最低限度， 11 因此，大大提高了系统对地的安全因数，这一理论也适用于应用广泛的架空线或地下电 缆。 · 在系统发生接地故障的情况下， 接地中性点可以使自动保护快速动作发挥作用。 在 高压网络中，大多数线路故障均是接地故障，特别是在布设有地下电缆的情况下，中性 点不接地时，接地故障通常是以弧光接地的形式出现。对于多心电缆来说，接地故障最 终会导致相间短路。中性点接地时，若设有灵敏的接地故障保护装置，则可使故障线路 在故障早期阶段被切除。 · 如果中性点死接地， 任何带电导线电压都不会超过线对中性点的电压。 在这种情况 下，中性点电压为零，可以明显地降低电缆和架空线对地绝缘，从而节约成本，也可以 采用分级绝缘方式降低变压器绝缘，使高压绕组到中性端的绝缘得到降低。在英国，对 132kV 及以上的电压系统均采用分级绝缘的方式。 在中性点不接地的系统中，如果一相出现接地故障，另两相的对地电压则会上升到 线电压水平，并且一直保持到故障消失。在这两相上连接的所有设备绝缘都要能承受这 种较高电压的作用，虽然这些设备可以耐受某些过电压，但在这种情况下，最终还是会 被损坏。在超高压系统中，由于电容的作用，未发生故障的两相电压最初可能会达到额 定线电压的两倍。这种现象与在线路中接人纯电容所发生的电压现象相同，系统绝缘也 将承受相应的过应力 · 在非接地系统中， 即使线电压和线对中性点电压保持额定电压， 任何线路的对地电 压都可达到对地绝缘的击穿值。在有架空线的电力系统中，由于电容的作用，上述情况 很容易发生，这是因为架空线要经受来自邻近带电云层、灰尘、冰雹、雾和雨的静电感 应。如果不采取措施限制这些感应电荷，它们将会不断积累，使与线路和线路上连接的 设备达到很高的悬浮电位，直到线路设备绝缘产生对地击穿、间隙或电涌放电器放电。 如果中性点事先争先直接接地或通过限流器接地，就可以将感应静电荷导人大地， 从而消除了故障对线路和设备绝缘的所有破坏。中性点死接地系统任何部位的对地电压 都不会超过线对中性点的额定电压。 2.1.2 高压接地系统的缺点高压接地系统的缺点 12 · 高压接地系统的唯一缺点是起始端首次接地， 这就增加了接地故障的机率。 对很长 的架空线来说，特别是频繁出现雷击的区域更是如此；但是这种故障一般均是瞬变故障， 当线路被断开，故障便会立即消失，线路延时重合闸装置动作后系统很快恢复供电。 显然，接地系统的优点远远多于缺点，对变压器设计人员来说，目前接地系统的最 主要优点是可以采用分级绝缘。 2.1.3 多点接地多点接地 电力供电条例 1988 和在此之前的条例之间有一个明显的差别是多点接地的位置。 在 条例 1937 中规定，每个系统只能是一点接地，并且规定除非经电力委员会及电力部门最 高领导的同意，否则互相连接的多系统也只能一点接地，在那时，电信部门亦受法规制 约。规定系统一点接地的原因是，如果系统多点接地将会导致谐波电流在多个接地点间 流通。三相系统的三次谐波电压同相，因此，如果系统两点同时接地，三次谐波电压将 会产生谐波电流，特别是高次谐波电流会对无线电通信造成干扰，这就是之所以需要规 定系统必须一点接地的原因。虽然通过调节电流的方式可打破一点接地的局限，但要求 供电系统不能引起无线电通信设备干扰。欧共体制定的电磁兼容性标准规定了消除干扰 的基本措施，并且规定电力用户应该保证其电力设备不能引起电磁干扰，电力用户的责 任是如何研究出成熟的技术方法，以实现系统的多点接地。在这种情况下，用户可以采 用三次谐波抑制器抑制干扰，这种装置通常在某接地的中性点处接人电抗器，在 50Hz 或 60Hz 电流下，它的阻抗最低，对较高次谐波电流来说，其阻抗也越高。 2.1.4 变压器中性点死接地或通过阻抗接地变压器中性点死接地或通过阻抗接地 如上所述，对高压系统的接地方式并未作出规定。根据实际情况，如果需要进行分 级绝缘，则必须要保证中性点电压维持在故障状态的最低水平，这种情况需要采用死接 地方式。 分级绝缘的经济效益性明显体现在 132kV及以上变压器系统中， 因而英国132kV 和以上系统都采用中性点死接地。在没有经济赔偿的情况下，采用接地阻抗是可行的。 就变压器绝缘而论， 所有系统都可定为高压系统， 实际上这意味着从 3.3kV 至 66kV 电压 范围均包括在内。 下面要考虑接地阻抗对系统是否有利，如果有利，应具体考虑如何选取阻抗类型和 阻抗值。在解决这一问题时，要考虑为什么要采用接地阻抗，其主要原因是在接地故障 13 条件下，接地阻抗可限制故障电流，因此，极大的降低了故障部位受破坏的程度。根据 这一逻辑推理，只要采用高阻抗值就行了，但问题是在某些接地故障条件下，故障本身 便有很高的阻抗，若采用高阻抗值，则会使保护装置动作迟缓。一般情况下，选择阻抗 值时应使系统满载时的线电流与发生接地故障时的零序电流相等。例如，用容量为 60MV·A 的变压器为 33kV 电网供电时，33kV 中性点的接地阻抗值需使接地故障电流达 到以下数值： 英国电力工业实际上采用了较低的接地故障电流极限。因此，对 30MV·A、33kV 变 压器的接地阻抗应能允许通过 750A 故障电流，而不是 525A。其他供申公司则希望这一 限值达到一个方便的整数值，比如 1000A。 2.1.5 三角形联结变压器的接地三角形联结变压器的接地 在以上实例中，将 33kV 电网供电的变压器一次侧联结到 132kV，并且采用分级绝 缘， 它的高压绕组呈星形联结并且中性点死接地。 三角形联结的 33kV 侧绕组则不能构成 中性点接地系统，在这种情况下，必须采用辅助装置人为地引出中性点，一般采用曲折 形中性点接地变压器，极特殊的情况下也可采用星形三角形联结的变压器。 图 5 和图 6 分别示出了两种接地方式。曲折形联结是一种 1：1 的自耦变压器，其绕 组排列方式是使绕组在正常运行条件下，每个绕组保持线对地电压，当中性点接地线路 发生接地故障时，单相故障电流的阻抗值最小。在正常运行条件下，通过绕组的电流仅 仅是接地变压器的励磁电流，设计的绕组应能够承受最大故障电流 30s。此装置在结构上 完全与油浸三相心式变压器相同。 14 图 5 曲折形中性点接地变压器 a)限流电阻器接在中性点 b)限流电阻器接在线端 图 6 三相星形三角形中性点接地变压器 a)限流电阻器接在中性点 b)限流电阻器接在线端 曲折形中性点接地变压器是最常采用的一种变压器接地型式， 它可有人为引出的中性 点，也可选择普通的一次绕组为星形联结的三相心式变压器，并且中性点接地。线端联 结到三相线路，二次绕组联结到封闭的三角形绕组，而其他情况下中性点不接地。一般 情况下，变压器仅仅通过励磁电流，但在故障条件下三角形联结的绕组为故障电流流 通到变压器一次侧的三相提供了通路。由于一次侧和二次侧故障安匝平衡，所以这种接 法对电流具有较低的阻抗。 此变压器与曲折形接地变压器外形相同，它的结构与普通电力变压器极其相同。 15 安装故障限流电阻器的目的是限制故障电流， 可以将故障限流电阻器连接在以上两种 类型的接地变压器中性点和地之间， 也可以安装在接地变压器线路端子之间和线路之间。 前一种方式，一方面需要安装一个电阻器，必须将此电阻器设计成能够承受总的故障电 流，而电阻器的绝缘必须能够承受系统的相电压；另外，在故障条件下，接地变压器绕 组的中性点对地电压将升到接地电阻器电压降的水平，变压器绕组绝缘必须能承受线路 对地的全电压。在任何情况下，均可采用后一种方式，但最好避免采用接地电阻器，以 免接地变压器绕组承受不可避免的瞬时过电压。一方面，因为变压器绕组是最容易被损 坏的部分，如果将接地电阻器接在接地变压器端子和线路之间，而不是中性点和地之间， 不仅可以达到限制故障电流的目的，而且还会使接地变压器中性点始终处于零电位，这 样绕组便可以不承受任何高电压的冲击；另一方面，接地电阻器必须承受线路全电压， 这一点较容易实现，并且是较经济的做法。对于相同的故障电流和具有相同电压降的电 阻器来说，接地变压器端子和线路间电阻器的电阻值是安装在中性点和地之间电阻器电 阻值的 3 倍，但接在线路中的每个电阻器的额定电流却是接在中性点电阻器额定电流的 1/3，这是因为在故障条件下，线路中的 3 个电阻器呈并联状态。 2.1.6 接地阻抗值接地阻抗值 对以上所述的布置方案来说，用简单的欧姆定律便可确定出所需的电阻大小： 2.1.7 中性点接地装置中性点接地装置 高压中性点接地采用的最普遍装置是液体接地电阻或 LNER。这些电阻器均较便宜、 耐用并且容易制做，它们可通过高达 1500A 的接地故障电流，一般来说，设计成可承受 30s 的故障电流。接地电阻器的电阻值是系统对地电压和可允许的故障电流的函数。充液 电阻器的缺点是需要始终充满液体，保持电解状态和适当的强度，在热气候下，负载会 稍有增大，在冬季则需要用加热器防止其冷冻。相比之下，有时认为金属电阻器更好。 这些电阻器可采用铸压网格或不锈钢丝绕制的模，可以进行串联和并联，以保证得到需 要的额定电压和电流。这些接地电阻器有很高的可靠性和坚固性，唯一的缺点是造价高。 16 接地电阻也可选择消弧线圈。消弧线圈最先由 W.皮特森(Peterson)于 1916 年提出， 一般称消弧线圈。采用消弧线圈的好处是能够使电力系统的未接地系统免遭接地故障电 流的破坏。具体做法是，将电抗器连接在变压器中性点和地之间，线圈的电抗与电力系 统电容相匹配。 如上所述， 高压网络的故障主要是接地故障， 而这些接地故障大多数是相对地间产生 电弧。由于采用消弧线圈，间歇性故障可自行消除，这归因于系统电容和消弧线圈的 电感产生谐振，可使故障部位的超前和滞后分量达到平衡，剩下的很小接地电流便足以 维持电弧的存在。由于电弧与故障导线的电压同相，因此两者在同一瞬时为零，此时电 弧熄灭，电弧熄灭后，谐振延迟建立起恢复电压恢复电压可恢复故障部位的绝缘强度， 并可防止电弧重新出现。图 7 示出了这种安装方式下电弧熄灭后恢复电压的典型波形。 图 7 初始电弧熄灭后的恢复电压 图 8 消弧线圈接地系统中接地故障点的电压和电流 在持续的相对地故障情况下， 消弧线圈可使电力系统在故障状态下继续运行， 直到故 障被查出并切除。一般情况下，剩余故障电流是电容性总故障电流的 5%1O%。图 8 示出了三相电压的相位关系和通过消弧线圈的故障电流。目前，固态控制装置可与消弧 线圈连接，在故障情况下，通过自动切换消弧线圈的分接位置可以达到最佳补偿。这种 17 方法对具有多条馈电线路系统特别有用，因为接地故障会使一条馈电线路的接地故障电 流幅度不同于另一条馈电线路。 安装消弧线圈的所有设备和装置的绝缘水平必须满足在单相接地期间能正常运行。 一 般来说，在 66kV 以上系统安装消弧线圈不太经济，在这种电压系统中，所有变压器均 没有采用标准的分级绝缘，如果系统单相接地的运行时间在 24h 内多于 8h，或一年之内 多于 125h，则要求系统有较高的绝缘水平。 在故障条件下，电网是否继续运行主要由系统管理者决定。事实表明，消弧线圈可使 设备继续运行，但重要的是应保证人身安全。例如，由线路导线击穿引起的故障则存在 很大的危险，电力部门不应当在故障条件下维持运行，应立即检查出故障的区段。 一般情况下， 在故障之后的一定时间内消弧线圈可使保护继电器动作。 在线圈短路后， 会出现明显的故障涌流，从而引起电压降。用现代保护装置，可以发挥消弧线圈的 这一作用。例如，采用导纳传感继电器，可以确定线路导纳的变化，用它取代传统 的过电流继电器。 2.1.8 接地联结接地联结 研究中性点接地问题时，最重要的是接地方式，即为了达到可靠接地，必须将电极埋 在地下。如果没有认真安装并维护接地系统，在故障条件下，跨步电压将会导致严重后 果 (见以下内容)。 可以采用铜或铸铁板、铁管、铜棒、铜板或镀锌铁板直接接地。 从单一的接地导体很难得到低于 2 的电阻值，在安装接地系统一段时间后，仍然很 难维持这一数值。这一点有时令人费解，因此，一般以并联方式安装多个接地板、接地 管等，这样能使安装的总电阻降到 1 或以下数值。如果采用并联方式，每个接地板、接 地棒等均应安装在其他接地件的电阻区域外。严格地说，要求接地装置必须相距 lOm， 在总电阻增大不超过百分之几的情况下还可以缩短这一距离。 在安装接地装置时， 应记住接地装置必须有足够的总截面积， 以便通过最大故障电流。 在故障条件下，要想使接地板周围的电压梯度值达到安全极限以下，接地装置必须有很 低电阻。由于接地系统的大多数电阻都集中在接地装置附近，所以在故障条件下的地电 18 位梯度集中在接地装置附近。为了保证人身安全，可以采取并联安装若干接地板、接地 管或加大埋深的方式，用绝缘电缆将其引出，使接地装置的电流密度保持在很低的数值。 为了得到很好的接地，最好采用前一种方式，因为它较容易实现，但如果由于地面土质 很难达到理想的埋深时，必须将接地棒深埋地下，超过 1Om 以上。一般来说，在采用接 地管、接地棒或条状接地装置时，令电极尺寸在一个方向的值大于另两个方向的值，可 使电极周围的最大电流密度降到最低值。 接地板一般由厚度不少于 12mm 厚的镀锌铸铁或厚度不少于 2.5mm 的铜板做成，其 尺寸一般在 O.6和 1.2之间。如果需要有较大的接地电导率，最好是将两个或两上以 上的接地板并联在一起。 接地管是铸铁材料，直径达 100mm，长 253m，管壁厚 12mm，它们必须以相同方 式埋人地下。根据安装需要，有时也可选用 3O5Omm 直径的低碳钢管。 采用打桩方法时，较常用的是铜棒。接地铜棒由直径 1220mm、长 115m 的几段 组成，每段带有螺纹，埋人地下的一段铜棒带桩尖。由于土壤的电阻率随深度而减小， 所以铜棒埋的越深越好，一般来说，采用较短的铜棒并联埋入地下较好。 万一土壤层 (或难以穿透层)的电阻率很高或低电阻率土层很薄，接地体可以采用尺 寸不小于 2Omm×3mm 的不镀锡铜带或裸铜导线。 如果选择的接地点是自然潮湿和排水差的地带， 则会出现很低的土壤电阻率， 应避免 仅靠降雨才能保持潮湿的接地点。接地点的电导率可以通过对土壤进行化学处理的方式 来改进，但必须保证对电极材料无腐蚀作用。为了保证得到最大的电导率，接地电极必 须牢固地直接与土壤接触。 最重要的是中性点或辅助装置与接地体的连接本身应有足够大的截面积， 以便在最大 故障电流下有足够的裕度，这样沿铜棒长度方向才不会出现异常的电压降，接地结构件 的连接才能有足够的接触表面。 2.2 低压系统的接地 19 英国低压电力系统的范围是 501O00V，主要包括工业用 415V 三相系统和民用 24OV 单相供电、中性点为 4l5V 的单相系统。虽然这些年研制出接地漏电流断路器，使 安全保护有了一些改进，但为了达到快速断开故障设备并最大限度的保护人身安全，保 护系统仍然主要沿用熔断器。保护系统应设计成具有最低的接地阻抗，这意味着中性点 必须死接地。 供电条例 1988 中已强调了中性点死接地的基本意义，还指出系统多重接地的好处是 有助于获得较低的接地电阻，如果不采用这些措施，则无法达到上述目的。 低压中性点死接地的目的是为了将低压系统的过电压降到最低限度， 因为在降压变压 器高压和低压绕组间绝缘击穿的情况下，高压系统的接地故障会造成高压系统接地保护 的快速动作。若变压器高压侧通过消弧线圈接地，则会是另一种情况。在这种情况下， 绕组间的故障点电压接近于低压绕组中相应的电压，即低压系统的电压变化不受正常运 行状态的影响，而高压侧的电压分布是可以调整的。实际上，对任何与高压系统连接的 变压器来说，高压和低压绕组之间的绝缘击穿，必定会导致严重的后果。 接地系统的设计简述如下： 中性点接地是一个很复杂的问题， 显然， 接地系统的设计并不是用变压器教科书的几 个章节便可说清楚的。在此有必要简单论述关于接地系统的设计，主要是论述近年来设 计原则的一些改进，特别是对早期规定的变动。最主要的变化是，目前的接地系统必须 设计成能够在故障期间保证接地系统周围电压低于规定值，以前对接地系统的设计要求 侧重于得到理想的阻抗值。 系统发生接地故障时， 故障电流通过接地电极或系统电极流入地下， 与接地系统或任 何设备连接的电极电压都将高于实际的接地电压。这种电压的升高特别明显，当大型变 电站发生严重故障时，其电极电压可达几千伏。研究这个问题的目的，是为了得到理想 的接地设计方案，以便在严重的故障和不可避免的电压上升情况下，避免接触危险的跨 步电压或传递电压，确保“人身安全”。 通过以上论述使接地设计的基本原则更为明确， 图 9 可清楚地说明这一设计原则。 在 故障条件下，接地电极的电压升高时，在接地周围将形成电压梯度。对单一电极来说， 电压梯度正如图中所示， 在电极附近的人将面临由电压梯度产生的三种不同类型的危险： 20 · 跨步电压。图中“a”人代表跨步电压。“a”人的两脚电位差是一步之距的跨步电压。 由于接地电极附近的地面电压梯度最大，所以在故障条件下，人的一只脚站在最大电压 位置，