配电变压器中点接地线断线危害分析

陈锦华

（广州荔湾供电局，广东 广州 510175）

0 引言

配电变压器是配电系统的重要组成部分，其安全、可靠运行对电能质量和供电可靠性有着直接的影响。根据电力设备试验规程规定，100 kVA以下的变压器接地点接地电阻不大于10 Ω，100 kVA以上的变压器接地点接地电阻不大于4 Ω，接地电阻测量周期不可大于2年［1］。施工质量不合格、运行维护不到位和偷盗行为等因素，时常引起配电变压器接地线断线缺陷，而接地线断线则是接地电阻阻值过大的一种特殊情况［2］。配电变压器如果接地电阻阻值过大或发生接地线断线故障将造成供电异常甚至导致电气设备烧毁或对人身安全造成危险，给供电单位的运行管理带来一定困难，配电变压器因接地电阻不合格已引起了多起事故［3］。

1 DYn11连接组介绍

根据GB/T 6451油浸式变压器和GB/T 10228－1977干式变压器标准规定，配电变压器可采用Dynl1联结，《民用建筑电气设计规范》、《工业与民用供配电系统设计规范》及《10 kV及以下变电所设计规范》等推荐配电变压器采用Dynl1联结方式［4］，作者单位管辖范围内的所有台架配电变压器均采用Dyn11联结方式，其绕组的连接方式如图1所示。

DYn11联接方式主要优点有:

（1）高次谐波电流由于有个闭合的三角形接线绕组而受到抑制;三倍次谐波电流可在三角形中环流，该环流对原有的三倍次谐波磁通起去磁作用，三倍次谐波电势被削弱，三倍次谐波环流对变压器的运行无多大影响［5］。

（2）变压器零序阻抗较小，有利于单相接地故障的切除。

（3）变压器磁路中的磁通被削弱，不致因为副边的零序电流而使变压器过热［6］。

（4）防雷性能较好。

图1 Dyn11绕组联结示意图

2 接地线断线的主要影响

（1）中性点电压偏移

若接地电阻够足够小，可等效为Re=0 Ω，则中性点电压将保持与大地电压一致，而当中性线断线后，接地电阻等效为Re=∞，此时若三相负载不对称，引起变压器中性点电压将发生偏移。等效电路如图2所示。

根据节点电压法［7］，可计算出中性点电压偏移:

图2 接地线断线等效电路图

式中Y==jωC+1/R，C为A

aaaa相线路对地等效电容，Ra为A相负荷等效电阻;Y==jωC+1/

图3 中性点位移向量图

bb Rb，Cb为B相线路对地等效电容，R为B相负荷等效电阻;Y==jωC+1/R，C为C相线路

bcccc对地等效电容，R为C相负荷等效电阻;Y=。当三相负荷

cc平衡，即Y=Y=Y=Y时，=）Y=0，即中性点abcNN'电压未发生偏移。而三相负荷不平衡引起中性点电压偏移，使得三相负载电压不再平衡，其相量图如图3所示。

图4 仿真模型图

单相接地是三相负荷不平衡的特殊形式，也是电力系统的常见故障之一［8］。为了了解在系统发生单相接地故障时，接地线断线对系统的各相电压、电流以及中性点电压的影响，本文利用MATLAB软件搭建电路模型进行仿真分析，仿真模型如图4所示。

仿真模型中，电源采用线电压为10 kV的35 MVA供电系统，配电变压器额定容量为315 kVA，绕组连接方式为DYn11，短路阻抗4.44%，单相线路对地等效电容取0.5 μF/km，线路长度取0.5 km，运行过程中三相负荷对称，按照变压器利用率η=0.75，功率因数 cosφ =0.95 计算，三相负荷Za=Zb=Zc=0.584+0.193j。图5的仿真结果显示，在0－0.02 s期间，系统正常运行，三相负荷平衡，中性点电压没有发生偏移;T=0.02 s时刻，A相发生短路故障，由于故障点电阻和接地电阻的影响，故障相电压U·a减小，低于正常运行时相电压，非故障相电压和升高，其值大于正常运行时相电压而小于线电压，中性点电压略微升高，为21.3 V;T=0.04 s时刻，接地线断线，故障相电压降低至地电位，非故障相电压和升高至线电压，中性点电压升高至正常运行时的相电压。此时系统电压相量如图6所示

图5 三相电压和中性点电压仿真结果

由以上分析，接地线断线后，三相负荷不平衡将使得变压器中性点电压发生偏移，对配电系统影响主要有:

① 造成三相电压不对称。电压降低相用电设备无法正常工作;电压升高相可能使用电设备损坏;当负荷不平衡度较大时，各相电压将无法满足－10%～+7%的电压质量要求。

② 发生单相短路故障时，非故障相电压升高至线电压水平，对低压输电线路的绝缘水平提出更高的要求。

③ 中性点电压升高，单相短路情况下可达到相电压水平，有可能将中性点绝缘击穿而使变压器损坏，同时，中性点电压高于36 V的安全电压，对接触接地线的人身和设备造成危害。

图6 接地线断线单相接地故障时系统电压相量图

④ 当接地线断线时，致使避雷器接地电阻等效为无穷大，雷击过电压时，避雷器不能正常对地放电。

（2）对零序电流的影响

对称分量法是分析不对称故障的常用方法，根据对称分量法，一组不对称的三相量可以分解为正序、负序和零序三相对称的三相量［9］。在不同序别的对称分量作用下，电力系统的各元件可能呈现不同的特征。在三相电路中，对于任意一组不对称的三相相量（电流或电压），可以分解为三组三相对称的相量，当选择a相作为基准相时，三相相量与其对称分量之间的关系（如电流）为式中运算子a=，a2=，且有1+a+=0，a3=1分别为a相电流的正序、负序和零序分量，并且有:）

基于MATLAB/Simlink平台，采用图4所示模型，根据公式（3）搭建零序电流计算模块，仿真结果如图7所示。

图7 零序电流仿真结果图

如图7所示，在0.02～0.04 s期间，A相发生单相短路，而接地线可靠接地，A相电流大幅上升，产生较大幅值的零序电流;0.04～0.06 s期间，A相发生单相短路，接地线断线，因为故障点不能通过中性点形成回路，接地电流仅为幅值较小的线路对地电容电流，三相电流不平衡度极小，零序电流幅值很小。由此可见，在系统发生单相短路故障等三相负荷不平衡情况时，若接地线可靠连接，接地电阻较小，则零序电流幅值较大，有利于继电保护装置迅速地检测并切除故障回路，改善系统参数减少接地故障时的内部过电压，而当接地线断线时，虽三相电流幅值均升高，但零序电流幅值很小，仅使继电保护装置作用于报警信号，而不可及时动作跳闸隔离故障回路，降低继电保护装置的可靠性。

（3）线路损耗增加

① 增加低压线路中的电能损耗

在三相四线制供电线路中，三相负荷不平衡时，中线会有电流通过，这样不仅相线有电能损耗，而且中线也会有电能损耗。设某低压线路的三相电流大小分别为Ia=Ib=Ic=I，中线电流为I0，相线电阻为R，中线电阻为2R。三相负荷平衡时，Ia=Ib=Ic=I，I0=0，线路中的有功损耗为:

三相负荷不平衡时，线路中的有功损耗为:

假设线路中出现最大不平衡时，Ia=1.5I，Ib=Ic=0.75I。若三相负荷性质与功率因数相同，则I0=0.75I。则增加的电能损耗比例为:

② 增加高压线路中的电能损耗

在低压配网中，若三相负荷不平衡，不仅使低压线路中的电能损耗增加，而且使高压线路中的电能损耗增加。假设在上述最大不平衡状态下，配电压器高压侧的电流与低压侧电流成比例，即IA=1.5I'，IB=IC=0.75I'，高压线路中各相电阻为R'，则高压线路中的功率损耗为:

而中性点为发生偏移时，高压线路中的功率损耗为:

则增加的电能损耗比例为:

图8 中性线多点重复接地示意图

3 预防措施

（1）接地引下线沿电杆敷设，尽可能短而直，减少其冲击电抗，以支持件固定在杆塔上［10］。

（2）在变压器的中性线上选取适当的位置多点重复接地，如图8所示，当变压器接地点接地电阻升高或接地线断线（如N点断线），相线接地。由于有了M点的重复接地，也能保证大地的电位为零，不会对人生安全和设备的正常运行造成威胁。

4 结束语

本文通过理论计算和基于MATLAB软件平台仿真分析，结果表明:若配电变压器中点接地线断线，当三相负荷不平衡时，中性点电压将发生偏移，三相电压不平衡，负载小的相电压升高，对线路绝缘和用电设备造成威胁，同时中性点电压升高危及接触接地线的人身和设备，能够引起零序继电保护设备拒动，降低其可靠性，增加了线路的损耗。在变压器的中性线上选取适当的位置多点重复接地，可有效地避免中点接地线断线造成的影响。

［1］广州电力工业局.配电技术管理规范汇编［M］.北京:中国电力出版社，2000，12.

［2］陈孝建.配电变压器接地电阻阻值过大的危害及防范［J］.农村电工，2010，19（7）:36 －37.

［3］曹文钟，李仁波.配电变压器损坏原因及保护措施［J］.中国新技术新产品，2009，17（23）:129 －130.

［4］侯彦方.配电变压器采用Dyn11联结组的优势分析［J］.电气应用，2008，27（6）:50 －52.

［5］杨光.工厂供电系统中Yyn0和Dyn11两种变压器性能的比较［J］.郑州纺织工学院学报，2001，12（S1）:56 －57.

［6］郑国华.Dyn11联结组别配电变压器的应用分析［J］.应用能源技术，2008，25（11）:27－29.

［7］邱关源.电路（第四版）［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［8］刘道兵，顾雪平.基于配电自动化系统的单相接地故障定位［J］.电力系统自动化，2010，34（5）:77 －80.

［9］刘凯，索南加东，邓旭阳，等.基于故障分量正序、负序和零序综合阻抗的线路纵联保护新原理［J］.电力自动化设备，2010，38（4）:21 －25.

［10］张力生.电力网电能损耗管理及降损技术［M］.北京:中国电力出版社，2005，5.