500kV单相变压器中性点环流分析与改造措施

马自伟 谢 静



500kV单相变压器中性点环流分析与改造措施

马自伟1谢 静2

（1. 云南省电力设计院有限公司，昆明 650051；2. 昆明理工大学，昆明 650500）

分析了500kV单相变压器中性点Π形接地方式下环流产生的原因，计算了在运变电站几种工况下中性点引线环流，并提出改造措施。

单相变；中性点；环流；Π形接地；单点接地

在500kV变电站中，主变压器一般采用自耦变压器，中性点直接接地[1-3]。在云南这样一个多山的地区，由于受道路运输条件限制，500kV主变通常采用单相自耦变，这就需要在变电站设计时考虑中性点接地的问题。通常有两种设计方案：一种是采用Π形接地，从中性点汇流母线两端通过引下线与主接地网连接；另一种是单点接地，从汇流母线一端通过引下线与主接地网连接。由于工程强制性条文[4]规定，电气设备接地线须两点及以上与主接地网连接，因此南网的标准设计文件[5]推荐采用Π形接地，并且认为Π形接地较一点接地更可靠。但近来有研究表明，Π形接地方式存在较大环流[6-8]，且环流大小占负荷电流的20%以上。然而，以上研究存在明显的不足之处，均忽略了接地网对环流分布的影响，因而计算结果不能真实反应实际情况。

云南地区变电站设计均遵循南网标准设计文 件[5]，500kV单相变中性点普遍采用Π形接地。基于这这一事实，研究中性点回路环流分布，以及分析是否存在安全隐患，具有现实意义。

1 Π形接地电路模型及分析

在500kV变电站中，三台单相自耦变压器经防火墙分隔集中布置组成一个单元，中性点出线套管短接后经两侧引下线与地网连接，形成所谓的Π形接地，如图1所示。

图1 单相变中性点Π形接地图

图1中汇流母线、引下线、水平接地极的电抗很小，可以忽略，主要考虑电阻，因此等效电路模型如图2所示。需要强调的是，文献[6-8]的电路模型中均忽略了水平接地极电阻3、4，因而其计算结果有很大偏差，本文是对以上文献的重要修正和补充。

注：AB、BC分别相间汇流母线电阻；1、2为引下线电阻；3、4为水平接地极电阻；N1—N3为地网接地电阻。

设1、2分别为流过引下线1和引下线2的电流，由基尔霍夫第一定律可知：

主变三相不平衡电流很小，可以近似按三相平衡考虑。因三相电流和为零，所以1和2大小相等，方向相反。可以计算得出，变电站接地网电阻N在0.5～1W之间，水平接地极电阻3、4为0.9mW左右，因此可以断定，环流1、2只可能经3、4后汇合，不会经地网流入大地，这样，在求解环流1和2时，可采用并联支路电流分流的原理。采用叠加法，分别计算A、B、C相电流作用下流过两侧引线下的电流，三相矢量和即为最终流过引下线的电流。

定义为环流电阻，则

（2）

流过引下线1的和电流为

设三相电流为

（4）

则

相间汇流母线AB≈BC，引下线1≈2，地中接地线3≈4，因此近似认为AB=BC，1=2，3=4。则

（6）

式（6）即为引下线中环流的计算式。与文献[6-8]的研究结论相比，本公式分母中多了3分量，即说明水平接地极电阻对环流分布有重要影响，不可忽略。从式（6）可以看出，对于Π形接地，环流大小与中性点环路电阻的组合有很大关系，当汇流母线、引下线和水平接地极采用不同规格型号的导体时，环流大小将不同。从以上分析中还可看出，环流只在中性点环路中流动，环路之外，环流为零，因此，环流并不会使接地网电位抬升，从而对继电保护及二次回路造成干扰。

2 案例分析

从往年的设计来看，汇流母线常采用采用管母线、耐热铝合金钢芯绞线，引下线常采用扁钢、铜排或耐热铝合金钢芯绞线，水平接地极一般采用扁钢，通常可组合成3种方案。设主变额定容量750MVA，三相负荷平衡，由式（6）可计算各种组合方案下的环流大小，见表1。从表1可以看出，汇流母线和引下线均为耐热铝合金钢芯绞线时环流较大，为45.09A，占负荷电流的5.2%；汇流母线为管母线，引下线和地中接电线均为扁钢时环流最小，为18.81A，占负荷电流的2.17%。总的来说，环流不超过负荷电流的6%，远小于文献[6-8]得出的20%的结论。

表1 环流计算值

云南500kV厂口变、500kV和平变、500kV草铺变等多座变电站主变中性点接地均采用方案三设计，500kV富宁变采用方案一设计。以上变电站均已运行多年，至今未报告关于中性点的问题或事故，从侧面说明了环流不算太大。

3 改造措施

尽管计算结果表明，环流不算太大，但环流长期存在，不仅产生损耗，还会加速地中水平接地极的腐蚀速度，不利于系统安全。因此，应采取措施消除环流。引下线采用单点接地时，汇集到引线上的和电流为零，因此，主变中性点采用单点接地可以消除环流。为满足强制性条文[4]的要求，保证接地可靠，建议从一点引双根引下线至主接地网，双根引下线可以采用支柱绝缘子固定在B相防火墙的两侧。

4 结论

通过以上分析可以得出以下结论：

1）主变中性点应采用单点双线接地方式较为妥当。

2）对于在运的老站，短期内环流不会对变电站安全运行造成影响，但长期运行后环流可能造成变压器区水平接地极敷设，建议在有条件时进行改造，消除隐患。

3）建议及早修订南网标准设计文件，将Π形接地修改为单点双线接地。

[1] DL/T 5429—2009. 电力系统设计技术规程[S].

[2] GB/T 50064—2014. 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范[S].

[3] 电力工业部电力规划设计总院, 纪雯. 电力系统设计手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 1998.

[4] 工程建设标准强制性条文: 电力工程部分[M]. 北京: 中国电力出版社, 2011.

[5] 中国南方电网有限责任公司. 中国南方电网公司输变电工程标准设计V1.0[M]. 北京: 中国电力出版社, 2013.

[6] 李显鹏, 章凯峰, 钱黎鸣, 等. 通过500kV单相主变中性点接地引下线的电流分析[J]. 浙江电力, 2012, 31(3): 22-24.

[7] 李德佳. 单相变压器组中性点“Π”型接地产生环流的原因分析[J]. 变压器, 2005, 42(12): 32-33.

[8] 唐芳轩. 500kV单相变压器组中性点接地方式探讨[J]. 高压电器, 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

马自伟（1979-），男，云南省昆明市人，硕士，高工，主要从事变电站设计、高电压与绝缘技术研究工作。