主变压器中性点接地方式对短路电流的影响 仿真与分析

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2020年中国电机工程学会年会论文集主变压器中性点接地方式对短路电流的影响仿真与分析1211钟臻，张楷旋，代昀杨，李翔宇1国网重庆市电力公司市北供电分公司,重庆市渝北区新牌坊三路89号401120；2国网重庆市电力公司市南供电分公司,重庆市南岸区长电路13号400000;SimulationAndAnalysisOfInfluenceOfMainTransformer’sNeutralGroundingModeOnShortCircuitCurrent1211ZhenZhong,KaixuanZhang,YunyangDai，XiangyuLiStateGridChongqingElectricPowerCompanyShibeipowersupplybranch,No.89,Xinpaifang3rdroad,YubeiDistrict,Chongqing401120;StateGridChongqingElectricPowerCompanyShinanpowersupplybranch,No.13,ChangdianRoad,Nan'anDistrict,Chongqing400000;摘要：电力系统主变压器中性点的接地主要是为了限制系统单相接地故障时的短路电流，防止电气设备流过的故障电流过大而被烧毁，同时保障人身安全。因此主变压器的中性点接地方式是影响电力系统安全稳定运行的主要因素之一。它同时对系统中一次设备的过电压与绝缘问题、继电保护装置的配置与整定、电力通讯网络的正确传输与干扰，均有很大的影响。因此，选择合理有效的主变压器的中性点接地方式，有助于提高电力系统运行稳定性、供电可靠性。本文首先比较现阶段主变压器采用的各种接地方式，分析影响主变压器中性点接地方式的主要因素。其次，本文就中性点接地方式对短路电流、零序电抗及零序保护的影响，得出主变压器中性点经小电抗接地可以起到很好的限流作用。再次，本文通过Simulink仿真，选取三组变量，分别是主变压器的短路容量不同、并列运行主变压器的数量不同、母线短路容量不同三种情况下，分析中性点电抗与短路电流之间的关系（中性点电抗值为零时仿真直接接地情况）。仿真下，主变压器中性点经小电抗接地均表现出较好的性能。最后，本文指出实现主变压器中性点经小电抗接地时设计选型的注意事项。关键词：中性点接地方式；系统短路电流；小电抗；仿真ABSTRACT:Themainpurposeofneutralpointgroundingofmaintransformerinpowersystemistolimittheshort-circuitcurrentwhensingle-phasegroundingfaultoccursinthesystem,preventtheelectricalequipmentfrombeingburnedduetoexcessivefaultcurrentflowingthrough,andensurepersonalsafety.Therefore,theneutralgroundingmodeofmaintransformerisoneofthemainfactorsaffectingthesafeandstableoperationofpowersystem.Atthesametime,ithasgreatinfluenceontheovervoltageandinsulationofprimaryequipment,theconfigurationandsettingofrelayprotectiondevice,andthecorrecttransmissionandinterferenceofpowercommunicationnetwork.Therefore,thereasonableandeffectiveneutralgroundingmodeofmaintransformerishelpfultoimprovetheoperationstabilityandpowersupplyreliabilityofpowersystem.Thispaperfirstcomparesvariousgroundingmethodsofmaintransformeratpresent,andanalyzesthemainfactorsaffectingtheneutralgroundingmodeofmaintransformer.Secondly,theinfluenceofneutralgroundingmodeonshort-circuitcurrent,zerosequencereactanceandzerosequenceprotectionisdiscussedinthispaper.Itisconcludedthatsmallreactancegroundingofmaintransformercanplayagoodroleinlimitingcurrent.Thirdly,throughSimulinksimulation,thispaperselectsthreegroupsofvariables,whicharedifferentshort-circuitcapacityofmaintransformer,differentnumberofmaintransformersinparalleloperation,anddifferentshort-circuitcapacityofbus,toanalyzetherelationshipbetweenneutralpointreactanceandshort-circuitcurrent(simulatedirectgroundingwhenneutralpointreactanceiszero).Underthesimulation,theneutralpointofmaintransformerisgroundedbysmallreactance,whichshowsgoodperformance.Finally,thispaperpointsoutthemattersneedingattentioninthedesignandtypeselectionwhentheneutralpointofthemaintransformerisgroundedthroughsmallreactance.KEYWORD:NeutralGrounding;SmallReactance;Simulink-1-

12020年中国电机工程学会年会论文集·1主变压器中性点接地方式I01在我国的电力系统中，主变压器中性点直接接地得到广泛使用，这对电力系统安全可靠起一定的保障作用。但是，当系统发生接地短路，特别是大容量、高电压等级的电力系3Xn··统发生接地短路，将会有巨大的接地短路电I013I01流流过主变压器中性点，对主变压器造成冲··I01击，可能导致一次设备损毁和二次设备误动U0[1]作，并导致系统局部失去接地点。如表1所示，我国的中性点接地方式大致分[2]为以下几类。图1在主变高压侧加上零序电压的零序电流回路表1中性点接地方式分类Fig1TheZeroSequenceCurrentLoopWithZeroTab1TheDifferenceInNeutralGroundingSequenceVoltageAddedToTheHighVoltageSideOfTheMainTransformer中性点接优点缺点地方式·I02运行方便，结构简非接地相的电压升不接单，发生单相接地高为线电压，如果电地故障时，系统电压压等级较高，易破坏仍处于对称状态。绝缘。图2在主变低压侧加上零序电压的零序电流回路单相金属性接地故Fig2TheZeroSequenceCurrentLoopWithZero较低的过电压水障时，短路电流甚至SequenceVoltageAddedToTheLowVoltageSide直接平和绝缘水平，有会超过三相短路故OfTheMainTransformer接地利于继电保护的障电流，对电网和人此时中性点的电位U=j3IX，其零序等灵敏性和可靠性。身构成严重威胁值电路如下图所示，从YN侧看过去的零序等值经电发生高阻接地故障阻抗为：阻接限制短路电流时，中性点电阻反而=++3(1)地增大了故障电流经消固定的电感值很难弧线限制短路电流，进XT1XT2满足实际运行需求圈接行有功补偿··和电网发展I01I02地Xμ02主变压器中性点接地方式对短路电·U0流的影响2.1主变压器的零序等值电路3Xn2.1.1Yd11接线双绕组变压器电力系统中普遍采用的Yd11接线的双绕组变压器，中性点经小电抗接地后，如图1图3在主变低压侧加上零序电压的零序等值电路所示，当在主变高压侧Y侧加上零序电压U，Fig3ZeroSequenceEquivalentCircuitWithZero则零序电流I经Y侧绕组中性点入地形成回SequenceVoltageAddedToTheLowVoltageSide路。在d侧，产生三角形绕组中的零序电流OfTheMainTransformerI，如图2中箭头所示流向[3]。2.1.2自耦变压器-2-

22020年中国电机工程学会年会论文集[4]采用有名值来分析自耦变压器时，假设构成了中性点经小电抗接地的YN/a接线自耦变压器。折算到1侧的1、2侧间的零序等值阻抗零序励磁阻抗X→∞，那么如图4所示的μ[5]X表示为：（）中性点经小电抗X接地的YN/a/d自耦变的Y侧加零序电流时的零序回路。U−U‘X==·（）II01·UI02U−UUave2I−IU+j3X(1−)IIUave2·I03=jX+j3X（1−）(4)·（）I01Xn·I02··I01其中，jX=，为中性点U0·（）I02直接接地时归算到1侧的YN/a自耦变压器的零图4自耦变压器零序电流回路序等值电抗。Fig4AutotransformerZeroSequenceCurrent同理，当2侧开路时，1、3侧构成了中性Loop点经电抗接地的YN/d接线的普通变压器，归算假设中心点电压为U，则1,2绕组对地到1侧的1、3侧之间的零序等值电抗为：电压U、U分别为U=U+U(2)X（）=jX（）+j3X(4)U=U+U(3)同理可得，当1侧开路时，归算到2、3侧其中，U=j3（I-I）X之间的零序等值电抗为：如果把2绕组电压归算到1侧，则U‘=X=jX+j3X（）(5)（）（）（U+U）其中，U、U分别为1,2侧的平均联立X（）、X（）、X（）的表示额定电压。式，可以求出零序等值电路中归算到1侧的各支因此，当上图的三角形绕组开路时，就路等值电抗为：⎧X=[X()+X()−X()]=X+3X(1−n)⎪X=[X()+X()−X()]=X+3Xn(n−1)(6)⎨⎪X=[X+X−X]=X+3Xn⎩()()()·3Xnn12（n12-1）I'023X（1-n）Xn12T1·XT33XnI01·n12I'03·U0其中，n=由此式作出自耦变压器中性点经小电抗接地的零序等值电路如图5所示：图5自耦变压器中性点经小电抗接地的零序等值电路Fig5ZeroSequenceEquivalentCircuitWithTheNeutralPointOfTheAutotransformerGroundedViaASmallReactance-3-

32020年中国电机工程学会年会论文集2.2中性点经小电抗接地对零序保护的影表3110kV三绕组变压器参数Tab3110kVThree-WindingTransformer响Parameters电力系统正常运行时[6]，三相电流电压对额定电压（kV）110/35/10.5侧，无零序分量。当系统发生接地短路故障额定容量（MVA）102050时，零序电流经由故障点和主变中性点形成高-中10.510.510.5短路阻抗回路。从保证继电保护正确动作的角度，应高-低181818（%）尽量保证发生故障时，系统中的零序电流分中-低6.56.56.5布相对固定，变化不大。当主变中性点经小3.1在不同变压器容量下的仿真分析电抗接地时，可以通过控制小电抗的电抗值根据上述参数，当发生双绕组主变压器近区来保证系统零序阻抗和零序网络固定不变，单相短路时，不同的电抗值对应中性点电流如表适应零序保护性能，且由于零序保护只要躲4所示，其变化曲线如图7所示。过正常运行情况下的三相不平衡电流，受负表4双绕组主变压器近区单相短路时，中性点电流荷电流的制约小，配合容易，给继电保护整随电抗值变化数值[7]Tab4TheRelationshipBetweenTheNeutralPoint定计算带来一定方便。CurrentAndTheReactanceValueWhenASingle-PhaseShortCircuitOccursInTheNear3仿真分析AreaOfADual-WindingMainTransformer本文通过Simulink仿真软件分析当系统与零序电电抗值（ohm）中性点电流（kA）抗之比10MVA20MVA50MVA10MVA20MVA50MVA上发生接地短路故障，110kV主变压器中性00000.7891.65693.866点经小电抗接地时，接地电抗值的变化对短0.115.357.6753.070.6211.30413.042路电流的影响。本文分别仿真了在主变压器0.230.70115.35056.14020.5081.06682.489容量不同、母线上所挂主变压器台数的不同、0.2538.22919.11457.64580.4690.98492.298母线短路容量不同，三种情况下，电抗值的0.346.47223.2369.29440.4420.92822.1650.576.74138.370515.34820.3380.70981.656变化对短路电流的影响。其中，当电抗值为0.8122.5461.2724.5080.2860.60061.401[8]零时，表示主变压器直接接地。1153.4876.7430.6960.2190.45991.073仿真模型如图6所示，110kV双绕组变2306.96153.4861.3920.1290.27090.632压器仿真参数如表2所示，110kV三绕组变压器仿真参数如表3所示。假设该系统为呈阻性，忽略主变压器空载损耗及负载损耗对[9]短路电流的影响。图6仿真模型Fig6SimulationModel表2110kV双绕组变压器参数Tab2110kVDualWindingTransformerParameters图7双绕组主变压器近区单相短路时，中性点电流额定电压（kV）110/10.5随电抗值变化曲线额定容量MVA）102050Fig7TheRelationshipBetweenTheNeutralPointCurrentAndTheReactanceValueWhenA短路阻抗（%）10.510.510.5Single-PhaseShortCircuitOccursInTheNearAreaOfADual-WindingMainTransformer-4-

42020年中国电机工程学会年会论文集当发生三绕组主变压器近区单相短路3.2在不同的并列运行主变压器数量下的仿时，不同的电抗值对应中性点电流如表5所真分析示，其变化曲线如图8所示。110kV变电站母线上普遍运行两到三台主表5三绕组主变压器近区单相短路时，中性点电变压器[12-13]。选取容量为50MVA的主变压器，流随电抗值变化数值针对母线上并列运行两台和三台主变压器的情Tab5TheRelationshipBetweenTheNeutralCurrentAndTheReactanceValueWhenA况，接地电抗值对变压器中性点短路电流的影响Single-PhaseShortCircuitOccursInThe进行仿真。发生近区单相接地故障时，每台变压VicinityOfTheThree-WindingMainTransformer器中性点流过的故障电流随中性点接地电抗的与零序电抗值（ohm）中性点电流（kA）变化如表6所示，其变化曲线如图9所示。电抗之表6在不同的并列运行主变压器数量下，接地电抗10MVA20MVA50MVA10MVA20MVA50MVA比值对变压器中性点短路电流的影响00000.45730.9172.109Tab6TheInfluenceOfTheGroundReactance0.125.44112.7215.08820.3710.71051.661ValueOnTheShort-CircuitCurrentOfTheNeutralPointOfTheTransformerUnderDifferent0.251.69325.84610.33860.30490.57951.395NumbersOfMainTransformersOperatingIn0.2564.77432.38712.95480.2810.5591.269Parallel0.378.23439.06215.64680.26570.46551.122与零序电中性点电流（kA）电抗值0.5130.9965.49526.1980.1990.4211.018抗之比两台三台0.8208.45104.22541.690.15480.360.902002.252882.283121259.78129.8951.9560.12980.24050.5647.9930.11.724941.77032531.01265.505106.2020.07540.1570.33115.9870.21.39231.4326220.1000.251.357021.3872624.9330.31.103761.14370239.7220.51.000441.04000463.950.80.8820.9311479.93710.536760.5796159.78620.351540.36666图8三绕组主变压器近区单相短路时，中性点电流随电抗值变化曲线Fig8TheRelationshipBetweenTheNeutralCurrentAndTheReactanceValueWhenASingle-PhaseShortCircuitOccursInTheVicinityOfTheThree-WindingMainTransformer如图7、图8可知，系统发生近区单相接地故障时，流过主变压器中性点的故障电流（即3倍零序电流），随着小电抗X的增图9在不同的并列运行主变压器数量下，接地电抗加而减小。当中性点电抗X≥0.7X时，流过值对变压器中性点短路电流的影响中性点的电流减小的趋势变得缓慢。当中性Fig9TheInfluenceOfTheGroundReactanceValueOnTheShort-CircuitCurrentOfTheNeutralPointOfTheTransformerUnderDifferent点电抗X≥时，其主变压器中性点流过的NumbersOfMainTransformersOperatingInParallel电流减小50%。同时，主变压器的容量越大，流过同一中性点电抗的故障电流越大[10-11]。从仿真结果可以看出，流过中性点电抗的故-5-

52020年中国电机工程学会年会论文集障电流（即3倍零序电流）随着电抗值的增从仿真结果可以看出，流过主变压器中性点大而减小，该变化趋势受并列运行的主变压的短路电流随着中性点电抗器的值增大而减小，器台数影响不大。当中性点电抗值固定时，该变化规律与母线容量的大小关系不明显。当主并列运行的主变压器台数越多，短路电流越变压器所接中性点电抗器相同时，母线容量越大，其原因是并列运行的主变压器增加，系大，流过中性点的短路电流越大。[14-15]统等值短路阻抗减小。4主变压器中性点经小电抗接地运行时3.3在不同母线短路容量下的仿真分析的主要问题选取母线短路容量分别为2000MVA、近年来，大量的大容量主变压器经小电抗接500MVA时，选择50MVA的三绕组变压器来地，如葛洲坝水电站500kV主变压器中性点经进行仿真，发生近区单相接地故障时，流过小电抗接地，从投运至今，已经成功经历过多次中性点电抗器的短路电流变化情况如表7所[16-17]接地短路故障的冲击和考验。中性点电抗器示，其变化规律如图10所示。不仅可以用于限制短路电流，同时也大大降低了表7在不同母线短路容量下，接地电抗值对变压主变压器中性点过电压的发生，对主变压器的绝器中性点短路电流的影响[18]Tab7TheInfluenceOfGroundingReactance缘有极大好处。但在运行中有以下一些问题ValueOnTransformerNeutralPoint值得探讨和注意。Short-CircuitCurrent，UnderDifferentBusbar应该选择性能良好的电抗器，要求中性点电Short-CircuitCapacity抗器具有良好的线性伏安特性和热稳定性。因为与零序电中性点电流（kA）电抗值抗之比S=2000MVAS=500MVA系统故障发生的随机性，往往接地电阻也是随机001.9481.461的，主变压器中性点的电压也就是随机的，良好7.9930.11.5141.221伏安特性的接地电抗器可以使得变压器及站内[19]15.9870.21.2511.039的等效接地阻抗的值保持不变。但这具有一20.1000.251.1440.971定的困难，因为电抗器铁芯往往受到磁滞特性营24.9330.31.0080.868销，不易保持良好的伏安特性。同时，由于接地39.7220.50.9130.803电抗器连接在主变压器中性点与地之间，就要求63.950.80.8140.728它能与主变压器承受相同的故障电流的时间，通79.93710.5020.473常为2秒，因此要求中性点电抗器的导线截面足159.78620.2810.268够大，热稳定满足要求。关于接地电抗器的选取应充分考虑对系统[20]和主变压器在继电保护整定计算上的影响。电抗值的选取主要由系统参数和设定的短路电流决定，应按照保持主变压器零序等效阻抗不变的原则来选取。5结论本文概述了不同的中性点接地方式，分析双绕组和三绕组变压器在中性点经小电抗接地时的零序等值电流和等值领序阻抗。当采用小电抗接地的变压器，通过仿真分析随着中性点电抗器图10在不同母线短路容量下，接地电抗值对变参数、主变压器容量以及在母线上并列运行的主压器中性点短路电流的影响变压器数量等不同的条件下，发生近区单相接地Fig10TheInfluenceOfGroundingReactanceValueOnTransformerNeutralPoint短路故障时，流过中性点的故障电流（即3倍零Short-CircuitCurrent，UnderDifferentBusbar序电流）的变化。从不同的仿真结果可以看出，Short-CircuitCapacity-6-

62020年中国电机工程学会年会论文集中性点电抗器具有很好的限制短路电流的作用，且因其相对固定的零序等值电抗，给继电保护的整定计算带来的较大方便。最后就主变压器中性点经小电抗接地的方式，给出设计选型的注意事项。参考文献[1]官澜.变压器中性点接地方式对电力系统运行可靠性的影响研究[D].2010.[2]刘治全.主变中性点接地方式的选择[J].建材技术与应用,2008(01):20-21.[3]陈晓芳,康吉义.变压器零序阻抗实测与计算[J].科学与财富,2011(11):13-14.[4]朱德汇,吕俊葵.关于三绕组变压器的零序阻抗[J].黑龙江电力技术,1980(04):14-28.[5]黄绍平.D,yn11联结组配电变压器运行特性的分析[J].湖南工程学院学报:自然科学版,1996.[6]黄坚明.110kV变压器中性点接地方式与零序保护配置[J].电力自动化设备,1999.[7]王友怀.变压器中性点接地方式对零序保护的影响[J].湖北电力,2004.[8]胡长金,任正某,黄棋悦,等.基于全电磁仿真的榆林110kV系统中性点接地方式研究[J].陕西电力,2018,046(001):83-87.[9]王文烁.东明地区110kV电网变压器中性点接地方式优化分析[D].2015.[10]毛雪雁.500kV变压器中性点经小电抗接地后短路电流降低效果研究[C]//首届长三角科技论坛——能源科技分论坛.0.[11]于化鹏,陈水明,杨鹏程,等.220kV变压器中性点经小电抗接地方式[J].电网技术,2011(01):146-151.[12]舒廉甫.500千伏变压器中性点的接地方式[J].高电压技术,1983,000(003):54-55.[13]洪志新,李燕.深圳电网中性点接地方式研究[J].电工技术,2012,000(011):31-32.[14]肖云.变压器中性点接地小电抗选择及保护整定计算的应用研究[D].华北电力大学(保定),2013.\[15]孙书田.110kV变压器中性点绝缘水平、接地形式与变压器零序保护接线方式[J].继电器,1988(03):36-40.[16]黄家室.小接地短路电流系统变压器中性点接地方式探讨[C]//2003年全国建筑电气设计技术协作及情报交流网年会.0.[17]王慧慧.万胜220kV变电站中性点接地方式的改造分析[D].2014.[18]肖云.变压器中性点接地小电抗选择及保护整定计算的应用研究[D].2013.[19]李海江,高中伟.100KV变压器中性点经小电抗接地方式应用研究[J].现代商贸工业,2011,23(010):276-277.收稿日期：作者简介：钟臻（1991-），女，畲族，硕士研究生，工程师，主要研究电力系统继电保护与自动化、电力系统可靠性-7-