刍议变压器中性点智能接地装置的设计探讨

刍议变压器中性点智能接地装置的设计探讨

韩向锋

（江西省煤矿设计院江西南昌330029）

摘要：本文针对变压器中性点智能接地装置的设计进行了简要探讨，以供参考。

关键词：变压器；中性点；智能接地装置；设计

1变压器中性点智能接地的技术背景

目前，变压器中性点经小电阻接地在国内外都有较广泛的应用。变压器中性点串联几Ω电阻后能够将中性点入侵直流限制在10A以内，并且中性点串入电阻后，系统的母线过电压水平没有显著上升，主变中性点的过电压也都处于安全范围。虽然中性点电阻的串入，将会改变系统的网络，但基于串联电阻的系统特性，该电阻的串入对于系统主保护（差动保护）没有影响，对于备用保护（过流保护）来说，因为中性点电阻保护会在前1/4工频周期启动，保证电阻被旁路，因此中性点电阻的串入对于保护电流采样与整定基本没有影响。

2变压器中性点智能接地装置的工作原理

采用变压器中性点智能接地装置接线示意图如图1所示。图中QS是隔离开关、QF是断路器、R为并联的小电阻、JX是保护间隙。变压器中性点采用直接接地运行方式时，断路器和隔离开关合闸，将中性点直接接地；当中性点采用不接地运行方式时，断路器跳闸、打开隔离开关，变压器中性点经保护间隙接地。其工作原理为：在变压器中性点的接地线上装设一个开环式霍尔电流互感器作为信号采集器，利用霍尔电流互感器实时采集流过中性点的地磁感应电流，当检测到地磁感应电流异常（超出设定阀值）时，启动断路器跳闸，将并联小电阻串接到变压器中性点上，使流入变压器中性点的地磁感应电流限制在安全值以下；经过一个延时，断路器重合闸，霍尔电流互感器继续检测直流电流，如果电流还大于设定的阈值，断路器再次跳闸，重复上面的工作过程；如果直流电流低于设定阈值，断路器不跳闸，恢复中性点有效接地。

该装置使能够变压器中性点在绝大部分运行时间中处于直接接地的工作方式，解决了变压器中性点经小电阻接地时改变系统零序网络结构的缺点。

3系统构成

中性点智能接地装置的系统构成如图2所示，由霍尔电流互感器、主控制器和断路器、并联小电阻及小电阻的保护装置组成。霍尔电流互感器作为信号采集器，安装在变压器中性点接地线上，通过电缆将霍尔互感器检测到的信号引入到主控制器进行数据处理。霍尔电流互感器能够准确检测包括直流、交流结合阶跃脉冲等波形的信号，满足电网GIC检测的要求。根据我国GIC水平，所选用的霍尔电流互感器的基本参数为：额定输入端电流为±50A，测量范围0～±60A，额定输出电流为0～±20mA，电源电压：±12V（±5%），绝缘电压为5kV，线形度为≤±1%，耗电30mA。

3.1主控制器

主控制器硬件电路包括单片机单元、键盘单元、显示单元、存储单元、通讯单元等部分。

其主要功能有：

1）为霍尔电流互感器及主控制器自身提供电源。从变压器控制柜中取AC220V电压，经AC/DC模块输出±12V电压，经电源线路给霍尔互感器供电。DC12V电压经7805稳压电路降压为DC5V电压，供给主控制器电源。

2）接收霍尔互感器的二次输出数据。霍尔互感器的输出数据通过数据线经过低通滤波器滤波后送到模拟量/数据量转换器（A/D），将模拟信号转化成数字信号，再送给CPU主系统。CPU主系统对数据进行接收、分析和处理，并上传数据到变电站控制中心中的监控PC机，实现数据存储、生成报表并打印等功能。

3）当检测到地磁感应电流超过设定阈值时，检测断路器的运行状态。如果检测到断路器处于合闸运行状态，启动断路器跳闸；如果检测到断路器处于分闸状态，保持断路器运行在分闸状态。当检测到地磁感应电流低于设定阈值时，配合断路器状态检查功能使断路器合闸，变压器中性点处于直接接地运行状态。

4）通过电力系统数据采集端口获取电力系统保护数据，并配合电力系统继电保护的整定，联合保护系统可靠运行。如果在发生磁暴的同时，电力系统发生故障，优先执行电力系统继电保护对变压器中性点运行方式的要求，完成断路器运行状态的切换。

5）其他功能还有利用键盘实现参数设定功能，显示功能，数据存储等。

3.2断路器

断路器应该具有可频繁操作的能力、具有有效切断直流电流的能力、体积小、价格低。以YKSTZW2-M户外真空断路器为例，它可应用于220～750kV系统中。主要技术参数：额定工作电压为40.5kV、额定工频耐压（1min）为95kV、雷电冲击耐压为185kV。所以，在系统经断路器接地时，该断路器能够满足中性点电压升高的要求，而在断路器断开时，做好与并联保护间隙的配合，也能够满足中性点电压升高的要求；该断路器的额定工作电流0.63kA、额定耐受电流（4S）12.5kA，能够满足电网正常工作及故障时中性点电流的要求；该断路器的电气寿命和机械寿命都接近5000次，能够满足频繁操作的要求。

3.3并联小电阻及电阻保护装置

小电阻要根据电网的参数选择阻值在几Ω到十几Ω的大功率电阻，阻值不宜过大。当中性点串联的断路器处于分闸状态时，如果电网发生接地故障，会有很大的短路电流流经小电阻，为保护小电阻需要加装保护装置。也可以合理设置保护间隙的点火电压，当流过电阻的电流达到电阻电流值上限时，电阻上的压降使保护间隙击穿，短路电流经保护间隙流入大地。

4简化工作流程

装置的工作流程如图3。系统投入，进行初始化后，断路器合闸，使中性点直接接地。霍尔传感器检测地磁感应电流，如果电流不超限，断路器保持合闸状态；如果电流超限，断路器跳闸，投入小电阻，中性点经小电阻接地，并存储数据和上传数据到监控室。互感器检测小电阻接地时的地磁感应电流，如果超限（此时门限应低于直接接地的电流的门限值），断路器保持跳闸状态；如果不超限，断路器合闸，重复上述流程。

5仿真结果

利用MATLAB对装置进行了仿真，得出的结论有：①在霍尔互感器检测到电流超过整定值（设10A）时，能够有效启动断路器跳闸，小电阻能有效降低中性点回路的地磁电流。②仿真表明，继电保护能够可靠重合闸，把小电阻短接，中性点恢复经断路器接地。霍尔互感器检测中性点，电流低于整定值时，系统恢复正常工作；电流依然超过设定值时断路器再次跳闸。③仿真磁暴对继电保护的影响：由于中性点回路电流流过三相输电线路，可能会对线路的零序电流保护产生影响。但鉴于零序电流过滤器是交变感应电磁回路，如果磁暴电流变化陡度不大时，对零序保护影响有限，如果磁暴电流变化速度较快，且比较频繁，这时可能会使零序保护发生误动作。④变压器中性点经小电阻接地时，会使零序电流减小，进行零序保护整定时可以将整定值做适当的下调。

参考文献：

[1]刘连光.灾害空间天气对我国电网安全的影响及风险[J].中国工程科学，2010.

[2]张露，阮羚，潘卓洪，等.变压器直流偏磁抑制设备的应用分析[J].电力自动化设备，2013.