程 澍, 李榮松, 胡 軍

(1.浙江省建筑設(shè)計研究院, 浙江 杭州 310006;2.杭州蕭山國際機場有限公司, 浙江 杭州 311207)

0 引 言

某大型國際機場總占地面積約為8 km2,南北向長約為2 km,東西向長約為4 km。除飛行區(qū)外主要道路有16條,共設(shè)置路燈695盞,數(shù)量及位置如表1所示。

原路燈專用箱式變電站共設(shè)置16臺,容量為16～125 kVA。原有變壓器均設(shè)置在地埋式箱式變電站內(nèi),由于江南地域地下水位較高,路燈專用箱式變電站經(jīng)常故障,維護維修工作量繁重,因此機場物業(yè)公司希望將所有的路燈專用箱式變電站升至地面,故需考慮哪種聯(lián)接組別的變壓器更適合路燈。

對路燈負(fù)荷進行分析,總結(jié)出如下特點:路燈為單相負(fù)荷,無法保證變壓器低壓側(cè)的三相平衡;機場區(qū)域內(nèi)路燈平均高度在8～14 m之間,地處較為空曠的地帶,周圍沒有高大建筑,容易遭受雷擊。所以,針對這兩個特點來選擇合適的變壓器聯(lián)接組別,將會對日后的運營維護帶來極大便利。

1 變壓器聯(lián)接

三相變壓器中不論高、低壓繞組,我國主要采用星形(Y形)和三角形(Δ形或D形)聯(lián)接。我國國家標(biāo)準(zhǔn)更規(guī)定Y,yn0、Y,d11、YN,d11、YN,y0、Y,y0為雙繞組電力變壓器的5種標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)接組。Y形和D形聯(lián)接組分別如圖1和圖2所示。

但是在配電變壓器中還有一種并不經(jīng)常使用的繞組聯(lián)接方式——曲折聯(lián)接(Z形),其做法是:把每相繞組分成兩半,這兩半分別套在不同的鐵心柱上,把一個鐵心柱上的上半個繞組與另一個鐵心柱上的下半個繞組反串起來,組成新繞組后再按星形進行聯(lián)接,形成一種特殊的星形聯(lián)接。Z形聯(lián)接組如圖3所示。

表1 路燈數(shù)量及位置

圖1 Y形聯(lián)接

圖2 D形聯(lián)接

圖3 Z形聯(lián)接

通過上述3種繞組聯(lián)接形式的圖形描述,可以簡單歸結(jié)出三種不同聯(lián)接形式的特征。

(2) D形聯(lián)接。其特征正好與Y形聯(lián)接的特征相反。D形聯(lián)接與Y形聯(lián)接配合時,可降低零序阻抗。

(3) Z形聯(lián)接。Z形聯(lián)接具有Y形聯(lián)接相似的特點,但是相比Y形聯(lián)接,有較低的零序阻抗;可降低系統(tǒng)中電壓不平衡(系統(tǒng)中三相不平衡時);具有一定的防雷功能;匝數(shù)比Y形的多15.5%,成本較大。

2 配電變壓器常用聯(lián)接組別比較

我國城鄉(xiāng)配電網(wǎng)中常見的三相配電變壓器聯(lián)接組別有Y,yn0和D,yn11兩種,Y,zn11在20世紀(jì)80年代列入國家標(biāo)準(zhǔn)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50052—2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》中第7.0.7條規(guī)定“在低壓電網(wǎng)中,宜選用D,yn11接線組別的三相變壓器作為配電變壓器”。那么,在專供路燈用電的配電變壓器是否采用D,yn11聯(lián)接組合最合適呢?結(jié)合路燈的配電特點,比較三種配電變壓器聯(lián)接組別的優(yōu)缺點。

2.1 單相供電的能力

標(biāo)準(zhǔn)GB 50052—2009中第7.0.8條規(guī)定“在系統(tǒng)接地形式為TN及TT的低壓電網(wǎng)中,當(dāng)選用Y,yn0接線組別的三相變壓器時,其由單相不平衡負(fù)荷引起的中性線電流不得超過低壓繞組額定電流的25%,且其一相的電流在滿載時不得超過額定電流值”。該條文明確地限制Y,yn0聯(lián)接組接用單相負(fù)荷的容量,從而限制Y,yn0聯(lián)接組配電變壓器的使用(此時變壓器設(shè)備能力不能充分利用)。

D,yn11聯(lián)接組的變壓器對中性線電流沒有限制,可達變壓器低壓側(cè)之線(相)電流,從而能充分利用變壓器的容量,發(fā)揮其設(shè)備能力,適用于以單相負(fù)荷為主而存在三相不平衡的配電變壓器。

再來比較Y,zn11和Y,yn0聯(lián)接組變壓器。當(dāng)單相負(fù)載流過額定電流時,采用Y,zn11聯(lián)接的配電變壓器,其內(nèi)阻抗壓降標(biāo)幺值很小,約為采用Y,yn0聯(lián)接的配電變壓器的1/10,電壓降較小,對供電影響很小,而Y,yn0聯(lián)接配電變壓器的內(nèi)阻抗壓降較大,以致負(fù)載電壓太低,影響正常供電。因此,采用Y,zn11聯(lián)接的配電變壓器具有較強的單相供電能力。

綜上,對于路燈這種全部為單相供電且三相無法完全平衡的負(fù)荷,D,yn11和Y,zn11聯(lián)接組配電變壓器都能完全適應(yīng)。

2.2 防雷能力

2.2.1 Y,yn0聯(lián)接組配變

當(dāng)變壓器高壓側(cè)遭受直擊雷或感應(yīng)雷時,避雷器動作,雷電流經(jīng)避雷器和接地裝置泄入大地,在接地電阻上產(chǎn)生壓降。該壓降絕大部分作用在低壓側(cè)繞組的中性點上,使中性點的電位大大抬高。由于變壓器一次側(cè)繞組采用星形接線,且中性點不接地,因此在一次側(cè)繞組上雖有脈沖電動勢,但無沖擊電流通過。沖擊電流只在低壓繞組中流通,而一次側(cè)繞組中沒有對應(yīng)的沖擊電流與此相平衡,因此低壓繞組中的沖擊電流全部成為勵磁電流,產(chǎn)生很大的零序磁通,在變壓器高壓側(cè)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓,該感應(yīng)電壓沿著繞組分布,在高壓側(cè)中性點處電位最高,因此中性點絕緣最容易被擊穿。同時,層間和匝間的電位梯度也相應(yīng)提高,可能在其他部位發(fā)生層間或匝間的絕緣擊穿。這種過電壓先由高壓側(cè)雷電波引起,再由低壓繞組感應(yīng)至高壓繞組,通常稱為逆變換過電壓,其幅值取決于雷電波電流的幅值、波長、接地電阻以及變壓器的變壓比等因素。

當(dāng)雷電波由低壓線路侵入時,配電變壓器低壓繞組中有沖擊電流流過,該沖擊電流也同樣按匝數(shù)比在高壓繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,使高壓側(cè)中性點電位大大提高,層間和匝間的電位梯度相應(yīng)增加。這種由低壓側(cè)雷電波在高壓側(cè)感應(yīng)出過電壓的過程,通常稱為正變換過電壓。

根據(jù)理論分析和雷電擊壞Y,yn0變壓器的解體分析,可知Y,yn0變壓器的主要威脅來自正、逆變換所引起的過電壓。正變換過電壓和逆變換過電壓均是由于低壓繞組中有雷電流流過,并在高壓繞組中感應(yīng)出高電壓而擊壞變壓器。由此可知,Y,yn0接線變壓器抵御雷電過電壓的能力較差。

2.2.2 D,yn11聯(lián)接組配電變壓器

D,yn11接線的配電變壓器由于高壓側(cè)采用三角形接線,所以雷電流可以在“D”接線的高壓繞組的閉合回路內(nèi)流通,雷電流在每個鐵心柱上的總磁勢幾乎為0,消除正、逆變換過電壓。因此,D,yn11接線配電變壓器的耐雷性能較好。

2.2.3 Y,zn11聯(lián)接組配電變壓器

Y,zn11接線的配電變壓器把每相低壓繞組分成匝數(shù)相等的兩個“半繞組”,分別繞在不同相的鐵心柱上,把一個鐵心柱上的上部“半繞組”與另一個鐵心柱上的下部“半繞組”進行反向串接形成相繞組。當(dāng)?shù)蛪簜?cè)落雷時,雷電流同時通過三相繞組經(jīng)接地裝置入地。此時,每個鐵心柱上的兩個“半繞組”產(chǎn)生的零序磁通大小相等、方向相反,鐵心柱中零序總磁通為0。當(dāng)高壓側(cè)落雷時,避雷器動作,壓降作用在低壓繞組的中性點上,低壓繞組有雷電流通過,在此情況下鐵心中的零序總磁通仍為0,所不同的只是雷電流在低壓繞組的流動方向與低壓側(cè)雷電波相反,因此可防止逆變換過電壓。

3 結(jié) 語

從上述分析可知,Y,zn11聯(lián)接組配變作為路燈專用變壓器從技術(shù)層面來說更加適用,但是造價略高。如果考慮經(jīng)濟因素,D,yn11聯(lián)接組配變也是不錯的選擇。

最終通過比選,此次改造中選擇Y,zn11聯(lián)接組配變作為路燈專用變壓器。改造項目至今已完成4年多,運行情況良好,取得很好的社會效益。

[1]供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范:GB50052—2009[S].

[2]潘再平,章瑋.電機學(xué)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2008.

[3]吳克勤.變壓器極性與接線組別[M].北京:中國電力出版社,2006.