什么是接地变压器

接地变压器是一种特殊设计的电力设备，主要用于为中性点不接地的三相系统（如三角形接线系统）提供一个稳定的人为中性点，并通过该点实现可靠接地。其核心功能在于限制系统故障时的过电压，为继电保护装置提供明确的零序电流通路，从而保障电网绝缘安全、抑制电弧接地过电压，并提高供电可靠性与人身安全。在现代电力系统中，它对于维持系统稳定运行至关重要。

       在错综复杂的电力网络中，维持系统稳定与安全是永恒的主题。您或许熟悉常见的配电变压器，但有一种特殊设备，它虽不直接参与电能的远距离传输或大幅改变电压等级，却在保障电网“心脏”平稳跳动方面扮演着不可或缺的角色——它就是接地变压器。今天，我们将深入探讨这一关键设备，揭开其工作原理、核心类型、应用场景及设计要点，助您全面理解其在现代电力系统中的基石作用。

       一、接地变压器的基本定义与核心使命

       接地变压器，常被称为中性点接地变压器，其根本使命是为那些本身没有物理中性点的三相供电系统（例如采用三角形接线的发电机或变压器绕组），构造一个可供接地的“虚拟”中性点。想象一下，一个只有三条边的三角形结构，我们需要在其中找到一个平衡的“中心点”，接地变压器便通过其独特的电磁感应原理实现了这一目标。当系统发生单相接地故障时，这个人为中性点为故障电流提供了低阻抗的流通路径，从而有效限制中性点电位漂移，将系统可能出现的危险过电压抑制在安全范围内。根据国家能源局发布的《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》等相关技术标准，在特定电压等级的电网中采用中性点经接地变压器接地，是一项重要的过电压防护措施。

       二、为何需要接地变压器：三角形接线系统的困境

       许多发电机和变压器的高压侧绕组采用三角形接线。这种接线方式优点显著，例如天然消除了三次谐波，但其最大缺陷在于没有可供直接引出的中性点。在无中性点接地的系统中，若发生单相接地，故障点仅流过数值不大的电容电流，系统线电压仍保持对称，理论上可继续短时运行。然而，这背后隐藏着巨大风险：间歇性电弧接地可能引发高达3.5倍相电压的弧光过电压，并可能在健全相上累积，严重威胁全系统电气设备的绝缘寿命。接地变压器的引入，正是为了从根本上化解这一困境，为故障电流提供一个可控的宣泄通道。

       三、曲折形接线的原理剖析

       最常见的接地变压器采用曲折形接线，也称“之”字形接线。它将每相铁芯柱上的绕组分为两半，分别绕在相邻的不同铁芯柱上。具体而言，一相绕组的上一半与另一相绕组的下一半反向串联，形成一条曲折路径。这种精巧设计的妙处在于：在对称三相电压下，三相磁动势矢量和为零，铁芯中的总磁通近乎为零，因此其正常运行时阻抗很大，仅流过极小的励磁电流，能耗极低。一旦发生单相接地故障，三相电压变得不对称，零序电流便能在各相绕组中顺畅流通，此时呈现出很小的零序阻抗，为故障电流提供了理想通路。这种“正常时高阻抗、故障时低阻抗”的特性，是其作为理想接地装置的核心。

       四、星形-三角形接线方案解析

       另一种常见的结构是带有三角形连接二次绕组的星形接线接地变压器。其一次侧绕组接成星形，中性点直接引出用于接地；二次侧则接成三角形闭口绕组。在正常运行状态下，三角形绕组内可以流通三次谐波电流，从而改善主磁通的波形，降低中性点电位偏移。当系统发生接地故障时，一次侧的零序电流会在二次侧的三角形绕组中感应出环流，此环流对零序磁通产生强烈的去磁作用，从而有效限制了流经接地点的故障电流大小。这种设计允许在二次侧接入一个电阻器，通过调节该电阻值，可以更精确、灵活地控制接地故障电流的幅值，实现所谓的“经小电阻接地”方式。

       五、核心功能之一：限制弧光接地过电压

       如前所述，限制并消除弧光接地过电压是接地变压器的首要功能。在无有效接地的系统中，接地电弧的反复熄灭与重燃会导致电磁能量振荡，产生幅值高、持续时间长的过电压。接地变压器通过提供低阻抗的中性点接地路径，使单相接地故障转变为金属性短路。故障点能够流过数值显著增大的工频电流，这促使线路继电保护装置（如零序电流保护）能够迅速、准确地检测并切断故障线路，从而彻底消除电弧，将非故障相的对地过电压限制在2.8倍相电压以下，有力保护了电缆、电动机等昂贵设备的绝缘。

       六、核心功能之二：为继电保护提供可靠动作依据

       在电力系统保护中，快速、有选择性地隔离故障至关重要。对于中性点绝缘的系统，接地故障电流很小，传统的保护装置难以检测。接地变压器的投入，使得系统在接地时会产生足够大的、特征明显的零序电流。这套零序电流网络为继电保护系统提供了清晰无误的“信号”。保护装置可以据此轻松判别故障相别和故障线路，实现毫秒级的快速跳闸，极大缩短了故障持续时间，减少了设备受损风险和对用户供电的影响。

       七、核心功能之三：降低系统整体绝缘水平要求

       过电压水平的降低带来了直接的经济效益。由于接地变压器将系统可能出现的最大工频过电压和操作过电压限制在较低水平，整个电网中所有电气设备（如变压器、断路器、互感器、避雷器）所需的绝缘耐受强度可以相应降低。这意味着在设计选型时，可以选择绝缘等级更低、制造成本更优的设备。对于大型输变电工程而言，降低绝缘配合水平能节省巨额的一次性投资，其经济效益非常显著。

       八、额定容量与短时过载能力

       接地变压器的设计理念与普通电力变压器有本质区别。它并非为长期连续输送功率而设计，其铭牌上的额定容量通常指在额定电压和额定电流下，允许短时通过的视在功率，这个“短时”通常标准规定为10秒。这是因为系统接地故障期望被快速清除。因此，接地变压器的铁芯和绕组可以按照短时发热条件进行优化设计，体积和材料消耗通常小于同容量长期运行的变压器。在选型时，必须根据系统电容电流计算所需的零序电流，并据此确定其短时额定容量。

       九、零序阻抗的关键参数意义

       零序阻抗是衡量接地变压器性能的核心技术参数，它直接决定了中性点接地电流的大小。一个较低的零序阻抗意味着故障时能提供更大的工频电流，有利于保护动作，但也可能使故障电流过大。因此，零序阻抗的设计需在保护灵敏度与故障电流限制之间取得平衡。工程师需根据系统电压等级、对地电容电流大小以及所采用的接地方式（如直接接地、经电阻接地），来精确计算和选择具有合适零序阻抗的接地变压器。

       十、与消弧线圈的协同工作模式

       在电容电流较大的城市电缆配电网中，常采用“接地变压器兼作消弧线圈”的成套装置。此时，接地变压器不仅提供中性点，其二次侧还接入一个可调电抗器（即消弧线圈）。系统正常时，它作为普通接地变压器；当发生单相接地时，控制器快速调节消弧线圈的电感值，使其产生的感性电流精确补偿接地点的容性电流，从而使接地电弧因电流过零而自然熄灭，实现故障自愈，系统可不停电继续运行。这极大地提高了供电可靠性。

       十一、在风力与光伏发电场中的应用

       随着新能源占比日益提高，接地变压器在风电场和光伏电站升压站中的作用凸显。集电线路多为电缆，对地电容大。若升压站主变高压侧为三角形接线，则必须配置接地变压器以创建系统中性点。这不仅用于故障保护，也是站用辅助电源（通常需380伏三相四线制）获取的必要条件。新能源场站多位于偏远地区，接地变压器的可靠运行对于保障电站安全并网和减少发电损失意义重大。

       十二、在城市中压配电网中的部署策略

       国内10千伏至35千伏配电网广泛采用经小电阻接地方式，接地变压器是此方案的核心设备。通常，在变电站的同一段母线上只安装一台接地变压器，其容量需满足全段母线出线发生单相接地时的电流需求。随着配电网自动化水平提升，接地变压器常与零序电流互感器、智能选线装置联动，构成快速故障定位与隔离系统，成为构建坚强智能配电网的关键环节。

       十三、接地电阻器的选配与计算

       当采用经小电阻接地方式时，接地电阻器与接地变压器串联在中性点回路中。电阻值的选择是一门精密的学问：阻值过小，故障电流过大，可能引起地电位升高和跨步电压风险；阻值过大，则故障电流不足以保证保护可靠动作。计算需综合考虑系统电容电流、保护定值、人身安全电压限值等多种因素。电阻器本身需具备足够的短时热稳定容量和耐高温能力。

       十四、安装、试验与运维要点

       接地变压器的安装需确保其接地引下线具有足够小的接地电阻，通常要求不大于2欧姆。投运前必须进行严格的交接试验，包括绕组直流电阻测量、变比与接线组别校验、绝缘电阻及耐压试验，以及最关键的零序阻抗测量。日常运维中，需定期检查其油位（对于油浸式）、绝缘套管清洁度、连接点有无过热，并定期检测接地回路的连通性。预防性试验应按照《电力设备预防性试验规程》定期开展。

       十五、常见故障类型与诊断

       接地变压器本身故障率较低，但并非免维护。常见故障包括：因长期承受系统不平衡电压导致绕组局部过热绝缘老化；外部短路电流冲击造成绕组变形；密封不良导致油浸式产品受潮；以及连接件松动导致接触电阻增大。诊断方法包括油色谱分析、绕组频率响应分析、红外测温等先进状态检测技术，实现预测性维护。

       十六、未来发展趋势与智能化

       未来，接地变压器正向更集成化、智能化方向发展。例如，将接地变压器、隔离刀闸、电流互感器、在线监测传感器集成在一个紧凑的预制舱内。智能化体现在：内置物联网传感器，实时监测零序电流、中性点电压、绕组温度等关键参数；通过边缘计算单元分析数据，预判绝缘状态；甚至能与调度主站通信，实现接地方式的远程自适应切换，以匹配电网不同的运行方式。

       综上所述，接地变压器虽不像主变压器那样引人注目，但它却是保障电力系统，特别是中压配电网和新能源场站安全、稳定、可靠运行的“幕后功臣”。从限制过电压到确保保护准确动作，从降低绝缘成本到提升供电质量，其价值贯穿于电力系统设计与运行的方方面面。深入理解其原理与应用，对于从事电力设计、运维和管理的专业人员而言，是一项至关重要的基本功。随着电网形态不断演进，接地变压器的技术与应用也必将持续创新，继续守护电网的宁静与光明。