接地變壓器會在沒有中性點的電力系統中，例如三角網路，創造一個中性點。它允許故障電流安全流動，提升電壓穩定性，並幫助保護繼電器正常運作。本文以清晰詳盡的章節解釋其種類、接地模式、尺寸、設計、安裝、優點等。
接地變壓器概述
接地變壓器，也稱為接地變壓器，是一種用於電力系統中與接地連接的裝置。有些電氣系統，如三角連接系統，沒有直接通往接地的路徑。這會造成問題，因為當故障發生時，難以偵測故障或維持電壓穩定。接地變壓器透過製造中性點來幫助。這個中性點在故障時讓電流安全流向接地。它也有助於系統在負載不均時保持平衡。變壓器在確保系統安全且正常運作中扮演基本角色。它也有助於防護裝備快速發現並阻止問題，從而防止損害並維持系統順暢運作。
接地變壓器繞組類型
之字形繞線
之字形繞組將每相分成兩半，兩半以相反方向連接以抵消相電流。這種配置能創造穩定的中性點，有助於抑制諧波，且不會改變電壓水平。它最適合需要有效接地但不需電壓轉換的系統。用於變電站和再生能源系統。
三角洲-懷伊配置
在此配置中，初級以三角形連接，次級以接地的三角線連接。它提供了一種簡單的方法，可以在沒有中性線的系統中創造中性線。此設計具成本效益，並支援中等故障電流水平。它被用於鄉村或小型電力網絡。
Wye-Wye 配置
此處初級與次級繞組皆以星形連接，接地則在次中性線完成。此方法僅適用於已有中性線的情況下。它最適合作為系統維護或備用時的輔助或臨時接地選項。
接地變壓器系統接地模式
穩固接地
實心接地直接將接地變壓器的中性線連接到大地。此配置允許在線對地故障期間產生高故障電流。它支援快速故障偵測與清除。這種方法常見於需要速度的低阻抗系統，但可能導致較高的設備壓力。
電阻接地
電阻接地是在中性線和地線之間放置一個電阻。它將故障電流限制在較安全的水平，減少設備損壞並降低電弧閃光風險。此方法適用於偏好受控故障能量以確保安全與穩定性的系統。
電抗接地
電抗接地是在中性線與地線之間使用電感。它控制故障峰值電流，並協助管理瞬態過電壓。雖然較少見，但用於需要受控阻抗和更平滑故障響應的系統。
接地變壓器尺寸與額定
| 參數 | 說明 |
|---|---|
| 連續kVA等級 | 額定為正常負載，接地負載通常非常低或可忽略不計。 |
| 短時間kVA評分 | 定義變壓器在短時間內（通常為10秒）攜帶高接地故障電流的能力。 |
| 零序列阻抗 | 設定阻抗以控制接地故障電流大小，並確保與保護裝置的協調。 |
| 中性線接地電阻 | 安裝後，此電阻可限制故障電流，並降低系統元件的熱與機械應力。 |
接地變壓器設計與性能
• 零序阻抗被仔細設定，以控制接地故障電流並確保繼電器協調良好。
• 三重諧波抑制本質上是透過之字形繞組實現的，這些繞組能抵消第三諧波電流並提升波形品質。
• 核心飽和裕度必須足夠高，以承受不平衡故障且不會過熱或磁場失真。
• 絕緣等級應符合全相位對地電壓水平，以確保故障時的介電安全。
• 熱限值適用於短時間故障，通常在全零序電流下持續5至10秒。
• 短路機械強度必須足以承受突發浪湧，因此需要堅固的繞組支撐、支撐及夾持系統。
接地變壓器系統中的保護與協調
保護設定
CT會安裝在中性線或接地變壓器的次級繞組內。這些裝置在故障狀態下監測接地回流電流（I₀）。
所使用的繼電器類型
• 50G - 瞬間接地故障繼電器，偵測到接地電流突然激增即立即跳脫。
• 51N - 逆時間地故障繼電器，根據故障電流的大小與持續時間做出反應。
接力協調指導方針
• 拾音器設定：繼電器必須設定在預期的零序列電流範圍內跳脫，通常介於100 A至400 A之間，視系統大小與接地阻抗而定。
• 時間延遲設定：這些設定會經過仔細調整，以確保繼電器與上行或下行裝置協調運作，避免誤跳並維持系統選擇性。
接地變壓器的安裝考量
分配
接地變壓器應安裝在系統的電氣中心附近。這種位置有助於均勻分布接地故障電流，並在故障時保持電壓不平衡最小。
冷卻型
為了獲得較高功率，油浸接地變壓器因其散熱效果更佳，首選採用油浸接地變壓器。乾式機型適合室內或空間有限、油類使用受限的環境。
接地連接
變壓器的中性線必須與變電站的主接地網牢固接地。這確保了低阻抗的回流路徑，並維持系統整體接地的穩定潛力。
地震與振動穩定性
在地震多發或高震動環境下，變壓器必須以適當的安裝硬體固定。這可防止移動、錯位或機械故障。
安全標誌
應安裝清晰的標籤和警告標誌，以標示接地端子和高壓區域。這有助於防止意外接觸，並支持例行檢查的安全。
監測與檢測
定期監測非常重要。使用紅外線熱成像儀檢查是否過熱及接地連續性測試器，以確認中性線與接地線的連接在時間內保持完整。
接地變壓器的應用
變電站
接地變壓器廣泛用於電力變電站，以提供穩定的中性點以接地。它們協助管理三角形連接或非接地系統中的接地故障，並提升整體故障偵測與保護協調。
再生能源系統
在風力發電場和太陽能發電廠中，接地變壓器確保逆變器和集電系統的正確接地。它們允許有效的故障電流路徑，並在負載不平衡或故障狀態下維持電壓穩定。
工業廠房
重工業設施通常運作隔離或三角系統，接地變壓器提供參考接地。這有助於減少因接地故障造成的停機時間，並保護敏感的電氣設備免受電壓突波影響。
採礦作業
偏遠採礦場使用接地變壓器安全管理無接地配電系統中的故障電流。他們也支援設備接地及危險環境中電氣安全標準的合規。
海上平台
離岸油氣平台利用接地變壓器來穩定浮動電力系統。它們在緊湊且符合海洋防護的外殼中，為故障保護提供中性點。
備用與緊急系統
在備用發電機和備用電力系統中，接地變壓器在源頭為三角態配置時提供接地。即使與主電網隔離，也能提供接地故障保護。
使用接地變壓器的優點
中立點的創造
接地變壓器在缺乏中性線的系統中，如三角形連接或無接地配置中，提供穩定的中性線。這有助於正確的接地與故障偵測。
接地故障保護
它們允許接地故障沿著特定路徑返回，使保護繼電器能快速偵測並隔離故障。這提升了系統的安全性與可靠性。
電壓穩定
在負載不平衡或故障時，接地變壓器有助於穩定線路對地電壓，減輕設備壓力並減少電壓擺動。
和聲抑制
之字形接地變壓器可抵消零序電流，有助於減少三重諧波並提升敏感環境下的電力品質。
設備保護
透過限制過電壓並安全地導向故障電流，接地變壓器有助於保護電纜、開關設備及連接負載免受損害。
接地變壓器故障與故障排除技巧
| 問題 | 可能原因 | 建議行動 |
|---|---|---|
| 變壓器過熱 | 故障持續時間超過設計限制 | 檢查故障保護定時與變壓器額定值 |
| 繼電器無法偵測故障 | CT 極性反轉或繼電器設定錯誤 | 檢查CT接線並調整繼電器配置 |
| 中性線無電流 | 中性線與接地線脫落或斷裂 | 檢查接地路徑、端子和接地耳 |
| 嗡嗡聲或震動 | 磁通不平衡 | 重新檢查相位繞組連接的正確性 |
| 諧波加熱 | 非之字形繞組中的三重諧波 | 安裝諧波濾波器或使用之字形設計 |
接地變壓器與其他接地方法
| 方法 | 優點 | 限制 |
|---|---|---|
| 接地變壓器 | 建立中性點，實現接地故障保護，抑制諧波（zig-zag 類型） | 更高的安裝成本與空間需求 |
| 中性接地電阻（NGR） | 將故障電流限制在安全範圍內，降低電弧閃光能量 | 需要主變壓器 |
| 電抗接地 | 控制峰值瞬態電流，增加阻抗以降低故障嚴重性 | 安裝笨重，定位地線故障的精確度較低 |
| 無接地系統 | 低成本、簡單設定，無需中性點 | 接地故障未被偵測，存在瞬態過壓風險 |
結論
接地變壓器有助於管理接地故障、減少電壓不平衡，並保護沒有內建中性線系統的設備。透過適當的繞組設計、接地方式及繼電器設置，它們能確保穩定且安全運作。它們在許多電力網路中都扮演必要角色，包括變電站、再生能源和工業系統。
常見問題 [常見問題]
接地變壓器能在負載下持續運作嗎？
不。它不是設計來持續負載的。它僅在故障時攜帶電流，正常運作時大多保持無負載狀態。
如果接地變壓器太小怎麼辦？
它可能過熱、無法妥善限制故障電流，或在接地故障時導致繼電器故障。
它是否用於高壓輸電系統？
尠。接地變壓器主要用於中壓系統。高壓網路則使用其他接地方式，例如反應器。
場地條件會影響接地變壓器設計嗎？
是。高度、濕度及地震風險會影響冷卻、隔熱及安裝需求。
接地變壓器可以被遠端監控嗎？
是。現代裝置支援溫度、中性電流及接地連續性的感測器，並連接至 SCADA 或物聯網系統。
你能並聯接地變壓器嗎？
不。除非設計得當，否則因環流電流及協調問題而避免並聯。