中性點不接地變壓器的過電壓保護探討

楊 萍，陳 鵬，陸彥虎，杜 伊

（超高壓分公司，寧夏 銀川 750011）

1 引言

110kV及以下電壓等級的變壓器一般為中性點不接地運行方式。在變壓器運行過程中，經常會遇到過電壓的侵害，如：當分、合閘空載變壓器時，變壓器將會產生操作過電壓；當變壓器發生單相接地、斷線故障時，變壓器將會產生弧光接地過電壓。系統過電壓時，如果變壓器不接地運行，變壓器所承受的相電壓將會上升，很有可能影響變壓器的絕緣安全，輕則損壞設備，造成停電事故，重則危及人身和電網安全。因此，本文詳細闡述了不接地變壓器過電壓形成的機理及其特性，重點分析了過電壓保護的配置及各類保護的優缺點，提出了不接地變壓器過電壓保護的合理選擇以及保護的改進措施，保證了此類變壓器安全、穩定、持續運行。

2 66kV及以下不接地變壓器內部過電壓形成機理及防范措施

2.1 66kV及以下電壓等級變壓器過電壓形成機理及危害

由于電壓等級低，變壓器絕緣上所增加的投資也不大，我國66kV及以下電壓等級的變壓器都采用中性點不接地或經消弧線圈接地方式。

2.1.1 單相接地時66kV及以下電壓等級不接地變壓器電流電壓分析

單相接地時電網的主要故障形式，約占60%以上。在中性點不接地的系統內，發生穩定性單相接地時，故障并不改變變壓器三相繞組間電壓的對稱性，即線電壓之間的關系不變，單相接地同時會使健全相電壓上升到線電壓，此時變壓器的絕緣水平還在承受范圍之內。而且，由于接地的故障電流不大，因而不需立即切除故障線路，允許在2h內可以繼續向用戶供電，以便值班人員借助接地信號來查明故障進行處理，從而提高了供電可靠性。

2.1.2 弧光過電壓的產生及危害

在單相接地故障中，絕大部分電弧不穩定，處于時燃時滅的狀態，這種間歇性電弧導致電感電容元件之間的電磁振蕩，形成遍及全系統的過電壓，這就是間歇性電弧接地過電壓，也稱弧光接地過電壓。如圖1所示為中性點不接地系統發生單相接地故障時的等值電路圖。

圖1中C1、C2、C3分別為各相導線的對地電容，設C=C1=C2=C3，則正常情況下中性點電位為零，即UN=0。當A相發生接地故障時，中性點電位升至相電壓，即UN=-UA，健全相導線對地電位升為線電壓UBA、UCA，I2、I3中的電流分別領先 UBA、UCA90°，其絕對值為：

圖1 單相接地接線圖及相量圖

故障電流為：

式（1）表明，單相接地時流過故障點的電容電流Id與線路對地電容及額定電壓成正比。是否在單相接地時產生間隙電弧，與系統單相接地電流大小直接相關。若系統較小，線路又不長，其單相接地電容電流也小，一些暫時性單相弧光接地電流，故障過后，電弧可自動熄滅，系統很快恢復正常。隨著電壓的提高和系統的發展，單相接地電流會成比例增長。運行經驗表明，10-35kV電容電流超過10A時，此時電弧將難以熄滅。

2.2 防止弧光接地過電壓所采取的措施

防止弧光接地過電壓的根本途徑是消除間隙電弧。為此，根據實際運行情況可采取以下措施。

（1）系統中性點經消弧線圈接地。消弧線圈實際上是一個具有帶氣隙鐵芯的可調電感消弧電抗器。在電網中性點與地之間接入消弧線圈之后，電網發生單相接地電容電流將會得到有效補償。如能使故障點的殘余電流減至10A以下，就可促使接地電弧不易重燃，減小弧光接地過電壓出現的概率。

（2）在中性點不接地系統中，若線路過長，當運行條件許可，可采用分網運行方式，減小電容電流，有利接地電弧的自熄。

（3）在實際系統中，為提高功率因數而裝設星形連接的電容器組，則相當于加大了相間電容，一般不會產生嚴重的弧光接地過電壓。

3 110kV不接地變壓器內部過電壓形成機理及保護防范措施

為了限制短路電流，在110kV有效接地系統中通常也有許多110kV變壓器采取不接地運行方式。

3.1 110kV及以下不接地變壓器內部過電壓形成機理及危害

（1）雷電沖擊波侵入變壓器時，造成變壓器中性點電位升高的雷電過電壓。

（2）斷路器非全相分合閘造成的變壓器不接地中性點出現的過電壓，如果兩側都有電源，由于兩端電源不同步，中性點電壓可高達2倍相電壓。

（3）由于繼保誤動或人員誤操作，使系統形成一個帶單相接地的中性點不接地系統，出現變壓器中性點的穩定電壓升高至相電壓。當系統失去直接接地中性點，而又發生單相接地時，此時TV開口三角形繞組出現的電壓（TV不飽和時）3U0=300V，但實際上當3U0=200V時TV已開始飽和（電磁型TV測量回路的伏安特性，根據實測為：TV二次繞組加電壓70V時，繞組勵磁電流為20A，即飽和電壓約為70V）。所以系統失去直接接地的中性點，而又發生單相接地時，TV開口三角形繞組飽和電壓約為3U0=210V。

（4）正常網絡發生單相接地故障時，在斷路器跳開單相接地故障前，此時變壓器中性點的過電壓值的大小與K=X0/X1有關，其中：X0為零序阻抗；X1為正序阻抗。由于電網各處X0/X1不易準確提供，且有效接地系統網絡一般K≤3，當K=3時的過電壓最嚴重，因此為了簡化計算，按K=3取值，而中性點不接地系統時取系數K=∞單相接地故障時，中性點穩態電壓U0=UphK（/K+Z），中性點暫態電壓為=1.8，糾結式繞組r=1.5。如表1所示為單相接地時110kV變壓器穩態電壓和暫態電壓的計算值。

表1 110kV變壓器中性點過電壓計算值

由表1可知，發生單相接地故障時，110kV變壓器零序電壓很高，必須采取一定的保護措施來解決系統過電壓的問題，

3.2 110kV變壓器過電壓保護的分類及優缺點

不接地變壓器中性點可能受到雷電、操作及工頻等各種過電壓作用，因110kV變壓器通常為分級絕緣結構，中性點絕緣比較薄弱，所以在變壓器中性點上裝有避雷器，或中性點上裝有間隙棒。目前，中性點過電壓保護主要采用有間隙保護、避雷器保護。

3.2.1 間隙保護的優缺點

間隙保護的優點是結構簡單可靠、運行維護量小。在工頻、操作和雷電過電壓下都可能對變壓器進行保護。

間隙保護的缺點是在三種過電壓這樣大范圍保護配合參數確定較困難，放電分散性大，保護特性一般，工頻續流較大，滅弧能力較差，而且間隙動作會產生載波，對變壓器本身絕緣也不利。在實際運行中常發生間隙放電現象，因線路遭受雷擊導致系統瞬時單相接地時，110kV變壓器中性點保護間隙擊穿多次造成繼電保護誤動。具體系統如圖2所示。

圖2 110kV變壓器典型主接線圖

該站為有兩臺110kV不接地變壓器，有110kV兩路主電源A和B線。當時運行方式為#1主變和#2主變并列運行，電源線A供電，電源線B熱備，#1和#2主變均裝設了間隙電流保護。某日，110kV電源線A的C相瞬時接地短路，電源線A零序電流II段保護動作，經0.3s跳閘，同時#1和#2主變均間隙被擊穿，間隙電流保護動作，也經0.3s跳兩臺主變三側開關。雖然電源線A故障跳閘后，經1s重合成功，但此時變電站已全所失壓。由此次事故過程分析可以看出，由于常規按整定設計規程，間隙電流一次動作值取100A，0.3s，與上一級線路零序電流二段整定時間相同，應此在有效接地方式下發生單相接地短路時，變壓器間隙電流保護動作時間躲不過上一級線路后備保護動作時間，而造成誤動。結果延長了停電時間，極大地影響了供電可靠性。

3.2.2 避雷器保護的優缺點

避雷器保護的優點是伏秒特性平坦，放電分散性小，保護特性優良，切斷工頻續流能力強，對主變壓器沖擊小。

避雷器保護的缺點是不能防護工頻過電壓，而且在較高工頻過電壓下自身需防護，自身存在故障危險。特別是當發生非全相運行或轉為帶單相接地的中性點不接地系統時，由于變壓器中性點穩態電壓升高，可能使閥型避雷器破壞，甚至引起爆炸。

3.3 110kV不接地變壓器過電壓保護的合理選擇及間隙保護的改進措施

通過分析避雷器和間隙保護的特性，可知兩種保護各有其優勢和劣勢。針對變壓器各種過電壓的形成機理，可將避雷器和間隙保護作如下合理配置，同時，為了防止變壓器間隙保護誤動，也提出相應的保護完善措施。

3.3.1 110kV變壓器電壓保護設備的合理選擇

防護非全相運行及系統轉為帶單相接地的中性點不接地系統能可靠動作，而在雷電過電壓下不動作必須選用間隙；只防護雷電過電壓，并對正常網絡發生單相接地時變壓器中性點出現的暫態過電壓進行阻尼，以保證間隙不會誤動則可選擇氧化鋅避雷器；需同時防護雷電、工頻和操作過電壓時可采用間隙或避雷器和間隙并聯的保護方式，在工頻過電壓下，間隙并聯避雷器中間隙既保護變壓器中性點，又保護避雷器。

3.3.2 防止變壓器間隙保護誤動所采取的改進措施

針對間隙擊穿時變壓器間隙零流保護誤動，可將變壓器間隙電流保護作如下整定配合改進：將變壓器間隙零序電流保護時間延長，和上級電源線零序II段時間配合，使變壓器變壓器間隙零序電流保護時間比上級電源線零序II段時間延長0.3s，這樣當變壓器間隙擊穿時，可以讓變壓器上級電源線零序電流保護先于變壓器間隙零流保護動作，切除故障，然后上級電源線可通過重合閘恢復供電，保證了變壓器的持續供電。

4 結束語

本文以內部過電壓相關的標準、規定為依據，借鑒現場實際運行經驗，詳細闡述了變壓器內部過電壓形成的機理、危害及其特點，通過仔細分析110kV及以下電壓等級不接地變壓器過電壓保護的原理及優缺點，提出了變壓器過電壓保護的合理配置及保護的改進措施，保證了變壓器的安全、穩定、持續運行。

［1］崔家佩等.電力系統繼電保護與安全自動裝置整定計算［M］.北京:中國電力出版社，1993.

［2］電力系統繼電保護規定匯編［M］.北京:中國電力出版社，1997.

［3］電力系統繼電保護實用技術問答［M］.北京:中國電力出版社，1997.

［4］大型發電機組繼電保護整定計算與運行技術［M］.北京:中國電力出版社,2005.