變壓器中性點過電壓一次保護與二次保護分析

曹樹江，趙春雷，陳春鷹，蘇紅梅

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.河北省電力研究院，石家莊 050021)

近年來，由于線路單相接地、系統非全相運行等故障，引起中性點間隙異常擊穿和短時過電壓，導致變壓器跳閘、停電的事件時有發生。為了防范該類故障，不僅應解決變壓器中性點間隙異常擊穿的問題，而且應從變壓器中性點二次保護方面采取補救措施。

1 中性點過電壓的保護措施

在110 kV、220 kV變電站中，為限制單相接地短路電流，滿足零序電流保護整定配置的需要，部分變壓器采用中性點不接地的運行方式。在該運行方式下，雷擊、單相接地短路等故障可能會造成變壓器中性點過電壓，對中性點的絕緣造成威脅，需要對其引入保護設備，防止變壓器絕緣故障的發生。

對變壓器中性點的過電壓保護，應根據具體情況選擇合理的保護方式，而且應與二次保護設備相互配合。通常，中性點保護包括一次過電壓保護和二次繼電保護，其中，一次過電壓保護分為避雷器保護、間隙保護、避雷器與間隙聯合保護；二次繼電保護分為母線3U0過電壓、間隙零序過電流、直接接地零序過電流保護。變壓器中性點直接接地運行時，零序電流保護起作用。變壓器中性點不接地運行時，在大氣過電壓或系統接地故障瞬態過電壓時，避雷器動作，棒間隙不應擊穿；在系統故障引起工頻過電壓時，棒間隙放電，同時間隙零序電流保護動作切除變壓器，間隙過電壓保護作為后備保護。

2 中性點工頻過電壓的計算分析[1]

2.1 單相接地故障

根據節點電壓法和電力系統故障分析的等值序網絡理論，單相接地故障時，非接地運行變壓器中性點對地電壓即為所在母線的零序電壓，而且故障點處的零序電壓最高。因此，在變電站母線處接地故障時，變壓器中性點工頻過電壓UG最高，其值為：

(1)

2.2 系統非全相運行

斷路器非全相分合閘，造成中性點過電壓，當系統一相開關合上或處于分位的斷路器一相斷口擊穿時，變壓器中性點工頻過電壓UG的數值近似為相電壓：

UG≈Ue

(2)

系統單相運行相當于變壓器電感與線路線間電容并聯后再與線地間零序電容構成回路，如果參數匹配就會產生鐵磁諧振，在中性點上產生較高過電壓。如果是雙電源而且2個電源的電壓反相，則中性點的電壓為2倍相電壓，此為小概率事件。幾種情況下變壓器中性點工頻過電壓值，見表1。

表1 變壓器中性點工頻過電壓 kV

主變壓器電壓等級中性點工頻過電壓值有效接地系統單相接地故障局部不接地系統單相接地單電源非全相雙電源非全相11040737314622080146146292

3 中性點間隙異常擊穿典型實例分析

由于存在變壓器中性點間隙一次保護與避雷器動作特性配合困難等技術局限性，以及電網負荷固有反饋效應的影響，在一次系統故障時，變壓器中性點間隙異常擊穿、短時工頻過電壓的情況偶有發生。第1種情況是接地故障中220 kV或者110 kV變壓器中性點間隙異常擊穿；第2種情況是110 kV系統發生接地故障，系統側跳開后，負荷側反饋效應形成110 kV變壓器中性點短時工頻過電壓。這2種情況將分別造成中性點不接地運行變壓器的間隙過電流、過電壓保護動作，變壓器不必要跳閘，甚至負荷損失，可能使系統零序后備誤動作。

2002年5月11日，某電廠帶電誤掛地線，造成110 kV 1號母線故障跳閘，同時，3座變電站6臺110 kV變壓器中性點間隙誤擊穿，1條線路零序保護誤動作。利用式(1)進行計算，可得故障時110 kV母線接地系數k=X0/X1=3.52，變壓器110 kV中性點工頻過電壓為40.5 kV，小于變壓器中性點間隙115 mm的工頻擊穿電壓52～53 kV。2009年8月27日，某220 kV變電站雙回線相繼故障，3號變壓器高壓側中性點間隙誤擊穿，間隙過流保護動作，跳開變壓器三側斷路器。利用式(1)進行計算，可得故障時220 kV母線接地系數k=X0/X1=1.87，變壓器220 kV中性點工頻過電壓為64.2 kV，小于變壓器中性點間隙300 mm的工頻擊穿電壓117.1 kV。以上2起變壓器中性點間隙誤擊穿事件中，中性點工頻電壓均未達到間隙的工頻電壓擊穿數值，均屬第1種異常擊穿情況。

電廠故障中，其中一座變電站變壓器中性點間隙的負極性50%雷電放電電壓U50%為108 kV、避雷器的U50%為128 kV，在估算出的122 kV暫態電壓作用下，避雷器不動作而間隙擊穿放電，因此可確定所選避雷器的U50%=128 kV，電壓過高與間隙參數不匹配；另一座變電站變壓器中性點間隙的U50%為97 kV，避雷器的U1 mA不小于103 kV，在122 kV電壓作用下，變壓器中性點間隙先擊穿放電而避雷器由于U1 mA過高不動作；還有一座變電站變壓器中性點間隙整定距離過小。幾種情況均屬于暫態電壓波造成的間隙誤擊穿。

變電站故障中，存在線路遭遇雷電波沿導線侵入變電站，變壓器繞組在沖擊電壓作用下產生過電壓(主要是由繞組內部的自由振蕩過程和繞組之間的靜電或電磁感應過程所引起)，導致3號變壓器高壓側中性點電壓超過避雷器放電電壓，在避雷器動作過程中，避雷器兩端殘壓超過間隙擊穿電壓。

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線路接地故障或者雷擊線路造成變電站變壓器中性點間隙誤擊穿的情況在其它電網也有發生。末端變電站發生間隙誤擊穿的概率相對較大，與雷電波和暫態電壓波不能被分流、反射波幅值較大有關。

4 中性點間隙繼電保護動作時限調整策略

從電網運行實踐看，系統發生接地故障時，變壓器中性點間隙異常擊穿，以及負荷側反饋造成的變壓器中性點短時工頻過電壓無法徹底避免。在保證變壓器中性點工頻過電壓絕緣安全和過電流熱穩定安全的前提下，有必要在二次保護方面采取補救措施，適當延長間隙過電流保護動作時限，解決變壓器不必要跳閘的問題。間隙過電壓保護通過母線零序電壓間接反映不接地變壓器中性點的工頻穩態電壓，不受中性點暫態過電壓和間隙誤擊穿的影響，動作時限不需要進行調整。

4.1 現行中性點間隙繼電保護整定原則

中性點間隙保護的動作時限不需要與系統其它保護配合。過電壓保護的時限是為了躲過接地故障暫態過程的影響，間隙過電流保護動作后，則希望盡快地將間隙擊穿的變壓器從系統中切除。

中性點不直接接地的220 kV變壓器，將其中性點間隙零序電流保護的啟動電流整定為間隙擊穿時有足夠的靈敏度，一次電流一般取100～120 A，保護動作后延時0.3～0.5 s跳開變壓器各側斷路器；中性點經放電間隙接地的220 kV變壓器的零序電壓保護，其3U0定值(3U0額定值為300 V )一般整定為180 V，0.5 s。

變壓器110 kV中性點間隙零序電流保護的一次電流定值一般整定為40～100 A，保護動作后延時0.5 s跳開變壓器各側斷路器；零序電壓保護，其3U0定值(3U0額定值為300 V )一般整定為150～180 V，保護動作后延時0.3～ 0.5 s跳開變壓器各側斷路器。低壓側有小電源并網的變電站，0.2 s跳開并網電源線路，0.5 s跳開變壓器。

國家電網公司企業標準Q/GDW 175-2008《變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范》中220 kV變壓器零序電壓保護的零序電壓定值3U0定值固定為180 V，時間固定為0.5 s，間隙電流保護的電流定值固定為一次電流100 A。

4.2 220 kV變壓器間隙繼電保護動作時限

將變壓器220 kV、110 kV側中性點間隙過電流保護時限延長至1.5 s，考慮到220 kV線路單相故障兩側斷路器單相跳開、非全相運行期間，負荷性的零序電流可能繼續維持變壓器中性點間隙擊穿狀態，該時限應躲過220 kV線路單相重合閘時間(0.8 s)。間隙過壓保護仍然取0.5 s。

4.3 110 kV變壓器間隙繼電保護動作時限

a. 中低壓側沒有電源上網的系統。間隙零序電流保護動作時間整定為1.5 s，具體動作時間可按照該變電站110 kV線路上一級接地故障保護二段(末端有靈敏度段)保護動作時間，并留有一定裕度進行整定；間隙過壓保護動作后延時1.5 s，該時限考慮了負荷反饋效應衰減、短時過壓返回的可能性。相應供電線路保護重合閘時間應大于該動作時限，可取2.0 s。

b. 中壓或低壓側有電源上網的系統。間隙零序電流保護延時0.2 s跳開中低壓并網電源線，延時1.5 s跳開變壓器各側斷路器；零序過壓保護0.2 s跳并網電源線路，1.5 s跳開變壓器各側斷路器。

4.4 調整變壓器間隙保護時限的范圍

由于變壓器中性點間隙異常擊穿和短時工頻過電壓情況不具有普遍性，延長間隙保護動作時限的措施考慮在發生過間隙異常擊穿或發生過短時過電壓的變壓器，以及經過分析存在誤間隙擊穿風險的變壓器上實施。如，220 kV母線接地系數大于2.0，可能形成末端的220 kV變電站；110 kV接地系數大于2.5的110 kV變電站。如果考慮不穩定擊穿的情況，由于間隙零序過電流和間隙零序過電壓將交替出現，則間隙保護需要采用間隙零序過電流與間隙零序過電壓元件動作后相互保持的方式，間隙過電壓保護則需要按照間隙過電流的時限整定。

4.5 延長間隙零序電流保護動作時限的影響

a. 對變壓器熱穩定的影響。對于220 kV變壓器，間隙過電流保護的動作時限由0.5 s延長至1.5 s，如果間隙在單相接地瞬間擊穿，由于線路全線速動保護動作，故障切除前，在穩態電壓下將維持較大工頻續流約3個周波左右，故障切除后，變壓器的零序電流與負荷電流相當。延長間隙保護動作時限，將增加變壓器承受線路重合閘周期內(0.8 s)負荷性零序電流和重合到永久故障的短時(3個周波左右)故障零序電流的沖擊。變壓器對稱短路時的熱穩定時間指標為2 s，因此間隙過流保護動作時限為1.5 s時，短時零序電流對變壓器熱穩定的影響沒有超限。

b. 對變壓器中性點間隙重復擊穿的影響。中性點間隙擊穿后，可能由于非全相運行期間負荷性的零序電流不能維持間隙電流而熄弧，也可能重復擊穿。但重復擊穿一般發生在中性點工頻過電壓作用下，單相接地故障切除后非全相運行時中性點工頻僅為1/3相電壓，并且間隙保護動作時間延長有限，不太可能顯著增大間隙重復擊穿的發生概率。

c. 對變壓器中性點絕緣的影響。即使考慮上述間隙不穩定擊穿的情況，間隙過壓保護如上所述按照間隙過電流的時限整定，結果是中性點穩態過電壓而間隙又不擊穿時，變壓器中性點承受過電壓的時間由原來的0.5 s延長至1.5 s，而變壓器及中性點工頻耐受電壓時間指標為1 min，延時增加1 s對絕緣的影響可以忽略。

5 結論

a. 河北省南部電網變壓器中性點運行方式選擇合理，接地系數滿足大電流接地系統的規定，工頻穩態過電壓水平沒有超過現有變壓器間隙的承受能力。

b. 間隙誤擊穿是由于暫態電壓波或者雷電波的作用下間隙與避雷器動作特性配合困難所致。

c. 由于變壓器中性點一次保護方面存在局限性，以及負荷反饋形成變壓器中性點短時過電壓的存在，可以通過延長間隙過電流保護動作的動作時限，解決變壓器不必要跳閘的問題。

參考文獻：

[1] 秦家遠，阮江軍. 變壓器中性點過電壓保護綜述[J]，華中電力，2006，19(1)：17-20.