一起330kV變壓器間隙保護動作行為分析

栗 磊

（寧夏電力科學研究院，寧夏 銀川 750002）

1 背景

高電壓等級變壓器由于經濟性考慮一般均系半絕緣變壓器，即位于中性點附近變壓器繞組部分對地絕緣比其他部位弱，中性點不接地時絕緣容易被擊穿，從而損毀變壓器。在電力系統運行中，為保證電網及變電所零序等值網絡基本不變，對變壓器中性點接地運行的數量有規定，因此變電所內變壓器中性點不是全部接地運行。間隙保護的作用就是確保中性點不接地變壓器的安全運行，防止因雷擊及操作過電壓造成變壓器損壞。

2 事故經過

2012年4月11日出現以下故障：①12時29分蓮-徐Ⅱ線B相發生單相接地故障，差動保護動作出口，斷路器單跳單重，#2主變后備保護啟動（間隙零序保護）；②12時47分蓮-徐Ⅱ線A相發生單相接地故障，差動保護動作出口，斷路器單跳單重，#2主變后備保護啟動（間隙零序保護）；③13：03，調度令蓮-徐Ⅱ線轉熱備（斷開3331、3332斷路器），蓮-徐Ⅱ線徐家莊側A相、B相線路PT發生沿面放電，需要停電處理，至此馬蓮臺電廠出力轉至蓮-徐Ⅰ線；④13時04分蓮-徐Ⅰ線B相發生單相接地故障，差動保護動作出口，斷路器單跳單重；13時04分#2發變組間隙零序過流保護動作，#2發電機組跳閘停機；⑤13時10分蓮-徐Ⅰ線A相發生單相接地故障，差動保護動作出口，斷路器單跳單重。

3 事故前運行方式

馬蓮臺電廠兩臺機組正常運行，蓮-徐Ⅰ、Ⅱ線正常運行。#1發電機、啟備變接入第一串（3312、3310、3311斷路器），#2發電機、蓮-徐Ⅰ線接入第二串（3321、3320、3322斷路器），蓮-徐Ⅱ線接入第三串（3331、3332斷路器），#1主變中性點接地刀閘在合位，#2主變中性點接地刀閘在分位。#1機組有功負荷215MW，#2機組有功負荷223MW，蓮-徐Ⅰ線電流320A，有功190MW；蓮-徐Ⅱ線電流323A，有功192MW。馬蓮臺電廠主接線如圖1所示。

圖1 馬蓮臺電廠330k V系統主接線

4 保護動作分析

4.1 線路保護動作分析

蓮-徐Ⅱ線、蓮-徐Ⅰ線累計4次電流差動保護動作出口，斷路器單跳單重，均為線路上有瞬間接地故障，保護動作正確。

4.2 #2主變間隙零序保護動作分析

第①、②次故障時，蓮-徐Ⅰ、Ⅱ線并列運行，蓮-徐Ⅱ線單相接地瞬間，#2主變中性點產生暫態過電壓，一次電壓瞬時值達到204kV，將中性點間隙擊穿，3個周波后線路保護動作將故障切除，系統絕緣恢復，間隙保護雖啟動，間隙電流超過動作定值，但未達到保護動作延時（定值500ms），如圖2、3所示分別為第①、②次故障主變保護錄波圖。

圖2 第①次故障主變保護錄波圖

圖3 第②次故障主變保護錄波圖

第③次故障前，蓮-徐Ⅱ線轉熱備狀態，蓮-徐Ⅰ線發生B相接地故障后，#2主變中性點間隙再次擊穿，3個周波后線路差動保護動作將3322、3320斷路器B相跳開，至此全廠1號、2號機組負荷全部通過蓮-徐Ⅰ線A、C相送至徐家莊變電站，線路在重載狀態下又非全相運行，產生較大的零序電流通過中性點間隙流回大地，使間隙電流保護元件不能返回，間隙沒有熄弧，持續放電時間550ms，達到保護定值動作時間，＃2主變間隙零序過流保護動作。如圖4所示為第③次故障主變保護錄波圖，從圖4可看出故障切除后，主變高壓側中性點間隙零序電流持續存在（二次有效值30A），明顯區別于圖2、3。

圖4 第③次故障主變保護錄波圖

4.3 非全相狀態下零序電流分析

假定系統中某線路A相斷開,斷開前線路A相負荷電流已知為Ifa,斷開后,在斷相處出現一組不對稱的電壓Ua≠0,Ub=Uc=0,線路斷相后的狀態可作為正常負荷狀態與ΔUa作用下的故障量的疊加。以A相為基準相,根據序分量法計算和推導,可得出非全相運行時線路零序電流和負荷電流的關系［2］:

從式（1）可以得出非全相狀態下零序電流的大小與負荷電流成正比關系。為進一步作定量分析，用PSASP電力系統綜合分析程序對不同運行方式下，蓮-徐Ⅰ線非全相狀態時零序電流的大小進行仿真計算，結果如表1、2所示。

表1 蓮-徐Ⅰ、Ⅱ線并列運行

表2 蓮-徐Ⅰ線運行、蓮徐Ⅱ線熱備

從仿真結果可以看出，兩種不同的運行方式下，線路非全相所產生的零序電流標幺值相差接近6倍，這也就解釋了在圖4中間隙電流持續存在的原因。

根據以上分析可知，在第③次線路故障發生后，＃2主變中性點間隙被再次擊穿，通過主變中性點間隙和附近接地點構成零序電流環路，此時馬連臺電廠僅由蓮-徐Ⅰ線與系統聯絡，線路保護動作切除故障后，由于蓮-徐Ⅰ線非全相運行，產生了較大的零序電壓和零序電流，使得在故障切除后，系統絕緣仍不能得到有效恢復，主變中性點間隙持續流過零序電流（時間長達550ms），且電流達到動作定值，最終造成＃2主變間隙過流保護動作。

5 間隙擊穿原因分析

根據馬蓮臺電廠變壓器設計資料，主變中性點間隙距離應在400mm至460mm，實際測量距離為402mm，根據GB/T 311.6-2005/IEC 60052:2002《高電壓測量標準空氣間隙》中6.2條相關規定，標準大氣條件下水平間隙的放電電壓為：

式中：U0為放電電壓（kV）；d為間隙距離（mm）。

對于馬蓮臺電廠變壓器放電間隙402mm的距離，依據公式（2），可計算得出放電電壓為U0=2+0.534d=2+0.534×402=216.7kV，即在主變中性點在放電間隙402mm的情況下，擊穿電壓應為216.7kV以上。但是從變壓器保護裝置錄波圖分析三次間隙擊穿時零序電壓峰值均為204kV左右，達不到間隙擊穿電壓，考慮到當天的惡劣雨夾雪天氣使空氣絕緣能力減弱，降低了間隙耐受電壓，因此這次由于線路單相接地故障導致的變壓器中性點間隙擊穿的直接原因就是惡劣的天氣。

6 結論

線路連續發生單相接地故障，在#2主變中性點產生暫態過電壓，由于惡劣的天氣降低了中性點間隙的擊穿電壓，使暫態過電壓將變壓器中性點間隙擊穿，同時由于單回線路非全相運行，產生了較大的零序電流和零序電壓使得中性點間隙在線路單相接地故障被切除的情況下依然不能有效地恢復絕緣，持續被擊穿狀態，造成了變壓器中性點間隙保護動作。

7 防范措施

（1）考慮到間隙距離設計的裕度，可適當增加間隙距離，提高間隙擊穿電壓。

（2）應將變壓器中性點間隙保護中電流元件延時適當增加，大于線路重合閘時間，以躲過線路非全相運行期間的零序電流干擾，零序電壓元件延時保持不變，因為間隙擊穿后，變壓器的中性點絕緣已經得到保護，同時零序過電壓保護可起到后備保護作用。

（3）對一些大型發電廠及樞紐變電站聯絡線的運行方式應加強管理，避免發生因運行方式改變造成電網參數變化，使繼電保護配合困難或靈敏度不夠的問題。

［1］沈燕華，袁文嘉等.主變間隙保護的思考［J］.電力系統保護與控制，2010，38（10）：145－146.

［2］趙曼勇.線路非全相運行時保護問題探討［J］.繼電器.2003，31（7）：81－83.

［3］呂景順，王寅仲等.330kV升壓變壓器中性點保護問題討論［J］.電網與清潔能源.2010，26（1）：45－47.

［4］江蘇省電力公司.電力系統繼電保護原理與實用技術［M］.北京：中國電力出版社，2006.