110kV變壓器中性點接地方式與保護配置分析

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(大港油田電力公司生產調度中心,天津 300280)

1 前言

在110kV及以上電壓等級電網系統中，電力變壓器是電力生產的核心設備，其成本較高，為了減少成本，減小變壓器的內絕緣尺寸從而使整個變壓器的尺寸縮小，變壓器普遍采用分級絕緣結構，其特點是中性點的絕緣水平低于三相端部出線電壓等級的絕緣水平。

在部分變壓器中性點接地的電網中，接地短路故障是較常見的故障(約占故障總數的85%以上)。當系統發生接地故障，中性點接地的變壓器跳開后，電網變成不接地系統，電網零序電壓升高或諧振等都會使不接地變壓器中性點遭受過電壓，從而危及變壓器的中性點絕緣。因此，處于該系統中運行的大型變壓器必須裝設中性點保護[1]。

2 變壓器中性點接地方式

2.1 變壓器中性點接地系統的優缺點

對電源中性點接地系統，若發生某單相接地，另兩相電壓不升高，這樣可使整個系統絕緣水平降低；另外，單相接地會產生較大的短路電流，從而使保護裝置(繼電器、熔斷器等)迅速準確地動作，提高了保護的可靠性。電源中性點接地系統的缺點是單相短路電流很大，開關及電氣設備等要選擇較大容量，并且還能造成系統不穩定和干擾通訊線路等。

2.2 變壓器中性點不接地系統的優缺點

對變壓器中性點不接地系統，由于限制了單相接地電流，對通訊的干擾較小；另外單相接地可以運行一段時間，提高了供電的可靠性。變壓器中性點不接地系統的缺點是，當一相接地時，另兩相對地電壓升高一倍，易使絕緣薄弱地方擊穿，從而造成兩相接地短路。

2.3 我國110kV變壓器中性點接地方式

為了限制單相接地短路電流，防止通訊干擾和繼電保護的整定配置等要求，我國110kV系統普遍采用一臺變壓器中性點直接接地，其余變壓器的中性點不接地的運行方式，即部分變壓器中性點接地方式。

3 變壓器中性點過電壓及保護

3.1 變壓器中性點過電壓

3.1.1 工頻過電壓

系統中在操作或接地故障時發生的頻率等于工頻(50 Hz)或接近工頻的高于系統最高工作電壓的過電壓。產生工頻過電壓的主要原因是：空載長線路的電容效應，不對稱短路時正常相上的電壓升高，系統突然甩負荷使發電機加速旋轉等。

3.1.2 諧振過電壓

電力系統中一些電感、電容元件在系統進行操作或發生故障時可形成各種振蕩回路,在一定的能源作用下,會產生串聯諧振現象,導致系統某些元件出現嚴重的過電壓。諧振過電壓分為以下幾種:線性諧振過電壓、鐵磁諧振過電壓和參數諧振過電壓。

3.1.3 操作過電壓

產生操作過電壓的原因，是由于電力系統的許多設備都是儲能元件，在斷路器或隔離開關開斷的過程中，儲存在電感中的磁能和儲存在電容中的靜電場能量(電能)發生了轉換、過渡的振蕩過程，由振蕩而引起過電壓。特點是持續的時間通常比雷電過電壓長，而又比暫態過電壓短。一般在數百微秒到100ms之間。

3.1.4 雷電過電壓

雷電過電壓與氣象條件有關，由電力系統外部原因造成的，因此又稱之為大氣過電壓或外部過電壓。電力系統的雷電過電壓分成：直接雷擊過電壓、雷電反擊過電壓、感應雷過電壓、雷電侵入波過電壓。

3.2 變壓器中性點保護方式

變壓器中性點保護可采用間隙、避雷器及避雷器并聯間隙三種方式。采用避雷器并聯間隙的方式在電力系統中較為常見。避雷器并聯間隙的保護分工是工頻、諧振和操作過電壓由間隙承擔，雷電過電壓由避雷器承擔，同時，又用間隙來限制避雷器上可能出現的過高幅值的工頻過電壓和過高的殘壓，避免發生危險。這種方式既對變壓器中性點進行保護，又起到互為保護的作用。

3.3 變壓器中性點繼電保護配置

在110kV中性點直接接地的電力網中，當低壓側有電源的變壓器中性點可能接地運行或不接地運行時，對外部單相接地短路引起的過電流，以及對因失去接地中性點引起的變壓器中性點電壓升高，應按下列規定裝下列保護[2]。

3.3.1 不接地零序

為限制分級絕緣變壓器中性點不接地運行時可能出現的中性點過電壓，在變壓器中性點應裝設放電間隙。此時應裝設用于中性點直接接地和經放電間隙接地的兩套零序過電流保護。此外，還應增設零序過電壓保護。用于經間隙接地的變壓器，裝設反應間隙放電的零序電流保護和零序過電壓保護。當變壓器所接的電力網失去接地中性點，又發生單相接地故障時，此電流電壓保護動作，經0.3～0.5s時限動作斷開變壓器各側斷路器。

3.3.2 接地零序

在中性點直接接地的電網中，如變壓器中性點直接接地運行，對單相接地引起的變壓器過電流，應裝設零序過電流保護，保護可由兩段組成，其動作電流與相關線路零序過電流保護相配合。每段保護可設兩個時限，并以較短時限動作于縮小故障影響范圍，或動作于本側斷路器，以較長時限動作于斷開變壓器各側斷路器。

圖1 零序保護配置示意圖

4 案例分析

2012年大港油田電網某變電站發生了主變110kV中性點間隙零序過流跳閘故障，這是油田電網歷史以來首次發生此類型故障。

4.1 系統運行方式

大港油田地區110kV系統接線特點是以放射狀為主，以220kV變電站為電源點，通過110kV線路向各終端變電站輻射，低壓側無電源。該變電站的上級220kV變電站為直接接地系統，且要求下級系統為不接地系統運行。該變電站采用避雷器并聯放電間隙保護。

110kV變電站的電源由上級220kV變電站通過151線路提供，且與另外一座110kV變電站有一聯絡線152，開環運行(作為備用電源)。站內兩臺主變并列運行。

主變110kV側間隙零序定值為間隙CT 300/5 1.2A/0.5S跳主變三側開關。

圖2 變電站運行方式

4.2 保護動作

根據上級220kV變電站錄波記錄顯示151線路接地距離動作開關0s跳閘，1.2s重合閘成功，故障錄波測距22.022km，故障相為C相。

經現場勘查后發現，造成線路發生單相接地故障的原因是由于大型水鳥展翅使線路與橫擔間短路，為瞬時單相接地故障。

151線路出口跳閘后，線路故障本應解除，1.2s后重合閘即可恢復正常供電。但由于某種原因，151線路出口跳閘后故障依然存在，變壓器中性點的零序電壓引起間隙擊穿，間隙電流(1#主變間隙6.66A，2#主變間隙6.63A，均為二次值)超過保護定值，零序過流過壓一時限動作跳閘致使兩臺主變高后備動作跳三側開關。主變跳閘后接地故障點解除，151線路出口重合閘動作成功。

4.3 保護分析

由于該變電站為單電源供電方式運行，且低壓側并沒有并聯發電機，當電源進線發生瞬時單相接地故障時，上級變電站出口跳閘后故障應消除，下級變壓器中性點不應被擊穿和保護跳閘。

值得注意的是，上級變電站將線路斷開后，110kV系統成了不接地系統，且該站進線線總長31km，電容電流約為11A，如果有電源存在，故障電弧將難以自動熄滅，在短路電流過零時電弧熄滅后重燃。由于電弧多次不斷的熄滅和重燃，導致系統對地電容多次不斷的積累和重新再分配，在非故障相的電感-電容回路上引起高頻振蕩過電壓，對于架空線路，弧光過電壓幅值一般可達3～3.5倍相電壓。

該變電站雖然沒有并聯發電機，但負荷多為異步抽油電機(200多臺)，可通過變壓器反饋電能至故障點，為故障點提供弧光接地短路電流。

該站變壓器保護間隙距離為100mm的50%放電電壓約為55.4kV，u50%=2+0.534d(kV)[3]。變壓器110kV高壓繞組分級絕緣中性點的工頻耐受電壓為95kV，當發生弧光接地過電壓時，間隙擊穿，中性點經間隙經弧光接地。間隙放電能夠有效地保護變壓器110kV中性點不被高電壓擊穿放電。

110kV中性點間隙擊穿后，單相接地短路電流增大。間隙零序電流6.6A(CT300/5 一次電流396A)大于整定值(72A)，保護起動，經0.5s的延時，跳開主變三側開關。

5 結論

根據上述案例分析，該變電站變壓器中性點的保護配置和保護定值不僅滿足國家標準的規定，而且考慮了本站的實際負荷情況，在發生故障時可靠的保護了變壓器的安全，使設備免受更大高電壓沖擊。

對于帶電源或將來有可能帶電源的變壓器，以及帶等效電源(大量電動機)時，在設計階段就應考慮配置完整的中性點間隙保護，包括中性點零序過電流保護，中性點間隙電流保護以及母線開三角零序電壓保護。

但間隙與避雷器配合使用時也存在一些缺點，如距離調節不準，同心度差，放電后產生的電弧燒蝕電極，容易發生要么接地故障時致使間隙誤擊穿,要么間隙拒動造成避雷器爆炸或設備絕緣損壞,因此在今后的新建變電站及改造時可以考慮使用新型中性點保護裝置，如復合間隙、可控間隙與避雷器并聯使用等[4]。更加安全可靠的中性點保護配置還需進一步地研究。

[1] 曹亞旭，邵鵬,等.變壓器中性點運行方式分析[J].電力系統保護與控制，2010，38(5)：115-118.

[2] GB/T 14285-2006，繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3] GB/T 16927-2011，高電壓試驗技術[S].北京：中國標準出版社，2011.

[4] 林耀洲，陳秀娟,等.110和220kV不接地運行變壓器中性點保護方式[J].電網技術，2012，36(4)：256-259.