220kV變壓器中性點間隙過電壓保護與中性點間隙距離的配合分析

翟保豫 馬 濤 李開鑫

（國網新疆電力公司電力科學研究院、烏魯木齊 830000）

電力系統中的中性點不接地運行的變壓器因為系統接地故障、雷擊、非全相、操作等原因造成中性點電壓升高。當電壓升高至一定值時將危及中性點絕緣安全，需要裝設變壓器中性點間隙等保護，在中性點的電壓升高到一定值時，間隙擊穿，從而將變壓器中性點的電壓限制在不損壞中性點絕緣的值以內，以至于滿足保護變壓器的目的。又因為間隙的擊穿電壓與間隙距離有關，因此變壓器中性點間隙距離整定的正確與否關系到變壓器中性點絕緣安全，需要整定一個合適的間隙距離。同時，在中性點電壓到達一個足夠高的電壓值時，間隙沒有被擊穿，為保護變壓器則需要通過繼電保護裝置的間隙過電壓保護動作，將變壓器退出運行，因此繼電保護過電壓保護定值的正確與否對變壓器的中性點絕緣安全也有重要關系。為達到保護變壓器的目的，選擇合適的間隙距離、間隙過電壓保護定值及實現兩者的協調配合是非常必要的。

1 中性點零序電壓相量分析

在220kV中性點接地系統中，正常運行情況，電壓向量圖如圖1所示。

零序電壓3U0為

式中，UA為系統A相相電壓；UB為系統B相相電壓；UC為系統C相相電壓。

圖1 正常運行時電壓相量圖

為了限制在系統發生單相接地故障時的短路電流不大于三相短路故障時的短路電流值及繼電保護的整定配合等要求，通常會根據系統零序阻抗和正序阻抗的比值，合理安排系統中變壓器接地運行方式，即所有變壓器中性點不會同時接地，當同一變電站有多臺變壓器正常運行時，安排其中一臺變壓器中性點接地運行，其他的變壓器中性點不接地運行。當中性點接地運行的變壓器因故障退出運行時，電力系統可能會發生失去中性點并且發生單相接地的故障情況，則中性點發生偏移，極端情況下，中性點電壓偏移至接地相電壓，即理論中性點最高電壓3U0升至3倍相電壓。假設A相發生接地故障，B相、C相電壓升至線電壓，則電壓相量圖如圖 2所示。

圖2 單相故障時電壓相量圖

零序電壓3U0如式（2）所示。

式中，U為系統正常運行時的相電壓；UBA為A相接地時的BA相線電壓；UCA為A相接地時的 CA相線電壓。

在系統發生單相接地這種不對稱故障后，系統的對稱性受到破壞而成為不對稱系統，采用對稱分量法分析計算系統單相接地，則中性點不接地變壓器的中性點電壓為

式中，I0為變壓器中性點零序電流；U10為變壓器中性點零序電壓一次值；X1為系統正序阻抗；X2為系統負序阻抗；X0為系統零序阻抗；U1為系統額定相電壓一次值。

2 繼電保護間隙保護定值整定原則

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，根據GB/T 14285—2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》規定：零序電流保護或零序過電壓保護即零序間隙保護應動作，經0.5s的延遲保護出口跳開變壓器各側斷路器，為保護變壓器正確的時刻退出運行，需要整定合適的零序過電壓定值。

220kV系統中性點應采用有效接地方式，在各種條件下系統的零序阻抗與正序阻抗比值K應為正值且不應大于 3。因此，在有效接地系統中，K值一般小于3，當K=3時，變壓器中性點過電壓最為嚴重，因此繼電保護按K=3時整定零序間隙電壓定值，將K=3時，代入式（3），得U10=0.6U1。

2.1 外接零序電壓間隙保護間隙電壓定值

2.2 自產零序電壓隙保護間隙電壓定值

式中，K1為系統最高運行電壓倍數，K2為可靠系數，U2為PT星型繞組二次額定電壓。

為防止因 PT斷線誤動，K1取為 1.1倍，K2取1.05，U2為57.74V，將數據代入式（4）中，則3U20為 120.04V，繼電保護自產零序電壓間隙電壓定值為120V。

對于常規數字化保護裝置采用外接零序電壓，間隙過電壓定值整定為180V，間隙過流一次值整定為100A；智能站保護裝置采用自產零序電壓，過電壓定值整定為 120V，間隙過流一次值為 100A。兩種類型保護裝置高壓側1個時限，跳變壓器各側斷路器，中壓側2個延時，先跳小電源（減少停電范圍），再跳變壓器各側斷路器。

3 變壓器中性點間隙距離的選擇

當系統以有效接地的方式運行且發生單相接地故障時，變壓器中性點絕緣水平應可以耐受系統發生單相接地產生的過電壓，中性點間隙不應被擊穿，并且不應跳開中性點不接地的變壓器。中性點棒間隙的工頻擊穿電壓有效值應滿足式（5）要求：

式中，Ubg為棒-棒空氣（標準氣象條件下）間隙的工頻擊穿電壓有效值；σ 為空氣間隙工頻擊穿電壓的分散系數；K3為安全系數；K4為氣象修正系數；U0為中性點電壓一次有效值。

系統標稱電壓為220kV電壓等級設備最高運行電壓取252kV，代入式（3）得

將σ 一般取0.03，K3取值1.05倍，K4取1.05，U0為87.3kV，將數據代入式（5）得

則計算的最小工頻擊穿電壓 Ubg有效值為105.8kV，根據圖3，查棒-棒空氣間隙的工頻擊穿電壓曲線的間隙距離d應大于260mm。

圖3 棒-棒間隙的工頻放電電壓和間隙距離的關系

在系統失去部分接地中性點且發生單相接地故障的情況下，如圖2所示，極端情況下，不接地運行的變壓器中性點上將承受系統的相電壓，為限制變壓器中性點電壓，需要確保變壓器中性點間隙的工頻擊穿電壓小于規程要求的變壓器中性點短時工頻耐受電壓值，間隙工頻擊穿電壓有效值應滿足式（8）要求：

式中，Uog為變壓器中性點短時工頻耐受電壓有效值（kV）。

220kV電壓等級的變壓器中性點短時工頻耐受電壓有效值為200kV[8]，則根據式（8）得

根據計算結果為 166.4kV，根據圖 3，查棒-棒空氣間隙的工頻擊穿電壓曲線的間隙距離d應小于380mm。

當雷電波侵入變壓器時，在變壓器中性點將產生一個雷電過電壓，過電壓峰值可能會超過變壓器耐受電壓峰值，為了保護變壓器，間隙的沖擊擊穿電壓應低于變壓器中性點的沖擊絕緣水平，間隙沖擊擊穿電壓值應滿足式（9）要求：

式中，UbL為棒-棒間隙的 50%雷電波沖擊擊穿電壓峰值，UoL為變壓器中性點的雷電全波和截波耐受電壓。

220kV電壓等級的變壓器中性點雷電沖擊耐受電壓（峰值）為400kV[8]，則根據式（9）得

根據式（5）得到間隙距離 d應大于 260mm，根據式（8）得到的間隙距離 d應小于 380mm，則確定間隙距離取320mm，根據圖4所示，50%沖擊擊穿電壓曲線查得 320mm間隙的負極性 50%沖擊擊穿電壓UbL約為275kV，小于式（7）計算得出的332kV變壓器中性點的雷電全波和截波耐受電壓，表明中性點間隙取 320mm可以滿足變壓器中性點絕緣安全，保護間隙不會出現“誤動”和“拒動”問題。

4 結論

對于實際運行的變壓器，變壓器間隙保護電壓定值應根據系統零序阻抗X0與X1的比值K進行整定，并根據年度運行方式對變壓器間隙保護電壓定值進行校核，避免或減少在系統發生單相接地時變壓器中性點間隙保護誤動作和中性點間隙頻繁擊穿。對新安裝變壓器考慮海拔高度和空氣濕度的影響，兩根棒間隙安裝位置水平且在一條軸線上，應對中性點間隙距離進行試驗，驗證間隙距離整定的正確性及間隙距離安裝的工藝水平，以滿足安全穩定運行要求。

圖4 棒-棒間隙的沖擊（1.5/40μs）50%放電電壓和間隙距離的關系

[1] 蔣偉, 吳廣寧, 黃震, 等. 短路故障對部分接地方式下220kV變壓器影響分析[J]. 電力系統自動化, 2007,31(21)： 98-101.

[2] 馬輝, 郭小龍. 220kV主變壓器中性點過電壓保護的配置[J]. 高電壓技術, 2001, 27(S1)： 61-61, 63.

[3] GB/T 14285—2006. 繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].

[4] GB/T 50064—2014. 交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范[S].

[5] 章叔昌. 變壓器中性點保護間隙及 MOA的參數選擇[J]. 江西電力, 2005, 29(2)： 15-18.

[6] GB/T 156—2007. 標準電壓[S].

[7] 戈東方. 電氣一次部分[M]. 北京： 中國電力出版社,1989.

[8] GB 311.1—2012. 絕緣配合 第一部分：定義、原則和規則[S].

[9] 朱聲石. 高壓電網繼電保護原理與技術[M]. 北京：中國電力出版社, 2008.

[10] 國家能源局. 防止電力生產事故的二十五項重點要求[S]. 2014

[11] 張強, 吳紹武, 王德全. 一起線路故障引起主變中性點間隙擊穿的原因分析[J]. 電氣技術, 2016,17(11)： 153-156.

[12] 詹花茂, 劉波, 顏廷利, 等. 操作沖擊下空間電荷對間隙放電的影響[J]. 電工技術學報, 2014, 29(2)：212-218.