110kV變壓器中性點間隙保護的配置與整定

楊帛潤 邵夢宇

（中國石油大慶煉化公司電儀運行中心電氣三車間）

某煉化變110kV的1#、2#、4#主變壓器為分級絕緣， 中性點采用接地刀閘并聯避雷器的保護方式， 這種方式僅能對雷電沖擊產生的高電壓進行保護，對于電力系統中單相接地、非全相操作過電壓等造成的中性點過電壓起不到保護作用［1］。 當中性點電壓升高至一定程度時，將嚴重威脅中性點絕緣的安全， 無法實現保護變壓器的目的。

《國家電網公司十八項電網反事故措施》規定： 為防止有效接地系統中出現孤立不接地系統， 并產生較高工頻過電壓的異常工況，110～220kV不接地變壓器中性點過電壓保護應采用間隙保護方式。對于110kV變壓器，當中性點絕緣的沖擊耐受電壓小于185kV時， 還應在間隙旁并聯金屬氧化物避雷器。

DL/T 620—1997 《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》規定：應避免在110kV及220kV有效接地系統中偶然形成局部不接地，并產生較高的工頻過電壓。 對可能形成這種局部系統、低壓側有電源的110kV及220kV變壓器不接地的中性點應裝設間隙。

因此，為了保護變壓器中性點絕緣不被過電壓擊穿，應選擇合適的間隙保護并聯避雷器的保護方式。

1 變壓器中性點間隙保護的配置

變壓器中性點間隙保護結構原理如圖1所示，放電間隙、避雷器和接地隔離開關并聯配置。接地隔離開關可根據電力調度要求投用或退出，投用表示變壓器中性點采用直接接地方式，此時變壓器中性點與大地接通， 放電間隙被旁路，構成了電力系統零序電流的流通回路，可根據變壓器中性點處電流互感器配置零序過電流保護。 退出表示變壓器中性點采用間隙接地方式，此時變壓器中性點與大地之間不構成零序電流通路，在系統發生接地故障不失地時，零序電壓或放電間隙電流達到整定值，間隙保護動作退出變壓器運行。 當變壓器遭受雷電高電壓時，中性點避雷器可靠動作保護絕緣不受損壞。

圖1 變壓器中性點間隙保護結構原理

2 變壓器中性點間隙保護整定原則

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，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，為保護變壓器在正確的時刻退出運行，需要整定合適的零序過電壓定值。

2.1 單相接地故障時中性點零序電壓向量分析

某煉化110kV電力系統為中性點有效接地系統，正常運行時零序電壓為A、B、C三相相電壓向量和：

某煉化110kV變電所現有4臺主變，運行規程要求選擇其中1臺主變中性點直接接地，其他3臺主變中性點不接地。 只選擇1臺主變中性點接地而非所有變壓器中性點均接地運行，是為了降低系統的零序阻抗，限制系統在發生單相接地故障時的短路電流， 小于三相短路故障時的短路電流，滿足繼電保護配合整定的要求。

當中性點接地運行的變壓器因故障退出運行時，發生單相接地而破壞系統的對稱性，接地相電壓為0，非接地兩相電壓升至線電壓，則零序電壓為3倍相電壓：

中性點不接地變壓器的中性點電壓為：

其中，U0為變壓器中性點零序電壓一次值；I0為變壓器中性點零序電流一次值；X0、X1、X2分別為系統的零序、正序、負序阻抗；U1為系統額定相電壓一次值。

可以看出，變壓器中性點零序電壓受系統零序阻抗與正序阻抗比值的影響，該比值不應大于3，在比值為3時中性點過電壓最為嚴重，得到U0=0.6U1。

2.2 煉化變間隙保護定值整定

3 間隙保護距離的確定和避雷器的配合

3.1 放電間隙的最小工頻擊穿電壓

當電力系統發生單相接地故障時，變壓器中性點絕緣水平應能承受住單相接地產生的過電壓，如果間隙距離過小被擊穿，間隙過電流保護誤動造成變壓器跳閘。 中性點間隙的工頻擊穿最小電壓有效值應滿足：

其中，Ubg為放電間隙工頻擊穿電壓有效值；K1為安全系數；K2為氣象修正系數；σ為空氣間隙工頻擊穿電壓的分散系數。

根據式（3）求得110kV變壓器中性點的零序電壓為：

σ取0.025，K1取1.05，K2取1.05，U0取43.65kV，代入式（4）可得：

則計算的放電間隙工頻擊穿電壓值最小為52.03kV， 依據圖2棒-棒間隙的工頻擊穿電壓曲線和平均擊穿場強6kV/10mm的數據，得出間隙距離d應大于86mm。

圖2 棒-棒間隙的工頻擊穿電壓和間隙距離的關系

3.2 放電間隙的最大工頻擊穿電壓

煉化變主變中性點絕緣水平為LI250AC95，表示全波沖擊電壓250kV，工頻耐受電壓95kV。放電間隙的最大工頻擊穿電壓應小于變壓器中性點工頻耐受電壓，即放電間隙工頻擊穿電壓有效值應滿足：

其中，Uog為變壓器中性點工頻耐受電壓。

煉化變110kV變壓器中性點間隙工頻擊穿電壓有效值為：

根據計算結果80.16kV， 依據圖2棒-棒空氣間隙的工頻擊穿電壓曲線和平均擊穿場強6kV/10mm的數據，得出間隙距離d應小于134mm。

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：

其中，UbL為間隙的50%雷電波沖擊擊穿電壓峰值；UoL為變壓器中性點全波沖擊電壓。

將變壓器中性點全波沖擊電壓250kV代入式（9）可得：

3.3 放電間隙與避雷器的配合

如圖1所示， 變壓器中性點放電間隙與避雷器并聯，避雷器的型號Y1.5W-72/186，標示避雷器的額定電壓為72kV，雷電沖擊電流殘壓186kV。如果中性點出現超過72kV穩定的工頻過電壓，避雷器在該電壓下長時間運行有可能燒毀。 因此，從保護避雷器的角度，要求間隙動作的最大工頻擊穿電壓應小于避雷器額定電壓。

3.4 放電間隙距離的計算

依據上述計算結果，放電間隙的工頻擊穿電壓應該大于變壓器中性點的零序電壓52.03kV，小于避雷器額定電壓72kV。 根據平均擊穿場強6kV/10mm 的數據， 放電間隙距離應該在86～120mm，最終確定放電間隙距離為110mm。

3.5 放電間隙沖擊放電電壓的估算

變壓器中性點間隙保護在50%雷電波沖擊擊穿電壓下也可以起到保護作用，根據相關試驗數據，棒-棒放電間隙50%雷電波沖擊擊穿電壓與間隙距離有較好的線性關系，估算公式如下：

根據上述確定的放電間隙距離110mm，計算50%雷電波沖擊擊穿電壓為96.5kV， 小于變壓器中性點全波沖擊電壓210.94kV，在雷電類沖擊過電壓下，間隙保護也能對變壓器中性點絕緣起到保護作用。

4 結束語

依據變壓器中性點絕緣等級和避雷器的技術參數， 計算了間隙保護最大距離和最小距離，最終確定了煉化變110kV變壓器中性點間隙距離為110mm，不僅滿足了變壓器中性點和避雷器的絕緣安全，也避免了保護裝置可能會出現的“誤動”和“拒動”問題。依據煉化變110kV電壓等級PT的輔助繞組的變比，整定變壓器后備保護裝置間隙保護定值為：零序電壓180V，間隙過流一次值100A， 保護時限0.5s跳變壓器高壓和低壓兩側斷路器。

本次改造安裝的變壓器中性點間隙保護成套設備，通過后臺自動化系統的組態、控制柜測控裝置的遙控，實現了中性點接地隔離開關遠方控制功能。 當運行人員倒閘操作變壓器接隔離開關時，不用到現場手動操作，在主控室后臺自動化系統就可實現分合刀閘的遠程操作，避免了人員觸電的風險，提高了工作效率。