變壓器中性點(diǎn)保護(hù)中避雷器和間隙伏秒特性的配合

劉軍偉　曾曉毅　黃　燕

[摘要]在我國11 OkV的電力系統(tǒng)中，變壓器的中性點(diǎn)是采用非直接接地的運(yùn)行方式。變壓器中性點(diǎn)保護(hù)采用的主要方式是將避雷器和保護(hù)間隙并聯(lián)起來，間隙保護(hù)主要作用于工頻過電壓和操作過電壓，而避雷器則主要動作于雷電過電壓。工頻過電壓相對于雷電過電壓的作用時(shí)間長而幅值較小，應(yīng)用這一特點(diǎn)，提出了保護(hù)間隙和避雷器的伏秒特性的配合問題。

[關(guān)鍵詞]避雷器保護(hù)間隙伏秒特性

1概述

35～60kV變壓器的中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地，在結(jié)構(gòu)上是全絕緣的。變壓器繞組的端部有避雷器加以保護(hù)，當(dāng)三相來波的時(shí)候，中性點(diǎn)的電位由于全反射可能會升高到來波電壓的兩倍左右，這是十分危險(xiǎn)的，但是根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，中性點(diǎn)可以不接保護(hù)裝置而仍然能夠安全運(yùn)行，原因在于：

(1)流過端部的雷電流一般只在2kA以下，故其殘壓要比預(yù)定的5kA時(shí)的殘壓減小20％左右；

(2)大多數(shù)的來波是從較遠(yuǎn)處襲來，陡度較??；

(3)據(jù)統(tǒng)計(jì)，三相來波的概率很小，只有10％左右，平均15年才有一次。

因此《交流電氣設(shè)備過電壓保護(hù)和絕緣配合》(DL／T620—1997)規(guī)定，不接地、經(jīng)消弧線圈接地和公共電阻系統(tǒng)中的變壓器中性點(diǎn)，一般不配保護(hù)裝置。

110～220kV系統(tǒng)屬于有效接地系統(tǒng)，其中一部分中性點(diǎn)直接接地，同時(shí)為了限制單相接地電流和滿足繼電保護(hù)的需要，一部分變壓器的中性點(diǎn)是不直接接地的。這種系統(tǒng)中的變壓器分兩種情況，其一是中性點(diǎn)全絕緣，此時(shí)中性點(diǎn)一般不會加保護(hù)措施；其二是中性點(diǎn)半絕緣(新制變壓器均是如此)，具體地說，110kV的變壓器中性點(diǎn)是35kV的絕緣水平，220kV的變壓器中性點(diǎn)則是110kV級的絕緣水平。規(guī)程規(guī)定有效接地系統(tǒng)中的變壓器中性點(diǎn)保護(hù)一般應(yīng)采用間隙保護(hù)和避雷器保護(hù)相并聯(lián)的保護(hù)方式。其接線方式如圖l所示。

2中性點(diǎn)保護(hù)間隙與過電壓保護(hù)

2.1單相接地過電壓

有效接地系統(tǒng)的單相接地時(shí)，計(jì)算不接地變壓器中性點(diǎn)電位時(shí)一般是以Xo／X1小于3為界，但是實(shí)際上不同地區(qū)的電網(wǎng)及變電所的Xo／X1的值相差很大。變壓器的中性點(diǎn)處的過電壓水平也自然不一樣，所以在一般的文章中推薦按照1，15倍的過電壓值和Xo／X1=3時(shí)取其中的最大值作為最高運(yùn)行電壓Umax，例如在1 10kV系統(tǒng)中最高運(yùn)行線電壓為126kV，中性點(diǎn)的過電壓計(jì)算公式為：

Uo=Umax×K／(K+2)式中：K——Xo／X1的值；

Xo——零序阻抗；

X1——正序阻抗。

當(dāng)K=3時(shí)Uo=0.6Umax，即單相接地故障時(shí)110kV主變壓器中性點(diǎn)出現(xiàn)的最高電壓穩(wěn)態(tài)值為43.6。

如果系統(tǒng)單相接地時(shí)接地變壓器側(cè)斷路器跳閘，不接地變壓器側(cè)斷路器拒動，則系統(tǒng)形成局部不接地系統(tǒng)，此時(shí)的中性點(diǎn)過電壓值更高，其值近似為相電壓值，如在110kV變壓器中表現(xiàn)的中性點(diǎn)電位的穩(wěn)態(tài)值為73(此時(shí)繼電保護(hù)應(yīng)動作)。

2.2雷電過電壓

在雷雨季節(jié)，直接擊中變電站或沿線路傳到發(fā)電廠、變電站的高幅值雷電波造成變壓器中性點(diǎn)電位升高，出現(xiàn)較高的雷擊過電壓，危及電氣設(shè)備的安全。變壓器中性點(diǎn)上出現(xiàn)的最大雷擊過電壓主要取決于變壓器入口處的避雷器殘壓和變壓器的特性。一般雷擊過電壓計(jì)算如下：

Um=n／3(1+r)Us

式中：n——侵入雷電波相數(shù)；

r——變壓器振蕩衰減系數(shù)，糾結(jié)式繞組取0.5，連續(xù)式繞組取O.8；

U5——變壓器入口處避雷器上的殘壓。

以上簡單敘述了幾種過電壓的形式，對變壓器絕緣和保護(hù)裝置的作用，取決于過電壓的波形、幅值和持續(xù)時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)雷電波形并不一定是由雷電引出，例如，當(dāng)單相接地時(shí)，可在非接地相上產(chǎn)生接近于雷電過電壓的短波前。

2.3放電間隙的保護(hù)作用

采用放電間隙保護(hù)的原理是在間隙回路中串入零序電流互感器，利用間隙的放電特性，使其在雷電過電壓時(shí)放電以保護(hù)中性點(diǎn)絕緣。在系統(tǒng)發(fā)生故障后，變壓器中性點(diǎn)工頻電位升高至一定值，零序電流保護(hù)動作，切除該不接地變壓器，以避免出現(xiàn)中性點(diǎn)接地帶故障運(yùn)行。中性點(diǎn)零序電流保護(hù)先以較短的時(shí)限切除低壓側(cè)的電廠聯(lián)絡(luò)線，再以略長的時(shí)限跳開變壓器各側(cè)的開關(guān)。

2.4避雷器的保護(hù)作用

無論作為無間隙的氧化鋅避雷器還是有間隙的普通閥式避雷器，選擇使用的一個共同原則是，使避雷器額定電壓不低于避雷器安裝點(diǎn)的暫時(shí)過電壓。JB／T5894-91《交流無間隙金屬氧化物避雷器使用導(dǎo)則》指出，中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)中分級絕緣的變壓器，當(dāng)其中性點(diǎn)未接地時(shí)，中性點(diǎn)避雷器的額定電壓應(yīng)不低于變壓器的最高相電壓(并具體提出中性點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)沖擊絕緣水平為1 85kV時(shí)，氧化鋅避雷器的額定電壓為60kV)。

3保護(hù)間隙與避雷器伏秒特性的配合

3.1保護(hù)裝置伏秒特性配合的基本要求

(1)為了使電氣設(shè)備得到可靠保護(hù)，保護(hù)裝置應(yīng)該滿足以下基本要求：

保護(hù)裝置的沖擊放電電壓Ub(i)應(yīng)該低于被保護(hù)設(shè)備的沖擊耐壓值。以變壓器為例，其沖擊耐壓值通常取其多次截波耐壓值Uid，所以Ub(i)應(yīng)滿足下式要求：

Ub(i)

(2)放電間隙應(yīng)該有平坦的伏秒特性曲線和盡可能高的滅弧能力。圖2中曲線1為絕緣的伏秒特性，避雷器和保護(hù)間隙要能起到保護(hù)作用，其放電間隙的伏秒特性曲線2應(yīng)始終低于曲線1，并留一定的間隔。顯然，放電間隙的伏秒特性越平坦越好，如果伏秒特性很陡，如圖3所示，則可能與絕緣的伏秒特性相交，以致在較短放電的時(shí)間范圍內(nèi)不能保護(hù)設(shè)備。同時(shí)由于放電的分散性，間隙和被保護(hù)設(shè)備的伏秒特性實(shí)際上處在一個帶狀的范圍內(nèi)，因此，要求保護(hù)設(shè)備伏秒特性的上包絡(luò)線低于被保護(hù)設(shè)備伏秒特性的下包絡(luò)線，如圖4所示。

3.2保護(hù)間隙的放電特性及伏秒特性

均勻電場間隙在穩(wěn)態(tài)電壓下的擊穿特性：嚴(yán)格說來，均勻場只有一種，即無限大平行板電極間的電場，這在工程中是無法實(shí)現(xiàn)的。工程上所使用的平行板電極一般都是采用了消除電極邊緣效應(yīng)的措施(比如將板電極的邊緣彎曲成曲率半徑比較大的圓弧形，像高壓靜電電壓表的兩個電極就是如此處理的)，這時(shí)兩平行板電極間的距離相對于電極尺寸比較h，就可以將這兩個電極間的電場視為均勻場。由于均勻場的兩個平行板的形狀完全相同，而且平行布置，因而氣隙的放電不存在極性效應(yīng)，而且也不存在電暈現(xiàn)象。一旦氣隙放電就會引起整個氣隙的擊穿，所以其直流、工頻交流和沖擊放電電壓作用下的擊穿電壓相同，放電的分散性也小，擊穿電壓與電壓作用時(shí)間無關(guān)。稍不均勻場氣隙的擊穿特性與均勻場下的擊穿特性基本相同。其伏秒特性見圖5。

在極不均勻電場中，“棒一棒”間隙和“棒一

板”間隙具有典型意義。前者具有完全對稱性，后者具有最大的不完全對稱性，其他類型的極不均勻電場的氣隙擊穿特性介于兩種典型氣隙的擊穿特性之間。由實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是，不均勻場的放電具有明顯的極性效應(yīng)，而且隨著氣隙長度的增加，氣隙的平均擊穿場強(qiáng)明顯降低，即存在“飽和”現(xiàn)象。其伏秒特性如圖5所示。

由圖5中可以看出在島前的一段時(shí)間內(nèi)均勻電場的擊穿特性(也就是在沖擊電壓下的擊穿特性)較陡峭，也就是說在t

其中t1為電壓上升時(shí)間，to為統(tǒng)計(jì)時(shí)延，ta為放電發(fā)展時(shí)間，tb是以上三個參數(shù)的和，它是放電所需時(shí)間。tb在數(shù)值上小于to，所以說間隙在短時(shí)間內(nèi)的放電特性是與放電發(fā)展時(shí)間有關(guān)的，要在這極短的時(shí)間內(nèi)放電，間它的伏秒特性曲線如圖7所示。

3.4保護(hù)間隙與避雷器的伏秒特性配合

(1)對放電間隙的要求：一是對工頻來說，從系統(tǒng)運(yùn)行的要求，當(dāng)Xo／X1值小于3時(shí)，單相接地時(shí)放電間隙不應(yīng)動作，放電電壓應(yīng)大于43.6kV(有效值，峰值電壓為61.7kV)；當(dāng)系統(tǒng)形成局部不接地系統(tǒng)，此時(shí)的中性點(diǎn)過電壓值更高，其值近似為相電壓值，如在110kV變壓器中表現(xiàn)的中性點(diǎn)電位的穩(wěn)態(tài)值為73kV，單相接地間隙應(yīng)動作，啟動繼電保護(hù)切除故障，即放電間隙放電電壓應(yīng)小于73kV(有效值，峰值電壓為103.2kV)；二是間隙在雷電過電壓和系統(tǒng)單相接地瞬態(tài)過電壓下均不應(yīng)動作。隙的擊穿電壓是非常大的。

3.3避雷器的放電特性

在目前變壓器中性點(diǎn)保護(hù)中，選用的主流避雷器的是金屬氧化物避雷器MOA。MOA閥片具有優(yōu)異的非線性伏安特性；它沒有火花間隙，一旦作用電壓開始升高，閥片立即開始吸收過電壓的能量，抑制過電壓的發(fā)展；沒有間隙的放電時(shí)延，因而有良好的沖擊響應(yīng)特性。無續(xù)流、動作負(fù)載輕、能重復(fù)動作實(shí)施保護(hù)；只吸收過電壓的能量，而不吸收續(xù)流能量，因而動作負(fù)載輕。目前110kV使用的避雷器參數(shù)(以撫順海岳電氣制造有限公司生產(chǎn)的避雷器為例)見表1。

(2)對避雷器的要求：一是避雷器在工頻過電壓和操作過電壓下不應(yīng)動作，但在雷電和系統(tǒng)單相接地瞬態(tài)過電壓下應(yīng)動作；二是避雷器的放電電壓和殘壓應(yīng)該小于153kV(變壓器絕緣耐操作波強(qiáng)度75.5×√2×1.4=153kV)；三是避雷器工頻放電電壓和滅弧電壓應(yīng)大于73kV(間隙控制電壓有效值，峰值為103.2kV)。

(3)放電間隙和避雷器的配合要求(當(dāng)工頻過電壓和高頻過電壓相繼出現(xiàn)時(shí)，避雷器先動作，然后間隙動作，以保證避雷器的正常工作，這樣就沒有避雷器爆炸的可能性了)：

一是避雷器的滅弧電壓應(yīng)高于間隙最高工頻放電電壓，這樣避雷器在間隙的保護(hù)下不致滅不了弧而爆炸；二是避雷器的沖擊放電電壓低，保證在高頻瞬態(tài)過電壓下由避雷器動作，避免正常系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)生單相接地故障時(shí)放電間隙動作，造成零序電流分量，使間隙零序電流誤動作；三是間隙最高工頻放電電壓應(yīng)比最低相電壓低，從而保證能切除形成不接地系統(tǒng)單相接地等不對稱故障；四是正常運(yùn)行時(shí)電力系統(tǒng)Xo／x1值應(yīng)小于3，當(dāng)Xo／x1值大于3時(shí)，運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，放電間隙應(yīng)動作。

(4)具體的配合曲線如圖8所示。

對曲線的解釋如下：

圖8中1為避雷器的伏秒特性；2為保護(hù)間隙伏秒特性(為了使保護(hù)間隙有更好的伏秒特性和較小的放電分散性，間隙保護(hù)采用平行板電極，它的伏秒特性在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)是一條直線)。

由上面的分析知，避雷器的最低放電電壓值應(yīng)大干103.2kV，保護(hù)間隙的最低放電電壓應(yīng)大于61.7kV，最高放電電壓應(yīng)小于103.2kV。

t在小于to的時(shí)候是避雷器和間隙配合的關(guān)鍵，我們正是利用了間隙放電的放電時(shí)延(一般為幾十毫秒)和金屬氧化物避雷器無放電時(shí)延的特性解決了他們之間的配合問題。

4結(jié)束語

(1)氣體的放電特性隨著電場的均勻程度的改變而改變，均勻電場中氣體的擊穿電壓穩(wěn)定，總體的伏秒特性較平坦，但是在較短的時(shí)間內(nèi)存在放電時(shí)延的問題。

(2)金屬氧化物避雷器的MOA閥片具有優(yōu)異的非線性伏安特性；它沒有火花間隙，一旦作用電壓開始升高，閥片立即開始吸收過電壓的能量，抑制過電壓的發(fā)展；沒有間隙的放電時(shí)延，因而有良好的沖擊響應(yīng)特性。

(3)合理地應(yīng)用保護(hù)間隙和避雷器的伏秒特性配合曲線，并在實(shí)驗(yàn)條件下加以校驗(yàn)，使他們能夠在各自的規(guī)定條件下放電進(jìn)而發(fā)揮各自的作用是很有現(xiàn)實(shí)意義的。