中性點(diǎn)不接地變壓器的過電壓保護(hù)探討

楊 萍，陳 鵬，陸彥虎，杜 伊

（超高壓分公司，寧夏 銀川 750011）

1 引言

110kV及以下電壓等級(jí)的變壓器一般為中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。在變壓器運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)遇到過電壓的侵害，如：當(dāng)分、合閘空載變壓器時(shí)，變壓器將會(huì)產(chǎn)生操作過電壓；當(dāng)變壓器發(fā)生單相接地、斷線故障時(shí)，變壓器將會(huì)產(chǎn)生弧光接地過電壓。系統(tǒng)過電壓時(shí)，如果變壓器不接地運(yùn)行，變壓器所承受的相電壓將會(huì)上升，很有可能影響變壓器的絕緣安全，輕則損壞設(shè)備，造成停電事故，重則危及人身和電網(wǎng)安全。因此，本文詳細(xì)闡述了不接地變壓器過電壓形成的機(jī)理及其特性，重點(diǎn)分析了過電壓保護(hù)的配置及各類保護(hù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了不接地變壓器過電壓保護(hù)的合理選擇以及保護(hù)的改進(jìn)措施，保證了此類變壓器安全、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。

2 66kV及以下不接地變壓器內(nèi)部過電壓形成機(jī)理及防范措施

2.1 66kV及以下電壓等級(jí)變壓器過電壓形成機(jī)理及危害

由于電壓等級(jí)低，變壓器絕緣上所增加的投資也不大，我國66kV及以下電壓等級(jí)的變壓器都采用中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式。

2.1.1 單相接地時(shí)66kV及以下電壓等級(jí)不接地變壓器電流電壓分析

單相接地時(shí)電網(wǎng)的主要故障形式，約占60%以上。在中性點(diǎn)不接地的系統(tǒng)內(nèi)，發(fā)生穩(wěn)定性單相接地時(shí)，故障并不改變變壓器三相繞組間電壓的對(duì)稱性，即線電壓之間的關(guān)系不變，單相接地同時(shí)會(huì)使健全相電壓上升到線電壓，此時(shí)變壓器的絕緣水平還在承受范圍之內(nèi)。而且，由于接地的故障電流不大，因而不需立即切除故障線路，允許在2h內(nèi)可以繼續(xù)向用戶供電，以便值班人員借助接地信號(hào)來查明故障進(jìn)行處理，從而提高了供電可靠性。

2.1.2 弧光過電壓的產(chǎn)生及危害

在單相接地故障中，絕大部分電弧不穩(wěn)定，處于時(shí)燃時(shí)滅的狀態(tài)，這種間歇性電弧導(dǎo)致電感電容元件之間的電磁振蕩，形成遍及全系統(tǒng)的過電壓，這就是間歇性電弧接地過電壓，也稱弧光接地過電壓。如圖1所示為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的等值電路圖。

圖1中C1、C2、C3分別為各相導(dǎo)線的對(duì)地電容，設(shè)C=C1=C2=C3，則正常情況下中性點(diǎn)電位為零，即UN=0。當(dāng)A相發(fā)生接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電位升至相電壓，即UN=-UA，健全相導(dǎo)線對(duì)地電位升為線電壓UBA、UCA，I2、I3中的電流分別領(lǐng)先 UBA、UCA90°，其絕對(duì)值為：

圖1 單相接地接線圖及相量圖

故障電流為：

式（1）表明，單相接地時(shí)流過故障點(diǎn)的電容電流Id與線路對(duì)地電容及額定電壓成正比。是否在單相接地時(shí)產(chǎn)生間隙電弧，與系統(tǒng)單相接地電流大小直接相關(guān)。若系統(tǒng)較小，線路又不長，其單相接地電容電流也小，一些暫時(shí)性單相弧光接地電流，故障過后，電弧可自動(dòng)熄滅，系統(tǒng)很快恢復(fù)正常。隨著電壓的提高和系統(tǒng)的發(fā)展，單相接地電流會(huì)成比例增長。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，10-35kV電容電流超過10A時(shí)，此時(shí)電弧將難以熄滅。

2.2 防止弧光接地過電壓所采取的措施

防止弧光接地過電壓的根本途徑是消除間隙電弧。為此，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可采取以下措施。

（1）系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。消弧線圈實(shí)際上是一個(gè)具有帶氣隙鐵芯的可調(diào)電感消弧電抗器。在電網(wǎng)中性點(diǎn)與地之間接入消弧線圈之后，電網(wǎng)發(fā)生單相接地電容電流將會(huì)得到有效補(bǔ)償。如能使故障點(diǎn)的殘余電流減至10A以下，就可促使接地電弧不易重燃，減小弧光接地過電壓出現(xiàn)的概率。

（2）在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，若線路過長，當(dāng)運(yùn)行條件許可，可采用分網(wǎng)運(yùn)行方式，減小電容電流，有利接地電弧的自熄。

（3）在實(shí)際系統(tǒng)中，為提高功率因數(shù)而裝設(shè)星形連接的電容器組，則相當(dāng)于加大了相間電容，一般不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的弧光接地過電壓。

3 110kV不接地變壓器內(nèi)部過電壓形成機(jī)理及保護(hù)防范措施

為了限制短路電流，在110kV有效接地系統(tǒng)中通常也有許多110kV變壓器采取不接地運(yùn)行方式。

3.1 110kV及以下不接地變壓器內(nèi)部過電壓形成機(jī)理及危害

（1）雷電沖擊波侵入變壓器時(shí)，造成變壓器中性點(diǎn)電位升高的雷電過電壓。

（2）斷路器非全相分合閘造成的變壓器不接地中性點(diǎn)出現(xiàn)的過電壓，如果兩側(cè)都有電源，由于兩端電源不同步，中性點(diǎn)電壓可高達(dá)2倍相電壓。

（3）由于繼保誤動(dòng)或人員誤操作，使系統(tǒng)形成一個(gè)帶單相接地的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，出現(xiàn)變壓器中性點(diǎn)的穩(wěn)定電壓升高至相電壓。當(dāng)系統(tǒng)失去直接接地中性點(diǎn)，而又發(fā)生單相接地時(shí)，此時(shí)TV開口三角形繞組出現(xiàn)的電壓（TV不飽和時(shí)）3U0=300V，但實(shí)際上當(dāng)3U0=200V時(shí)TV已開始飽和（電磁型TV測量回路的伏安特性，根據(jù)實(shí)測為：TV二次繞組加電壓70V時(shí)，繞組勵(lì)磁電流為20A，即飽和電壓約為70V）。所以系統(tǒng)失去直接接地的中性點(diǎn)，而又發(fā)生單相接地時(shí)，TV開口三角形繞組飽和電壓約為3U0=210V。

（4）正常網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在斷路器跳開單相接地故障前，此時(shí)變壓器中性點(diǎn)的過電壓值的大小與K=X0/X1有關(guān)，其中：X0為零序阻抗；X1為正序阻抗。由于電網(wǎng)各處X0/X1不易準(zhǔn)確提供，且有效接地系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)一般K≤3，當(dāng)K=3時(shí)的過電壓最嚴(yán)重，因此為了簡化計(jì)算，按K=3取值，而中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)時(shí)取系數(shù)K=∞單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓U0=UphK（/K+Z），中性點(diǎn)暫態(tài)電壓為=1.8，糾結(jié)式繞組r=1.5。如表1所示為單相接地時(shí)110kV變壓器穩(wěn)態(tài)電壓和暫態(tài)電壓的計(jì)算值。

表1 110kV變壓器中性點(diǎn)過電壓計(jì)算值

由表1可知，發(fā)生單相接地故障時(shí)，110kV變壓器零序電壓很高，必須采取一定的保護(hù)措施來解決系統(tǒng)過電壓的問題，

3.2 110kV變壓器過電壓保護(hù)的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

不接地變壓器中性點(diǎn)可能受到雷電、操作及工頻等各種過電壓作用，因110kV變壓器通常為分級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)，中性點(diǎn)絕緣比較薄弱，所以在變壓器中性點(diǎn)上裝有避雷器，或中性點(diǎn)上裝有間隙棒。目前，中性點(diǎn)過電壓保護(hù)主要采用有間隙保護(hù)、避雷器保護(hù)。

3.2.1 間隙保護(hù)的優(yōu)缺點(diǎn)

間隙保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠、運(yùn)行維護(hù)量小。在工頻、操作和雷電過電壓下都可能對(duì)變壓器進(jìn)行保護(hù)。

間隙保護(hù)的缺點(diǎn)是在三種過電壓這樣大范圍保護(hù)配合參數(shù)確定較困難，放電分散性大，保護(hù)特性一般，工頻續(xù)流較大，滅弧能力較差，而且間隙動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生載波，對(duì)變壓器本身絕緣也不利。在實(shí)際運(yùn)行中常發(fā)生間隙放電現(xiàn)象，因線路遭受雷擊導(dǎo)致系統(tǒng)瞬時(shí)單相接地時(shí)，110kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙擊穿多次造成繼電保護(hù)誤動(dòng)。具體系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 110kV變壓器典型主接線圖

該站為有兩臺(tái)110kV不接地變壓器，有110kV兩路主電源A和B線。當(dāng)時(shí)運(yùn)行方式為#1主變和#2主變并列運(yùn)行，電源線A供電，電源線B熱備，#1和#2主變均裝設(shè)了間隙電流保護(hù)。某日，110kV電源線A的C相瞬時(shí)接地短路，電源線A零序電流II段保護(hù)動(dòng)作，經(jīng)0.3s跳閘，同時(shí)#1和#2主變均間隙被擊穿，間隙電流保護(hù)動(dòng)作，也經(jīng)0.3s跳兩臺(tái)主變?nèi)齻?cè)開關(guān)。雖然電源線A故障跳閘后，經(jīng)1s重合成功，但此時(shí)變電站已全所失壓。由此次事故過程分析可以看出，由于常規(guī)按整定設(shè)計(jì)規(guī)程，間隙電流一次動(dòng)作值取100A，0.3s，與上一級(jí)線路零序電流二段整定時(shí)間相同，應(yīng)此在有效接地方式下發(fā)生單相接地短路時(shí)，變壓器間隙電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間躲不過上一級(jí)線路后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，而造成誤動(dòng)。結(jié)果延長了停電時(shí)間，極大地影響了供電可靠性。

3.2.2 避雷器保護(hù)的優(yōu)缺點(diǎn)

避雷器保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是伏秒特性平坦，放電分散性小，保護(hù)特性優(yōu)良，切斷工頻續(xù)流能力強(qiáng)，對(duì)主變壓器沖擊小。

避雷器保護(hù)的缺點(diǎn)是不能防護(hù)工頻過電壓，而且在較高工頻過電壓下自身需防護(hù)，自身存在故障危險(xiǎn)。特別是當(dāng)發(fā)生非全相運(yùn)行或轉(zhuǎn)為帶單相接地的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)時(shí)，由于變壓器中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓升高，可能使閥型避雷器破壞，甚至引起爆炸。

3.3 110kV不接地變壓器過電壓保護(hù)的合理選擇及間隙保護(hù)的改進(jìn)措施

通過分析避雷器和間隙保護(hù)的特性，可知兩種保護(hù)各有其優(yōu)勢和劣勢。針對(duì)變壓器各種過電壓的形成機(jī)理，可將避雷器和間隙保護(hù)作如下合理配置，同時(shí)，為了防止變壓器間隙保護(hù)誤動(dòng)，也提出相應(yīng)的保護(hù)完善措施。

3.3.1 110kV變壓器電壓保護(hù)設(shè)備的合理選擇

防護(hù)非全相運(yùn)行及系統(tǒng)轉(zhuǎn)為帶單相接地的中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)能可靠動(dòng)作，而在雷電過電壓下不動(dòng)作必須選用間隙；只防護(hù)雷電過電壓，并對(duì)正常網(wǎng)絡(luò)發(fā)生單相接地時(shí)變壓器中性點(diǎn)出現(xiàn)的暫態(tài)過電壓進(jìn)行阻尼，以保證間隙不會(huì)誤動(dòng)則可選擇氧化鋅避雷器；需同時(shí)防護(hù)雷電、工頻和操作過電壓時(shí)可采用間隙或避雷器和間隙并聯(lián)的保護(hù)方式，在工頻過電壓下，間隙并聯(lián)避雷器中間隙既保護(hù)變壓器中性點(diǎn)，又保護(hù)避雷器。

3.3.2 防止變壓器間隙保護(hù)誤動(dòng)所采取的改進(jìn)措施

針對(duì)間隙擊穿時(shí)變壓器間隙零流保護(hù)誤動(dòng)，可將變壓器間隙電流保護(hù)作如下整定配合改進(jìn)：將變壓器間隙零序電流保護(hù)時(shí)間延長，和上級(jí)電源線零序II段時(shí)間配合，使變壓器變壓器間隙零序電流保護(hù)時(shí)間比上級(jí)電源線零序II段時(shí)間延長0.3s，這樣當(dāng)變壓器間隙擊穿時(shí)，可以讓變壓器上級(jí)電源線零序電流保護(hù)先于變壓器間隙零流保護(hù)動(dòng)作，切除故障，然后上級(jí)電源線可通過重合閘恢復(fù)供電，保證了變壓器的持續(xù)供電。

4 結(jié)束語

本文以內(nèi)部過電壓相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定為依據(jù)，借鑒現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)闡述了變壓器內(nèi)部過電壓形成的機(jī)理、危害及其特點(diǎn)，通過仔細(xì)分析110kV及以下電壓等級(jí)不接地變壓器過電壓保護(hù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，提出了變壓器過電壓保護(hù)的合理配置及保護(hù)的改進(jìn)措施，保證了變壓器的安全、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。

［1］崔家佩等.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置整定計(jì)算［M］.北京:中國電力出版社，1993.

［2］電力系統(tǒng)繼電保護(hù)規(guī)定匯編［M］.北京:中國電力出版社，1997.

［3］電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)用技術(shù)問答［M］.北京:中國電力出版社，1997.

［4］大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)整定計(jì)算與運(yùn)行技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社,2005.