110kV变压器中性点过电压的计算及其保护策略

110kV变压器中性点过电压的计算及其保护策略于化鹏1，陈水明1，余宏桥1，杨鹏程1，印华2，吴高林2（1．电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室(清华大学电机系)，北京市海淀区 100084；

2．重庆电力科学试验研究院，重庆市渝北区 401123）

Calculation of Overvoltage on Neutral Point of 110kV Power Transformers and

Corresponding Protection Strategy

YU Huapeng1, CHEN Shuiming1, YU Hongqiao1, YANG Pengcheng1, YIN Hua2, WU Gaolin2

(1. State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments

(Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China;

2. Chongqing Electric Power Research Institute, Yubei District, Chongqing 401123, China)

ABSTRACT: To limit short-circuit current and meet the requirement of setting of relay protection equipments, the partial neutral grounding of power transformers is adopted in 110 kV power systems in China, and this kind of grounding mode will result in overvoltage on the ungrounded neutral of power transformer. The overvoltage on ungrounded neutral of power transformer of an 110kV system in Chongqing power grid is calculated by PSCAD/EMTDC software. Calculation result shows that the maximum power frequency transient overvoltage on the ungrounded neutral of power transformer will be 125.8kV; the voltage on the neutral of power transformer will came up to phase voltage while single-phase earth fault occurs in ungrounded system; under the condition of open-phase operation the ferro-resonance overvoltage with peak value of 261.2kV may result in the neutral of no-load power transformer and such a peak value seriously threatens the security of power equipments and the insulation of transformer neutral; lightning overvoltage can damage the insulation of transformer neutral, so it should be limited as well. Finally, a protection configuration scheme that is suitable to the neutral of 110kV power transformer is given, and it is pointed out that when air-gap and arrestor are parallelly adopted, the restriction of arrestor on power frequency transient overvoltage on the neutral of power transformer should be taken into account.

KEY WORDS: neutral; power transformer; arrester; air-gap; power frequency overvoltage; lightning overvoltage

摘要：为了短路电流和满足继电保护整定的需要，110kV系统采用的是部分变压器中性点接地方式，这种接地方式会使不接地变压器的中性点产生过电压。为此使用PSCAD/EMTDC软件计算了重庆电网一个110kV系统中不接地主变中性点的过电压。计算结果表明：不接地变压器中性点的工频暂态过电压最高可达到125.8kV；不接地系统下发生单相接地故障时，变压器中性点电压会上升到相电压；非全相运行时空载变压器中性点可能会产生铁磁谐振过电压，峰值可达到261.2kV，严重威胁中性点和线端设备的安全；雷电过电压也会损坏中性点的绝缘，也需加以。最后给出了适用于110kV变压器中性点的保护配置方案，并指出当采用间隙和避雷器并联保护时，需考虑避雷器对中性点工频暂态过电压的作用。

关键词：中性点；变压器；避雷器；间隙；工频过电压；雷电过电压

0 引言

为了短路电流和满足继电保护整定的需要，我国110kV系统采用了部分变压器中性点接地系统。因此，在不接地的变压器中性点上会产生各种过电压[1-4]，这些过电压都会对中性点的绝缘造成损害，需加以。我国一般采用棒间隙和氧化锌避雷器来中性点的过电压，而放电间隙的长度和氧化锌避雷器的参数须根据中性点上的过电压值经详细选择得出。且若采用放电间隙与避雷器并联的保护方式，两者还有绝缘配合失调的可能性[5-6]，因此更需要对中性点上可能出现的过电压进行详细计算后，才能确定具体的避雷器参数和间隙长度。

但是，变压器中性点过电压的计算，特别是对于中性点工频过电压，以往只采用一般性的理式来计算，而以往的间隙距离整定和氧化锌避雷器型号选择也均是基于理式得出[7-16]，对于一个实际电力系统中变压器中性点过电压的具体仿真第35卷第3期电网技术 153

计算和分析，涉及较少。本文使用PSCAD/EMTDC 软件，以重庆电网某110kV系统为背景，计算了该系统中各台不接地主变中性点的各种类型的过电压，并根据取得的过电压值研究了保护中性点绝缘所应采取的措施。

1 重庆110kV系统的仿真

1.1 重庆110kV系统

取重庆江北电力局人和220kV变电站及与其相连的所有110kV变电站(牵引，龙坝，董家溪，万紫山，李子坝，苗儿石，机场，松树桥)建模，见图1。由于李子坝、牵引站、机场站缺乏相关的具体数据，所以仅考虑龙坝、董家溪、松树桥、万紫山、苗儿石5个站点。人和站相连到石坪500kV 变电站(图中未画出)，以石坪站为等值点，以使得各110kV站母线处的仿真短路电流与实际值较接近。

牵引龙坝

图1重庆江北区电网部分110kV系统

Fig. 1 110kV power system in Chongqing

1.2 参数设置

中性点接地方式：人和220kV变电站共2台变压器，一台主变220kV和110kV侧中性点均接地，另一台主变高中压侧均不接地。所有110kV变电站的主变110kV侧中性点均不接地。

线路参数：取自重庆电网实际数据。

变压器参数：由于变压器中性点的过电压有高频分量，所以变压器模型采用了图2所示的高频模型。变压器的工频特性用经典变压器模型(由T表示)和漏阻抗(R k i，L k i，i=1,2，1、2分别表示一次侧和二次侧)模拟。经典变压器模型考虑了变压器的磁路耦合、铁损和铁心饱和特性。用集中参数电容表示绕组容性耦合对高频特性的影响。其中包括一次线圈对地电容C11、二次线圈对地电容C22、一二次绕组匝间电容(C k1，C k2)、一二次线圈之间杂散电

图2变压器高频模型

Fig. 2 Wide band model of transformer

容C12。电容参数取自实际变压器的数据。

1.3 计算条件和方法

本文共计算如下几种过电压：

1）有效接地系统下各处发生单相接地故障时，各不接地主变中性点工频过电压，及系统失去接地中性点后发生单相接地故障时不接地主变中性点的工频过电压。

2）非全相运行过电压，需要分类计算，按以下的情况来分类计算：①线路断线在中性点产生的过电压；②断路器非全相分合闸在中性点产生的过电压；③非全相运行时，空载变压器中性点上可能产生的铁磁谐振过电压。

3）操作过电压，分为单相重合闸及三相合空线2种情况，过电压取98%统计值。

4）雷电过电压，及考虑加装不同型号避雷器后的限压效果。

2 中性点过电压仿真计算结果

2.1 单相接地工频过电压

考虑不对称程度最高的单相接地故障。中性点上的工频过电压波形如图3所示。

变压器中性点的电压波形可分为稳态和暂态2部分来考虑。暂态部分为操作过电压波形，考虑其峰值。稳态部分为工频过电压波形，考虑其有效值。

经计算，当各条线路上各点发生单相接地故障时，中性点工频过电压的最值均出现在故障点位于

t/s

中

性

点

过

电

压/

k

V

−40

0.35

−20

20

0.36 0.37 0.38

图3单相接地故障下变压器中性点的过电压波形

Fig. 3 Overvoltage waveform on the neutrals when

single phase grounding fault occurs154 于化鹏等：110kV变压器中性点过电压的计算及其保护策略V ol. 35 No. 3 变电站母线的时刻。所以为了得到各不接地主

变中性点最严重的工频过电压，将单相接地故障点

取在各变电站母线，并分为暂态和稳态2部分考虑，

如表1、2所示。

表1各不接地变压器中性点的暂态过电压峰值

Tab. 1 Transient power frequency overvoltage peak on

neutrals of ungrounded power transformers

故障点万紫山

主变/kV

龙坝

主变/kV

松树桥

主变/kV

董家溪

主变/kV

苗儿石

主变/kV

人和站母线 105.6 100.1 122.1 120.6 112.4 万紫山母线 116.3 59.7 74.9 101.8 100.8 龙坝站母线 109.2 95.7 125.9 124.8 115.7

松树桥母线 53.9 47.4 107.9 58.1 59.2

董家溪母线 35.5 34.9 36.8 90.6 40.2

苗儿石母线 49.2 52.2 53.2 72.7 96.4

表2各不接地变压器中性点的稳态过电压有效值Tab. 2 Steady state power frequency overvoltage RMS on neutrals of ungrounded power transformers

故障点万紫山

主变/kV

龙坝

主变/kV

松树桥

主变/kV

董家溪

主变/kV

苗儿石

主变/kV

人和站母线 22.7 22.7 22.7 22.7 22.7 万紫山母线 26.1 17.8 17.8 17.8 17.8 龙坝站母线21.7 21.7 21.7 21.9 21.9 松树桥母线13.5 13.5 30.6 13.5 13.5 董家溪母线 9.9 9.9 9.9 35.2

9.9

苗儿石母线13.5 13.5 13.5 13.5 30.5

由表1、2可见，各不接地主变中性点最大的工频过电压稳态值和暂态值已经用下划线标出。最大稳态工频过电压有效值为22.7~35.2kV。而主变中性点工频暂态过电压峰值的最大值为125.9kV。由于有效接地系统下发生单相接地故障时，中性点工频过电压不超过中性点的工频电压耐受值，所以中性点的放电间隙在此类型故障下不应动作。

上述所计算的是有效接地系统发生单相接地故障的情况。在中性点部分接地系统中，还有可能发生系统失地且发生单相接地故障的情况。由于所有110kV变压器中性点均不接地，且仅与220kV 人和变电站相连，接地点位于人和220kV接地主变上，所以只要人和变电站这台接地主变跳开，则所有与人和变电站相连的110kV变电站均失地，此时就可能出现单相接地短路且系统失地的情况。以人和—董家溪线路中某点单相接地故障为例，人和变电站接地主变跳开导致系统失地后，由于没有零序通路，各110kV主变中性点的电压均上升至峰值为106kV，为相电压，严重威胁中性点的绝缘安全。失地后相线的电压也会上升到峰值为170kV，为线电压，严重威胁线端设备的安全，波形不再给出。

由上述计算结果可见，系统失地后，不但中性点的工频过电压会上升到相电压，相线处电压也上升为线电压，这会对线端设备造成损害且还可能造成磁饱和现象烧毁电压互感器。为了避免此情况的发生，需在中性点安装间隙来保护中性点绝缘，并在系统失地时通过间隙放电改变系统的接地方式来使系统重新变成有效接地系统。

2.2 非全相运行过电压

电网在非全相运行时，中性点会出现过电压，这是由三相的不对称造成的。非全相运行有以下几种情况：线路发生断线；用同期性能不良或可能产生单相、两相拒动的断路器非全相分合闸；断线造成的铁磁谐振过电压。下面分别考虑这3种情况。

1）断线过电压。

以人和—董家溪线路为例，计算断线后各主变中性点的过电压如表3所示。

表3断线故障下各不接地变压器中性点的

稳态和暂态过电压峰值

Tab. 3 Transient and steady state power frequency

overvoltage peak on neutrals of ungrounded power

transformers when line disconnect fault occurs

变压器

万紫山

主变

龙坝

主变

松树桥

主变

董家溪

主变

苗儿石

主变

中性点电压峰值/kV 1.9 1.633 1.665 100.2 1.859除董家溪主变外各站主变中性点电压均很低，可以不考虑。而由于发生断线的是人和—董家溪线路，且董家溪110kV侧只有1回进线，所以对于董家溪站来说，人和—董家溪线路发生断线相当于董家溪站主变断路器发生了非全相分合闸，所以董家溪站主变中性点电压达到了相电压。

2）断路器非全相分合闸时中性点的过电压。

以董家溪变电站为例，计算断路器非全相分合闸时各主变中性点的过电压。经计算，非全相分闸和非全相合闸在中性点的过电压波形相同，所以只考虑非全相分闸。非全相分闸条件下董家溪站主变中性点过电压波形为工频波形，数值见表4。可见，单相合上、两相断开时中性点电压为相电压，两相合上、一相断开时中性点电压为0.5倍的相电压。

3）断线造成的铁磁谐振过电压。

带有非线性电感元件和电容的回路中，在参数匹配时，会发生铁磁谐振过电压。非全相运行时的串联铁磁谐振回路，电感是空载变压器的激磁电表4非全相合闸后董家溪站变压器中性点的过电压峰值Tab. 4 Overvoltage on neutral point of Dongjiaxi

transformer when non-full phase closing fault

(1 phase closing) occurs

运行方式单相合上、两相断开两相合上、一相断开中性点过电压/kV 99.7 49.8

第35卷 第3期 电 网 技 术 155

感，电容是导线的对地电容、相间电容以及电感线圈的对地杂散电容等。铁磁谐振现象多见于10、

35 kV 等中性点绝缘系统，在110、220 kV 的中性点直接接地系统中也偶有发生。对于中性点直接接地系统，若要发生铁磁谐振过电压则需变压器空载且负载侧中性点不接地。

仍以董家溪变电站为例计算中性点铁磁谐振过电压。使董家溪站2台主变空载，中性点的电压波形见图4，可见，中性点发生了较严重的铁磁谐振过电压，峰值达261.2 kV ；且持续时间较长，可能达数s ，危害也较大，必须通过中性点间隙放电来加以。

t /s

中性点过电压/k V

−300

0.4 −100

100

0.5 0.6 0.7

0.3 0.8300

图4 董家溪主变中性点铁磁谐振过电压

Fig. 4 Ferro-resonance overvoltage on neutral point of

Dongjiaxi transformer when 2 phase disconnect

fault occurs

董家溪站母线相线的过电压波形如图5所示，相线处也产生了较严重的铁磁谐振过电压，峰值达

410.1 kV ，严重威胁线端设备的安全，线端避雷器在这种长时间过电压作用下可能爆炸，所以难以这种过电压，仍然必须通过中性点间隙放电来使铁磁谐振过电压消失。

t /s

相线过电压/k V

−−

图5 董家溪站相线处电压波形

Fig. 5 Ferro-resonance overvoltage on phase line of Dongjiaxi substation when 2 phase disconnect fault occurs

2.3 操作过电压

由于110 kV 系统较严重的过电压为合闸过电压，所以此处只考虑三相合空线和单相重合闸故障在中性点所产生的过电压。经计算，各不接地主变

中性点的三相合空线过电压和单相重合闸过电压峰值最大不超过30 kV ，远远低于变压器中性点的绝缘耐受水平，可以不用考虑。 2.4 雷电过电压

以某110 kV 变电站为例计算变压器中性点的雷电过电压。由于单回进线单台变压器的运行方式下中性点的雷击过电压最大，所以均按此运行方式计算。采取雷击线路杆塔反击作为雷电侵入波，雷电流幅值取为负极性，2.6/50 μs 。雷击点选为进线处第1级杆塔。

本计算中采用以线饼为单元的变压器等值回路模型[17]。中性点雷电过电压的波形如图6所示。

t /μs 中性点过电压/k V

−400

100

−200200200 300 400 0500

图6 变压器中性点雷电过电压波形 Fig. 6 Lightning overvoltage wave on

neutrals of transformer

根据标准规定，110 kV 变压器中性点所采用的避雷器额定电压不能低于39.8 kV ，且其残压应低于中性点的雷电耐压，所以中性点可选择的避雷器主要有YW–73/200，YW–72/186，YW–60/144，YW–

55/140及YW–48/109这几种型号，标称电流主要有1 kA 和1.5 kA 。

由于雷电波作用下中性点电流一般较低，所以这2种标称电流的避雷器均可采用。下面计算中性点使用各种型号避雷器(标称电流采用国标中规定的1.5 kA)后，雷电流为250 kA 时避雷器的残压和电流，如表5所示。

表5 加装不同型号避雷器后中性点的电压及电流 Tab. 5 The lightning overvoltage peak on neutral point of transformer when several types of arrester is installed

避雷器型号

中性点电压/kV

中性点电流/kA

Y1.5W–48/109 103.2 0.299 Y1.5W–55/140 129.6 0.245 Y1.5W–60/144 134.1 0.236 Y1.5W–72/186 168.6 0.162 Y1.5W–73/200 177.4

0.135

由于在间隙和避雷器配合的保护方式下，雷电过电压作用下应由避雷器动作，而间隙不应动作，所以在上面所得到的中性点避雷器残压下间隙不应动作，也就是间隙的50%雷电放电电压值应大于

该残压，从而可以得到间隙距离的下限。

3 110kV变压器中性点的保护

3.1 只安装放电间隙

由上述计算可得，失地后发生单相接地故障、非全相操作等故障可能在中性点产生高达相电压的过电压，威胁中性点及线端设备的安全，所以中性点需安装放电间隙。若只安装避雷器，则无法保护线端设备和中性点的安全，且避雷器自身也有爆炸的危险。

当只采用间隙保护中性点时，首先，间隙的工频放电电压应小于失地后发生单相接地故障及非全相运行情况下中性点的工频过电压(即相电压63.5~70kV)，且需考虑到间隙工频放电的分散性和气象系数 1.05，由此得出间隙距离不应大于140mm。且由于间隙在有效接地情况下发生单相接地故障时不应动作，所以应躲过有效接地情况下中性点的稳态及暂态(可认为是操作过电压)过电压峰值。由于工频暂态过电压较高，所以只要能躲过工频暂态过电压就可以躲过工频稳态过电压，故只考虑暂态过电压。苗儿石和万紫山站主变中性点的最大工频暂态过电压均约为115kV，此2个变电站的中性点间隙距离可选为130~140mm；松树桥和董家溪站中性点的最大工频暂态过电压均约为125kV，为了保证一定的放电裕度，此2个变电站的主变均应采用距离为140mm的间隙。龙坝站中性点工频暂态过电压较低，选用110~140mm间隙即可。

由于间隙放电分散性较大，在上述保护配置下，间隙仍可能在有效接地系统下单相接地故障时误动，或由于非全相运行等故障中性点电压上升到相电压时拒动。且间隙在雷电过电压作用下放电后需由继电保护切断工频续流，可能造成停电事故。

3.2 避雷器与间隙并联保护

理想的绝缘配合效果是由避雷器保护雷电过电压，由间隙保护工频及谐振过电压。间隙仍需在相电压下动作，即仍需小于140mm，并且要能够躲开有效接地系统下单相接地故障时中性点的工频稳态和暂态过电压。此外间隙还需满足在避雷器残压下不动作。

中性点加装避雷器对中性点工频暂态过电压有一定的作用，见表6，在选定间隙参数时应考虑到这一点。

表6各不接地变压器中性点的暂态过电压峰值

Tab. 6 Transient power frequency overvoltage peak on neutrals of ungrounded power transformers 避雷器型号

万紫山

主变/kV

龙坝

主变/kV

松树桥

主变/kV

董家溪

主变/kV

苗儿石

主变/kV 原最大值116.3 100.1 125.9 124.8 115.7 YW–48/10992.9 86.3 90.8 92.3 92.1 YW–55/140107.4 91.4 106.0 108.9 107.1 YW–60/144110.2 93.4 110.0 113.3 110.2 YW–72/186114.4 93.8 118.8 122.9 114.6 YW–73/200114.7 93.9 119.6 123.2 114.8 根据间隙需躲过中性点最大工频暂态过电压的原则，以及不同间隙的操作放电电压可以得出：对于YW–48/109型号避雷器，各主变只需采用100mm以上的间隙，就可以躲过最高只为92.9kV 的工频暂态过电压；对于YW–55/140和YW–60/144型号避雷器，龙坝站仍只需采用100mm以上距离的间隙，其余各站需采用130mm以上的间隙才能躲过中性点工频暂态过电压；而对于YW–72/186和YW–73/200型号避雷器，龙坝站仍只需采用100mm以上距离的间隙，万紫山和苗儿石站仍需采用130~140mm间隙，但董家溪站主变和松树桥站主变中性点工频暂态过电压过高，只能采用140mm间隙。

若采用YW–72/186或YW–73/200型号避雷器，则由于额定电压高于相电压，当中性点电压上升到相电压时避雷器不会有爆炸的危险。根据前面的计算结果，加装这2种避雷器且反击雷电流为250kA 时避雷器残压为168.6kV和177.4kV。而即使间隙距离取为上限140mm，其50%雷电放电电压也仅为144kV，较大程度地低于残压值，所以间隙很可能会在避雷器的残压下放电。所以将YW–72/186型号避雷器或YW–73/200型号避雷器与140mm间隙并联来保护变压器的中性点时，雷电过电压下也主要由间隙放电保护变压器中性点，避雷器基本失去了应有的作用。

若采用YW–48/109型号避雷器，其在雷电过电压下的残压为103.2kV，而110mm间隙的雷电放电电压达到了123kV，只要间隙距离大于110mm 就基本可以保证间隙不会在避雷器的残压下动作，即雷电过电压可只由避雷器保护，这是本保护方法相比使用YW–72/186避雷器与间隙并联保护的优势。该避雷器的额定电压为48kV，为了防止避雷器在高于48kV的工频电压作用下爆炸，间隙的工频放电电压应低于48kV。而100mm的间隙工频放电电压超过了48kV，所以理论上间隙距离应低于第35卷第3期电网技术 157

100mm。但是实际上由于有效接地系统的接地系数小于3，所以有效接地系统下单相接地短路时的中性点工频稳态过电压一般不会超过43kV，更不会达到48kV。若在失地系统下发生了单相接地故障，则中性点工频稳态过电压就会上升到了相电压(63.5~70kV)，这时间隙已经动作，确保了避雷器的安全。所以实际上中性点工频稳态过电压处于48~63.5kV之间的可能性极小，避雷器爆炸的可能性也极小，因此后面的整定中也不再设置间隙的工频放电电压必需低于避雷器额定电压的。各主变只需采用110~140mm的间隙即可。

若采用YW–55/140型号避雷器，其在雷电过电压下的残压为129.6kV，对应120mm距离的放电间隙，为了保证雷电过电压由避雷器保护且间隙在避雷器残压下基本不放电，间隙距离至少应大于130mm。所以各站需采用130~140mm的放电间隙。

若采用YW–60/144型号避雷器，其在250kA 反击雷电流作用下的残压为134.1kV，为了使间隙在避雷器残压下不动作，间隙的50%雷电放电电压应高于此残压值。由于140mm间隙的50%雷电放电电压为144kV，接近此型号避雷器的残压，所以间隙距离也不应低于140mm，建议各站主变均采用YW–60/144型号避雷器与140mm间隙并联保护变压器中性点。

上述保护方式可能存在的缺点是由于避雷器残压与间隙的50%雷电放电电压较为接近，而间隙放电又有很大分散性，间隙在较高的避雷器残压下仍可能动作，即避雷器可能失去应有的作用。此外，间隙还可能在中性点电压上升到相电压时拒动或在有效接地系统下单相接地时中性点的工频暂态过电压下误动。

当采用YW–60/144、YW–48/109、YW–55/140等额定电压低于相电压的避雷器时，由于间隙放电的分散性很大，有可能在变压器中性点电压升高到相电压时间隙仍然拒动，此时由于避雷器额定电压偏低，可能会爆炸。

4 结论

1）中性点工频过电压在母线处单相接地短路时达到最大值。

2）松树桥和董家溪站中性点的工频暂态过电压最大，为125kV，苗儿石和董家溪站中性点的工频暂态过电压为115kV左右，龙坝站的工频暂态过电压仅为100kV左右。

3）在失地的情况下发生单相接地故障，断路器非全相分合闸及断线造成的铁磁谐振情况下，中性点电压会上升到相电压或更高，危害中性点的绝缘安全，所以中性点应安装放电间隙。

4）中性点的雷电过电压可能超过中性点耐受值，加装避雷器后避雷器上流过的电流远小于1kA，选择标称电流为1kA的避雷器足以满足要求。

5）当采用间隙与避雷器并联保护时，需考虑到避雷器对中性点工频暂态过电压的作用。

6）在选用间隙与避雷器保护中性点安全时，即使参数经过仔细的选择，由于间隙放电的分散性过大，仍有绝缘配合失调的可能性。

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收稿日期：2010-09-21。

作者简介：

于化鹏(1987)，男，硕士研究生，主要从事电力

系统过电压的研究工作；

陈水明(1968)，男，博士，教授，博士生导师，

从事雷电物理及其防护、电磁环境的教学与科研工

作，E-mail：chensm@tsinghua.edu.cn。

（责任编辑

李兰欣）于化鹏