海拔分级绝缘的变压器中性点保护

云南电网110、220kV分级绝缘的变压器

中性点保护方案的研究

一、概述

为了单相接地短路电流、防止通讯干扰和继电保护整定配置等要求，110~220kV中性点有效接地系统中常采取部分变压器中性点不接地运行方式。这些变压器通常为分级绝缘结构，中性点绝缘水平较为薄弱，具体耐受值如表1所示：

表1、分级绝缘变压器中性点绝缘水平

系统标称电压	设备最高电压	中性点接地方式	雷电冲击全波和截波耐受电压 （峰值）kV	短时工频耐受电压（内、外绝缘、干试与湿试）kV
110kV	126kV	不固定接地	250	95
220kV	252kV	固定接地	185	85
		不固定接地	400	200

对于中性点不接地的变压器，当雷电波从线路侵入变电站到达变压器不接地的中性点时，在三相同时进波情况下，就相当于末端开路的情况，雷电波在中性点全反射，产生近2倍入射波过电压，这种幅值很高的雷电过电压会危及变压器中性点绝缘，需采取保护措施。

对于双母线两台变压器运行的变电站，如果一台变压器中性点接地运行，另一台不接地运行。当母线发生单相接地或线路故障而出线开关又拒动，母联开关跳开时，若接地故障在不接地变压器所在的母线上就可能出现带单相接地故障的局部绝缘系统及非全相运行（单相断线、两相断线、开关拒动），不接地变压器中性点会产生较高幅值的工频稳态过电压，对变压器中性点构成威胁，也必须采取措施加以保护。

DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》中，对分级绝缘变压器中性点保护提出了三条原则：

1、应避免在110kV及220kV有效接地系统中偶然形成局部不接地系统，并产生较高的工频过电压。对可能形成这种局部系统，低压侧有电源的110kV及220kV不接地的中性点应装设间隙，因接地故障形成局部不接地系统时该间隙应动作；系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时间隙不应动作。间隙的选择除应满足这两项要求外，还应兼顾雷电过电压下保护中性点分级绝缘的要求。

2、经验算如断路器操作中因操作机构故障出现非全相或严重不同期时产生的铁磁谐振过电压可能危及中性点绝缘、运行时中性点不接地的110kV及220kV变压器的中性点，应装设间隙。

3、有效接地系统中的中性点不接地的变压器，如中性点采用分级绝缘且未装设保护间隙，应在中性点装设雷电过电压保护装置，且宜选变压器中性点金属氧化物避雷器。

根据以上原则，云南电网110、220kV分级绝缘的变压器中性点保护宜采用间隙并联金属氧化物避雷器方式；棒间隙接地端串零序CT，当发生失地及开关非全相运行时，棒间隙击穿放电，使零序CT保护动作，一方面保护变压器中性点绝缘，另一方面也改变孤立不接地系统运行方式，避免由于异常运行方式而引起线端设备的损坏。

    云南地处高海拔地区，间隙放电电压会随海拔高度的增加而降低，因此必须对不同海拔高度地点安装的中性点间隙距离进行修正，以满足保护特性对间隙的要求。

二、220kV不接地变压器中性点保护方式的选择

1、保护原则

当系统发生单相接地故障及开关单相重合闸过程中棒间隙不应放电，以免继电保护误动。当系统因单相接地故障转变为中性点局部绝缘系统（K=∞），系统非全相运行、发生谐振故障及高于一定幅值的外过电压下棒间隙应动作，保护变压器中性点绝缘及线端设备的绝缘。

2、计算故障情况下中性点过电压

X0

X2

X1

当发生单相接地故障时，利用对称分量法进行分析，故障点j处出现零序电压Uj0（见图1）。

Δ

T2

~

UΦm

~

Δ

T1

j

图1  单相接地故障

由于零序电流I0j只能流过中性点接地的变压器T1，而T1的中性点电压为零，不会产生零序位移电压。对于中性点不接地的变压器T2，由于零序电流没有流通回路，线路上不会产生零序压降，T2母线上的零序电压U0 即等于故障处的电压Uj0,利用故障点j处的等效序网图，求出故障处零序电压。令   x1=x2  K=x0/x1

Uj0= UΦm x0/(2x1+x0)=UΦm·K/(2+K)                （有效值）       (1)

母线上的零序电压作用在变压器线端时，由于变压器存在等值电感和等值对地电容，在变压器内部将产生一个高频振荡过程，在不接地的变压器中性点上有暂态过电压。

U0ˊ=[（1+r）·K/（K+2）-(1+2)·r/3] UΦm   （峰值）        (2)

式中 UΦm——系统最大运行相电压

r——变压器振荡衰减系数取0.8

——电容系数取0.15, =Cx(Cx+Ce)

Cx——相间电容

Ce——相对地电容

高频振荡衰减后，单相接地进入稳态，不接地的变压器中性点的稳态过电压即为故障处的零序电压。

3、 棒间隙的放电特性

我们在云南省电力中试基地采用直径12mm水平布置端部为半圆形棒间隙进行了负极性雷电冲击全波及工频放电特性试验,试验结果已校正到标准参考大气条件:温度t0=20℃,压力b0=101.3kPa,绝对湿度=11g/m3。具体数据见表2、表3所示：

表2 棒-棒间隙工频放电试验结果(有效值)

间隙距离(mm)	100	150	200	300	350	400	500	600	650
工放电压（kV）	57.7	74.8	86.0	97.9	116.2	130.3	169.6	192.5	205.5

表3 棒-棒间隙雷电冲击放电试验结果（幅值）

间隙距离(mm)	150	200	250	300	340	400	450	500	550
雷电冲击电压（kV）	133.9	171.1	216.0	233.9	236.4	272.1	304.9	332.0	354.3

4、棒间隙工放、冲放上限值校核

根据220kV系统运行电压的调整要求,发电侧和500kV变电站220kV母线运行电压在额定电压0,+10%;其他为-3,+7%。综述起来，220kV母线电压运行范围为额定电压－3,+10%范围内。

当x0/x1=∞时，局部系统故障失地，相电压长时间加在变压器中性点上危及变压器绝缘和线端设备绝缘，这时，棒间隙应动作。局部系统故障失地时，U0的范围为１23~140kV（有效值），因此棒间隙在123kV下应击穿。

变压器中性点标准雷电冲击全波和截波耐压水平400kV（幅值）取绝缘老化积累系数0.85，实际上变压器中性点正常情况下不承受电压，要保证变压器不损坏，棒间隙的雷电冲击放电电压不应超过340kV。`

选取300mm棒间隙，工放电压97.9kV（标准偏差取1%），考虑到放电的分散性，取3δ放电率达99.86%；并取气象数1.1，即300mm棒间隙工放电压上限值（有效值）为97.9×1.03×1.1=111kV，低于123kV；棒间隙雷电负极性冲击全波50%放电电压为233.9kV，考虑到棒间隙的放电分散性，50%冲击放电电压标准偏差取2%，并取3δ，故300mm棒间隙的雷电负极性冲击全波50%放电电压上限为：233.9×1.06×1.1=273kV，远低于340 kV。因此，选取300mm的间隙，完全能保护变压器中性点。

5、棒间隙工放电压下限值校核

当有效接地系统发生单相接地故障时，中性点棒间隙不应动作。K=3时，220kV系统单相接地中性点稳态电压的范围为74~84 kV（有效值），棒间隙距离300mm工放电压下限值（有效值）为：97.9×0.97×0.9=85kV,可以满足要求。

因此选取棒-棒间隙距离为300mm是比较合适的。

5、金属氧化物避雷器的选取

根据间隙的工频放电电压和雷电冲击放电电压要求，对照GB11032-2000，选取避雷器的参数如下是比较合适的。

表4、220kV中性点金属氧化物避雷器参数

额定电压（kV,rms）	持续运行电压(kV,rms)	标称放电电流1.5kA等级
		雷电冲击残压	操作冲击残压	直流1mA参考电压
		不大于（kV,幅值）		不小于（kV）
144	116	320	299	205

三、110kV分级绝缘的变压器中性点保护方式的选择

1、110kV不接地变压器中性点过电压计算

系统发生单相接地故障，中性点不接地的变压器将产生位移电压，其值与线路电容、零序及正序阻抗的大小有关，不考虑线路电容影响时稳态电压：

U0=UΦm·K/（K+2）      （有效值）

式中： K——零序电抗x0与正序电抗x1之比值，称为不平衡系数

UΦm—— 系统最大运行相电压。

进入稳态前的振荡过程中暂态过电压为：

U0m=(1+r)··UΦm·K/（K+2）          （峰值）

r——变压器振荡衰减系数，纠结式绕组为0.5，连续式绕组0.8

U0m——高频衰减波，振荡频率12~16kHz，相当波头16~21µs的操作波，衰减时间常数为200~250µs，持续时间为7~8个周波。

根据110kV系统运行电压的调整要求,其母线电压运行范围是在额定电压-3,+7%内。

2、棒间隙工放、冲击放电上下限校核

当x0/x1=∞时，局部系统故障失地，相电压长时间加在变压器中性点上危及变压器绝缘和线端设备绝缘，这时，棒间隙应动作。而当局部系统故障失地，U0的范围为61.6~68kV，因此棒间隙在61.6kV下应击穿。

变压器中性点标准雷电冲击全波和截波耐压水平250kV（幅值）取绝缘老化积累系数0.85，实际上变压器中性点正常情况下不承受电压，要保证变压器不损坏，棒间隙雷电冲击放电电压不应超过212.5kV。

当有效接地系统发生单相接地故障时，中性点棒间隙不应动作。K=3时，单相接地中性点稳态电压的范围为37~41 kV。因此棒间隙在41kV下不应放电。

选取间隙距离90mm，工放电压为54kV（标准偏差取1%），考虑到放电的分散性，取3δ放电率达99.86%；并取气象数1.1，即90mm棒间隙工放电压（有效值）上限值为54×1.03×1.1=61kV，低于61.6kV；90mm棒间隙工放电压下限值为54×0.97×0.9=47.1kV，大于41kV；90mm棒间隙雷电负极性冲击全波50%放电电压为110.2kV，考虑到棒间隙的放电分散性，50%冲击放电电压标准偏差取2%，并取3δ，故90mm棒间隙的雷电负极性冲击全波50%放电电压上限为：110.2×1.06×1.1=128.5kV，远低于212.5 kV。因此，选取90mm的间隙，完全能保护110kV变压器的中性点绝缘。

3、避雷器技术参数的确定

根据间隙的工频放电电压和雷电冲击放电电压要求，对照GB11032-2000，选取避雷器的参数如下是比较合适的。

表5、110kV中性点金属氧化物避雷器参数

额定电压（kV,rms）	持续运行电压(kV,rms)	标称放电电流1.5kA等级
		雷电冲击残压	操作冲击残压	直流1mA参考电压
		不大于（kV,幅值）		不小于（kV）
60	48	144	135	85

四、不同海拔高度间隙距离的修正

　　根据原水利电力部SD119-84规程及行业标准DL/T 620-1997规定，不同海拔高度气象参数如表 6所示

    表6：不同海拔高度的气象参数

海拔高度(m)	0	500	1000	1500	2000	2500
相对气压	1	0.945	0.888	0.835	0.786	0.741
相对空气密度	1	0.955	0.9085	0.865	0.824	0.784
绝对湿度（g/m3）	11	9.17	7.	6.37	5.33	4.42

    根据表2、表3所示的实验数据，按照IEC标准对海拔气象参数进行修正，并采用插值法，得到220kV和110kV中性点保护间隙在不同海拔高度下的距离应该符合表7的规定。

    表7：不同海拔高度下的间隙距离值

海拔高度(m)	0	1000	1500	2000	2500
220kV系统中性点间隙距离（mm）	300	340	360	390	410
110 kV系统中性点间隙距离（mm）	90	110	125	135	150

    对于其他海拔高度大于1000m小于2500m范围内的间隙距离的选取，可用上表数据采取插值法来求取。

五 保护间隙安装方法及运行要求

1、使用棒间隙保护时应配合零序保护，即在棒间隙接地端串有CT作为零序信号抽取，零序整定原则有一定时延，即躲开母联开关的跳闸时间。

2、棒间隙可使用直径为12的圆钢，棒间隙宜采用水平布置，端部为半球形，表面加工细致无毛刺并镀锌，尾部应留有15~20mm螺扣，用于调节间隙距离。

3、安装棒间隙时应考虑与周围接地的物体距离大于1m，具体的安装如图2所示。

L2≥0.5m

L1≥1m

▽

S

·

º

CT

h≥2m

图2  棒间隙安装示意图

4、要定期监测棒间隙距离，特别是在间隙动作后，如不符合要求应及时调整。

六、结论

1、变压器带故障失地及开关非全相操作所产生的工频过电压危及变压器中性点绝缘，必须采用棒间隙保护。一方面保护了变压器中性点绝缘，另一方面在变压器带故障失地时，棒间隙动作，改变了孤立的不接地系统的运行方式，避免了由于异常运行方式而引起线端设备的损坏。

2、220kV主变，中性点绝缘水平为110kV等级，可用棒间隙并联MOA进行保护，棒间隙距离根据海拔高度的不同，可按表7进行选取；其金属氧化物避雷器的额定电压为144kV。

3、110kV主变，中性点绝缘水平为35kV等级，可用棒间隙并联MOA进行保护，棒间隙距离根据海拔高度的不同，可按表7进行选取；其金属氧化物避雷器的额定电压为60kV。