變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓一次保護(hù)與二次保護(hù)研究

摘要：通過(guò)介紹變壓器的中性點(diǎn)過(guò)電壓在不接地等方式下的安全隱患，引出了一系列關(guān)于保護(hù)變壓器不被擊穿故障的方法。規(guī)范了變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓的計(jì)算步驟，繼而分析其間隙異常擊穿的典型案例，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)中性點(diǎn)間隙繼電保護(hù)的整定原則進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：變壓器；中性點(diǎn)間隙；過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作；一次保護(hù)；二次保護(hù)

前言

最近幾年，因?yàn)榫€路單相接地、系統(tǒng)非全相運(yùn)行故障引發(fā)中性點(diǎn)間隙異常擊穿導(dǎo)致變壓器跳閘事件屢見(jiàn)不鮮。為了從根本上解決此類(lèi)問(wèn)題，筆者進(jìn)行了深入研究，得出，要解決變壓器中性點(diǎn)異常擊穿等問(wèn)題，重點(diǎn)應(yīng)從變壓器中性點(diǎn)二次保護(hù)措施上下功夫。

1.中性點(diǎn)過(guò)電壓的保護(hù)措施

在某些110KV或220KV的變電站中，為了有效制止單相接地短波電流，滿(mǎn)足零序電流保護(hù)好整定配置的需求，一些變壓器采取了中性點(diǎn)不接地的方式。但是如果應(yīng)用這種方法，極易導(dǎo)致雷擊時(shí)造成變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓過(guò)高，對(duì)中性點(diǎn)的絕緣層構(gòu)成安全隱患。因此需要引入一系列保護(hù)措施，以防止變壓器絕緣故障的發(fā)生。

科學(xué)的保護(hù)措施，應(yīng)根據(jù)具體的情況采用合理的保護(hù)方式，對(duì)變壓器中性點(diǎn)進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)。一般情況下，中性點(diǎn)的保護(hù)包括一次過(guò)電壓保護(hù)與二次繼電保護(hù)。其中，一次過(guò)電壓保護(hù)又分為避雷器保護(hù)、間隙保護(hù)、避雷器與間隙聯(lián)合保護(hù)。二次繼電保護(hù)又分為間隙零序過(guò)電流、直接接地零序過(guò)電流保護(hù)、母線3U0過(guò)電壓保護(hù)。保護(hù)措施應(yīng)確保變壓器的中性點(diǎn)以不接地方式運(yùn)行時(shí)，大氣過(guò)電壓和系統(tǒng)接地瞬間故障時(shí)避雷器動(dòng)作，棒間隙不應(yīng)被擊穿；在某些系統(tǒng)故障引起的工頻過(guò)電壓時(shí)，棒間隙放電，同時(shí)刻間隙零序電流保護(hù)動(dòng)作切除變壓器，并把間隙過(guò)電壓的保護(hù)作為后備保障。

2.中性點(diǎn)工頻過(guò)電壓的計(jì)算分析

2.1單相接地故障

由節(jié)點(diǎn)電壓法故障分析的等值序網(wǎng)絡(luò)理論可得出，在單相接地故障時(shí)，非接地方式運(yùn)行變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電壓可用所在的母線零序電壓代替。并且故障點(diǎn)處的零序電壓最高。因此，在變電站母線處接地做法產(chǎn)生故障時(shí)，可用以下公式：

其中UG為變壓器中性點(diǎn)工頻過(guò)電壓，U0m為母線的零序電壓；Ue為系統(tǒng)故障前的電壓；k為接地的系數(shù)，k=X0/X1（X0，X1分別為故障點(diǎn)等值零序阻抗、故障點(diǎn)等值正序阻抗）。一般情況下有效接地系統(tǒng)k<3，當(dāng)k=3時(shí)過(guò)電壓最高，此時(shí)中性點(diǎn)工頻過(guò)電壓UG=0.6Ue。

在額定的運(yùn)行電壓下，對(duì)于變壓器10KV側(cè)、220KV側(cè)中性點(diǎn)工頻過(guò)電壓：

2.2系統(tǒng)非全相運(yùn)行

由于斷路器并不是全相分合閘，造成的中性點(diǎn)過(guò)電壓，當(dāng)系統(tǒng)一相開(kāi)關(guān)合上或正處于分開(kāi)的斷路器一相斷口擊穿時(shí)，變壓器中性點(diǎn)的工頻過(guò)電壓UG的數(shù)值可以近似看作為相電壓：

系統(tǒng)單相運(yùn)行相似于變壓器與電感線路電容串聯(lián)后形成的回路。如果參數(shù)匹配則會(huì)產(chǎn)生核磁共振，并在中性點(diǎn)周?chē)a(chǎn)生較高的過(guò)電壓。如果是兩個(gè)電源電壓反相的雙電源則中性點(diǎn)的電壓為雙倍的相電壓，此概率基本較小。

3.中性點(diǎn)間隙異常擊穿案例分析

在實(shí)際操作中，還存在一定的局限性，比如變壓器中性點(diǎn)間隙一次保護(hù)和避雷器動(dòng)作特性配合困難等，電網(wǎng)負(fù)荷固有的反饋效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在某一次系統(tǒng)故障發(fā)生時(shí)，變壓器中性點(diǎn)間隙的異常擊穿、短時(shí)工頻過(guò)電壓可分為兩種情況：第一種情況是110KV系統(tǒng)發(fā)生了接地故障，系統(tǒng)側(cè)跳開(kāi)之后，因?yàn)樨?fù)荷側(cè)反饋效應(yīng)形成110KV變壓器中性點(diǎn)短時(shí)工頻過(guò)電壓。第二種情況是接地故障中的220KV或者110KV變壓器中性點(diǎn)間隙的異常擊穿。這兩種情況分別可能造成中性點(diǎn)不接地運(yùn)行變壓器間隙過(guò)電流、過(guò)電壓的保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致變壓器跳閘、負(fù)荷損失等，可能使系統(tǒng)零序后備誤動(dòng)作。

4.現(xiàn)行中性點(diǎn)間隙繼電保護(hù)的整定原則

一般中性點(diǎn)間隙保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限不需要其他系統(tǒng)的配合，主要是為了躲過(guò)接地故障暫態(tài)的過(guò)程影響，經(jīng)過(guò)間隙過(guò)電流的保護(hù)動(dòng)作后，盡快將被間隙擊穿的變壓器從系統(tǒng)中剔除。中性點(diǎn)不直接接地的220KV變壓器，將中性點(diǎn)間隙零序電流保護(hù)的啟動(dòng)電流整定成為間隙擊穿時(shí)有足夠的靈敏度。一般一次電流的取值為100～120A ，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間延時(shí)0.3s～0.5s，跳開(kāi)變壓器各側(cè)斷路器；其3U0定值（3U0額定值為300V）一般整定為180V，0.5s。國(guó)家電網(wǎng)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW175-2008《變壓器、高壓并聯(lián)電抗器和母線保護(hù)及輔助裝置標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范》中一個(gè)220KV變壓器的零序電壓保護(hù)的初始零序電壓定值為3U0定值電壓固定為180V，時(shí)間固定為0.5s，間隙電流保護(hù)范圍內(nèi)的固定值為100A。110KV變壓器間隙繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限，對(duì)于中低壓側(cè)沒(méi)有電源的上網(wǎng)裝置，間隙零序電流的動(dòng)作時(shí)間一般整定為1.5s，具體動(dòng)作時(shí)間也可按照該變電站110KV線路的一級(jí)接地故障保護(hù)和二段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，并留有一定裕度進(jìn)行整定，間隙過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作后時(shí)間延時(shí)1.5s，該時(shí)限考慮了負(fù)荷反饋效應(yīng)衰減及短時(shí)間內(nèi)過(guò)壓返回的可能性。相應(yīng)電線保護(hù)重合時(shí)間應(yīng)大于該動(dòng)作時(shí)限可取2.0秒。

5.結(jié)語(yǔ)

為了解決單相接地造成的安全隱患，介紹了當(dāng)下比較常用的避雷器保護(hù)、間隙保護(hù)、避雷器與間隙聯(lián)合保護(hù)的實(shí)際操作案例，并且對(duì)單相接地故障和系統(tǒng)非全相運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)工頻過(guò)電壓進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析，最終得出了通過(guò)控制間隙過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間（延長(zhǎng)）來(lái)保護(hù)電路安全的最優(yōu)方案。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：趙雁強(qiáng)（1985-），男，湖北宜昌人，畢業(yè)于三峽大學(xué)科技學(xué)院大學(xué)本科，主要研究方向： 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。