110kV電力系統(tǒng)中變壓器中性點(diǎn)接地方式分析

徐粵贛

摘 要：在我國，110 kV和電壓等級更高的電網(wǎng)普遍采用中性點(diǎn)有效接地方式，當(dāng)單相接地故障事故發(fā)生時(shí)，繼電保護(hù)迅速跳閘解除故障。介紹了110 kV變壓器中性點(diǎn)接地方式及其保護(hù)配置，并結(jié)合實(shí)例分析了保護(hù)配置的必要性。

關(guān)鍵詞：變壓器中性點(diǎn)；避雷器；零序保護(hù)；單相接地電流

中圖分類號：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.05.145

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，電力系統(tǒng)的建設(shè)越來越快，在110 kV和更高電壓等級的電網(wǎng)系統(tǒng)中，變壓器是生產(chǎn)電力的主要設(shè)備，具有中性點(diǎn)的絕緣水平比三相端部出線電壓等級低的特點(diǎn)。但在一些變壓器中性點(diǎn)接地的電力系統(tǒng)中，接地短路故障時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了變壓器的中性點(diǎn)絕緣。因此，如何對大型變壓器實(shí)施中性點(diǎn)保護(hù)已成為人們需要解決的問題。

1 變壓器中性點(diǎn)接地方式

1.1 變壓器中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

對于電源中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，如果發(fā)生某單相接地，另兩相電壓不變，這樣會使整個(gè)系統(tǒng)的絕緣水平降低，此外，單相接地還會產(chǎn)生較大的短路電流，使保護(hù)裝置迅速準(zhǔn)確動作，從而提高保護(hù)的可靠性；電源中性點(diǎn)接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)是單相短路電流很大，且還能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定和干擾通訊線路等，因此，要選擇容量較大的開關(guān)和電氣設(shè)備等。

1.2 變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

對于變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，由于限制了單相接地電流，所以，通訊的干擾較小，提高了供電的可靠性；變壓器中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，當(dāng)一相接地時(shí)，另兩相對地電壓升高1倍，易使絕緣薄弱地方擊穿，進(jìn)而造成兩相接地短路。

1.3 我國110 kV變壓器中性點(diǎn)接地的方式

為了限制單相接地短路電流，滿足防止通訊干擾和繼電保護(hù)的整定配置等要求，我國110 kV系統(tǒng)普遍采用1臺變壓器中性點(diǎn)直接接地，其余變壓器的中性點(diǎn)以不接地的運(yùn)行方式，即整體采用部分變壓器中性點(diǎn)接地方式。

2 變壓器中性點(diǎn)過電壓及其保護(hù)

2.1 變壓器中性點(diǎn)過電壓

2.1.1 工頻過電壓

在操作系統(tǒng)或發(fā)生接地故障時(shí)，頻率等于工頻或接近工頻的高于系統(tǒng)最高工作電壓的過電壓。

2.1.2 諧振過電壓

在電力系統(tǒng)中，一些電感、電容元件在進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，會形成各種振蕩回路，加之在一定的能源作用下，會產(chǎn)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)某些元件出現(xiàn)嚴(yán)重的過電壓。

2.1.3 操作過電壓

產(chǎn)生操作過電壓的原因是電力系統(tǒng)中的多數(shù)設(shè)備都是儲能元件，在斷路器或隔離開關(guān)開斷的過程中，儲存在電感中的磁能和儲存在電容中的靜電場能量發(fā)生了轉(zhuǎn)換、過渡的振蕩過程，進(jìn)而因振蕩而引起過電壓。操作過電壓的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間通常比雷電過電壓長，但比暫態(tài)過電壓短，一般在數(shù)百微秒到100 ms之間。

2.2 變壓器中性點(diǎn)保護(hù)的方式

變壓器中性點(diǎn)保護(hù)可采用間隙、避雷器和避雷器并聯(lián)間隙三種方式。采用避雷器并聯(lián)間隙的方式較為常見。避雷器并聯(lián)間隙的保護(hù)分工為：工頻、諧振和操作過電壓由間隙承擔(dān)，雷電過電壓由避雷器承擔(dān)，并用間隙限制避雷器上可能出現(xiàn)的過高幅值的工頻過電壓和過高的殘壓，避免發(fā)生危險(xiǎn)。這種方式既可對變壓器中性點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)，又能起到互為保護(hù)的作用。

2.3 變壓器中性點(diǎn)繼電保護(hù)的配置

2.3.1 不接地零序

為了限制分級絕緣變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的中性點(diǎn)過電壓，應(yīng)在變壓器中性點(diǎn)裝設(shè)用于中性點(diǎn)直接接地和經(jīng)放電間隙接地的2套零序過電流保護(hù)。此外，還應(yīng)增設(shè)零序過電壓保護(hù)，用于經(jīng)間隙接地的變壓器，并裝設(shè)反應(yīng)間隙放電的零序電流保護(hù)和零序過電壓保護(hù)。

2.3.2 接地零序

在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，如果變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行，會引起變壓器過電流。因此，應(yīng)裝設(shè)零序過電流保護(hù)，保護(hù)可由2段組成，其動作電流與相關(guān)線路零序過電流保護(hù)相配合。每段保護(hù)可設(shè)2個(gè)時(shí)限，并以較短時(shí)限動作于縮小故障的影響范圍，或動作于本側(cè)斷路器；以較長時(shí)限動作于斷開變壓器各側(cè)的斷路器。具體保護(hù)過程如圖1所示。

3 案例分析

3.1 系統(tǒng)的運(yùn)行方式

該油田地區(qū)110 kV系統(tǒng)接線以放射狀為主，以220 kV變電站為電源點(diǎn)，通過110 kV線路向各終端變電站輻射，低壓側(cè)無電源。該變電站的上級220 kV變電站為直接接地系統(tǒng)，且要求下級系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)運(yùn)行。該變電站采用避雷器并聯(lián)放電間隙保護(hù)。

110 kV變電站的電源由上級220 kV變電站通過151線路提供，且與另外一座110 kV變電站有一聯(lián)絡(luò)線152，采用開環(huán)運(yùn)行。站內(nèi)2臺主變并列運(yùn)行。

主變110 kV側(cè)間隙零序定值為間隙CT300/51.2 A/0.5 s跳主變?nèi)齻?cè)開關(guān)。

3.2 保護(hù)動作

根據(jù)上級220 kV變電站錄波記錄顯示，151線路接地距離動作開關(guān)0 s跳閘，1.2 s重合閘成功，故障錄波測距22.022 km，故障相為C相。

經(jīng)現(xiàn)場勘查后發(fā)現(xiàn)，造成線路發(fā)生單相接地故障的原因是大型水鳥展翅使線路與橫擔(dān)間短路，為瞬時(shí)單相接地故障。

151線路出口跳閘后，線路故障應(yīng)自動解除，1.2 s后重合閘，即可恢復(fù)正常供電。但因某種原因，151線路出口跳閘后故障依然存在，變壓器中性點(diǎn)的零序電壓引起間隙擊穿，間隙電流超過保護(hù)定值，零序過電流、過電壓同時(shí)動作跳閘，導(dǎo)致2臺主變高后備動作跳三側(cè)開關(guān)。主變跳閘后接地故障點(diǎn)解除后，151線路出口重合閘動作成功。

3.3 保護(hù)分析

由于該變電站以單電源供電的方式運(yùn)行，且低壓側(cè)并沒有并聯(lián)發(fā)電機(jī)，當(dāng)電源進(jìn)線發(fā)生瞬時(shí)單相接地故障時(shí)，上級變電站出口跳閘后故障應(yīng)自動消除，下級變壓器中性點(diǎn)不應(yīng)被擊穿和保護(hù)跳閘。

值得注意的是，上級變電站將線路斷開后，110 kV系統(tǒng)變?yōu)椴唤拥叵到y(tǒng)，且該站進(jìn)線總長為31 km，電容電流約為11 A，如果有電源存在，則故障電弧將難以自動熄滅，在短路電流過零、電弧熄滅后將重燃。由于電弧多次熄滅和重燃，導(dǎo)致系統(tǒng)對地電容多次不斷地積累和重新分配，在非故障相的電感—電容回路上引起高頻振蕩過電壓。對于架空線路，弧光過電壓幅值一般可達(dá)相電壓的3～3.5倍。雖然該變電站沒有并聯(lián)發(fā)電機(jī)，但負(fù)荷多為異步抽油電機(jī)，可通過變壓器反饋電能至故障點(diǎn)，從而為故障點(diǎn)提供弧光接地短路電流。

該站變壓器保護(hù)間隙距離為100 mm，放電電壓約為55.4 kV，u50%=2+0.534 d（kV）。

110 kV高壓繞組分級絕緣中性點(diǎn)的工頻耐受電壓為95 kV，當(dāng)發(fā)生弧光接地過電壓時(shí)，間隙擊穿，中性點(diǎn)經(jīng)間隙、弧光接地。間隙放電能夠有效保護(hù)變壓器110 kV中性點(diǎn)不被高電壓擊穿放電。

110 kV中性點(diǎn)間隙擊穿后，單相接地短路電流增大。間隙零序電流6.6 A（CT300/5的一次電流為396 A）大于整定值（72 A），保護(hù)啟動，經(jīng)0.5 s的延時(shí)后，跳開主變?nèi)齻?cè)開關(guān)。

4 結(jié)束語

綜上所述，變壓器中性點(diǎn)的保護(hù)配置和保護(hù)定值可滿足國家設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)和該電站的實(shí)際負(fù)荷情況，可在發(fā)生接地故障時(shí)，及時(shí)、可靠地保護(hù)變壓器的安全和穩(wěn)定，避免設(shè)備被高電壓損害，從而為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)和社會效益提供了保障。

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〔編輯：張思楠〕

Abstract： In China， 110 kV and higher voltage power grid commonly used effectively neutral grounding mode， when the single phase to ground fault at the time of the accident， quickly remove the fault relay protection tripping. This paper introduces 110 kV transformer neutral grounding and protection configuration， combined with case analysis of the necessity of protecting configuration.

Key words： neutral point of transformer； lightning arrester； zero sequence protection； single phase grounding current