沙河抽水蓄能電站主變中性點(diǎn)的保護(hù)及運(yùn)行分析

肖康樂，崔 石

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

1 主變壓器中性點(diǎn)保護(hù)分析

變壓器是電力生產(chǎn)的核心設(shè)備，電網(wǎng)發(fā)生的所有類型的故障中，數(shù)量上有八成以上為接地短路故障。一般來說，通過中性點(diǎn)進(jìn)行直接接地的變壓器故障可以通過一些現(xiàn)象得以反映，如常規(guī)故障中的高壓繞組、接地短路等情況。正因?yàn)楣收宵c(diǎn)可以明確反映，許多大型變壓器采用中性點(diǎn)直接接地的方式，對(duì)主保護(hù)、相鄰母線等提供后備保護(hù)支持。電網(wǎng)運(yùn)行的整個(gè)過程，應(yīng)盡量不少于一臺(tái)主變中性點(diǎn)接地。但是零序電流的大小與接地點(diǎn)的數(shù)目有密切關(guān)系，接地點(diǎn)的多少直接影響變壓器的零序阻抗。要保持穩(wěn)定性，方便零序電流保護(hù)的整定，系統(tǒng)的零序阻抗不能隨意變更。當(dāng)有兩臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)直接接地，而僅選用其中一臺(tái)進(jìn)行保護(hù)定值整定并進(jìn)行配備計(jì)算時(shí)，就勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的零序電流，即分流現(xiàn)象，由此會(huì)使得零序電流值與整定值存在偏差，造成保護(hù)失效。

一般情況下，主變壓器接地的中性點(diǎn)要達(dá)到一臺(tái)或一臺(tái)以上，才能起到較好的保護(hù)作用。假設(shè)主變壓器中性點(diǎn)未進(jìn)行接地設(shè)置，那么當(dāng)變壓器線路發(fā)生接地故障的情況下，就會(huì)造成電網(wǎng)對(duì)側(cè)線路開關(guān)跳閘，而當(dāng)零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)生阻塞，零序電流沒有通路，那么接地保護(hù)就會(huì)失去效用。

當(dāng)電網(wǎng)對(duì)側(cè)線路上的開關(guān)跳閘以后就會(huì)造成升壓站系統(tǒng)電流的顯著變化，大電流接地系統(tǒng)即時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樾‰娏鹘拥叵到y(tǒng)，形成故障相電壓下降以及非故障相電壓升高，而即使電網(wǎng)對(duì)側(cè)線路開關(guān)在接地保護(hù)的作用下斷開，也會(huì)形成以上電流變化的過程。這種情況一旦發(fā)生將會(huì)對(duì)電廠整體升壓站系統(tǒng)絕緣造成直接損害。而線路側(cè)的跳閘也極易形成甩負(fù)荷現(xiàn)象，造成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)短時(shí)間內(nèi)嚴(yán)重超速，并且使得系統(tǒng)頻率增大，系統(tǒng)電壓加大。因此，主變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行的設(shè)置在整個(gè)保護(hù)作用發(fā)揮中十分關(guān)鍵，進(jìn)行接地運(yùn)行設(shè)置可以避免以上情況的發(fā)生，否則極有可能對(duì)系統(tǒng)絕緣造成嚴(yán)重?fù)p傷。

沙河電站有兩臺(tái)75 000 kVA主變壓器，按照兩臺(tái)變壓器來整定，如果一個(gè)退出檢修，零序阻抗也將隨之發(fā)生較大變化，保護(hù)定值也重新計(jì)算。如果按一臺(tái)變壓器來整定，雖然可以方便主變壓器的投退，但中性點(diǎn)同時(shí)接地可能在兩臺(tái)變壓器并列時(shí)因飄移點(diǎn)差異進(jìn)而形成環(huán)流的情況。為了解決這個(gè)矛盾，沙河電站主變壓器按照規(guī)定僅能有一臺(tái)進(jìn)行中性點(diǎn)接地操作。

由此也帶來另一個(gè)問題，即當(dāng)系統(tǒng)接地故障發(fā)生時(shí)，中性點(diǎn)接地變壓器會(huì)隨之跳開，那么零序電壓的升高以及諧振過電壓兩種情況都會(huì)造成主變中性點(diǎn)的絕緣。因此，基于主變系統(tǒng)保護(hù)的角度思考，中性點(diǎn)保護(hù)裝置對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用十分重要。

2 沙河電站變壓器中性點(diǎn)保護(hù)設(shè)置

沙河電站變壓器的中性點(diǎn)保護(hù)設(shè)置中，避雷器通過棒-棒間隙的方式進(jìn)行聯(lián)合，并且配備氧化鋅避雷器。下面結(jié)合沙河電站具體情況對(duì)該保護(hù)方式及原理進(jìn)行介紹。

2.1 變壓器中性點(diǎn)過電壓產(chǎn)生

實(shí)際應(yīng)用過程中變壓器中性點(diǎn)過電壓的反映呈現(xiàn)出多樣化的特征，單相接地、大氣、斷路器非全相分合閘等都會(huì)造成過電壓的現(xiàn)象。其中大氣過電壓以感應(yīng)雷和直擊雷為最常見的反映，一旦主變感應(yīng)到侵入就會(huì)反映在中性點(diǎn)電壓的變化上，形成過電壓。當(dāng)前沙河電站的變壓器線路已形成全架空地線保護(hù)，直擊雷機(jī)會(huì)很小；而中性點(diǎn)過電壓形成的主要因素與電網(wǎng)斷路器非同期重合閘、非全相動(dòng)作、導(dǎo)線斷線等因素直接相關(guān)。

2.2 放電間隙作用與不足

對(duì)于放電間隙來說，其主要的優(yōu)點(diǎn)就在于簡(jiǎn)單的構(gòu)造、穩(wěn)定的系統(tǒng)運(yùn)行、低密度的維護(hù)工作量，并且實(shí)際應(yīng)用操作中可以對(duì)變壓器起到較好的保護(hù)作用。然而它客觀存在的間隙參數(shù)確定困難、滅弧能力差、較大的放電分散性和工頻續(xù)流等缺點(diǎn)也較為明顯。另外當(dāng)不對(duì)稱接地短路現(xiàn)象發(fā)生并對(duì)系統(tǒng)造成沖擊時(shí)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，諧波對(duì)繞組絕緣的影響也客觀存在。

2.3 避雷器作用與不足

避雷器主要優(yōu)勢(shì)在于非線性伏安特性將使得殘壓在時(shí)間上相對(duì)平穩(wěn)，陡坡響應(yīng)良好，通流量較大，并沒有續(xù)流，動(dòng)作響應(yīng)速度快，避免了滅弧與間隙擊穿現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)降低對(duì)主變的沖擊。然而其難以實(shí)現(xiàn)工頻過電壓保護(hù)、較高工頻電壓耐受差等缺點(diǎn)也依然存在，甚至有可能造成避雷器本身的損壞。這就要求避雷器在使用過程中，需進(jìn)行定期的檢查、維護(hù)及試驗(yàn)，大大的增加了維護(hù)量。

2.4 沙河電站中性點(diǎn)保護(hù)設(shè)置

綜合以上原因沙河電站采用避雷器與間隙保護(hù)并聯(lián)的保護(hù)措施。如此安裝避雷器將進(jìn)一步完成過電壓的保護(hù)工作，間隙設(shè)置可以對(duì)高幅值工頻的過電壓與高殘壓現(xiàn)象進(jìn)行規(guī)避，通過配置可以使得避雷器和間隙各自運(yùn)行且形成互補(bǔ)，避免雷電以及暫態(tài)過電壓造成的系統(tǒng)傷害。間隙對(duì)工頻及操作等形成的過電壓進(jìn)行控制，避雷器對(duì)雷電及暫態(tài)過電壓進(jìn)行控制，且間隙與避雷器之間的互補(bǔ)作用可以較好地控制避雷器上過高幅值的工頻與過電壓、殘壓的產(chǎn)生。沙河電站中性點(diǎn)保護(hù)裝置作用下，當(dāng)中性點(diǎn)的電壓升高到一定的電壓值，間隙首先動(dòng)作進(jìn)而使電壓降低，無(wú)須避雷器動(dòng)作，降低因避雷器頻繁動(dòng)作對(duì)使用壽命的影響，同時(shí)也是對(duì)變壓器中性點(diǎn)的保護(hù)措施。

當(dāng)前許多電站在安裝主變壓器時(shí)，對(duì)中性點(diǎn)放電間隙的安裝多以垂直安裝的方式為主，而實(shí)際應(yīng)用結(jié)果也顯示出垂直安裝的方式存在許多缺陷。當(dāng)天氣狀況欠佳時(shí)，雨水等會(huì)對(duì)間隙的距離產(chǎn)生干擾，使其失去保護(hù)效用，進(jìn)而影響主變運(yùn)行安全。沙河電站主變壓器放電間隙的安裝改變了以往常用的垂直安裝方式，以水平安裝的方式進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 沙河電站主變壓器中性點(diǎn)放電間隙的安裝方式

2.5 變壓器中性點(diǎn)間隙過流保護(hù)

沙河電站主變壓器中性點(diǎn)以放電間隙與避雷器相結(jié)合的方式進(jìn)行保護(hù)，如果出現(xiàn)接地故障，變壓器中性點(diǎn)將產(chǎn)生零序電壓升高以及電源側(cè)斷路器分合閘間隙放電等情況，威脅主變壓器的運(yùn)行安全。所以想單方面通過間隙控制是存在缺陷的，另外電流通過放電間隙的時(shí)間也不應(yīng)過長(zhǎng)。因此，沙河電站為了避免由于工頻過電壓造成中性點(diǎn)絕緣的產(chǎn)生，充分利用電流互感器的作用，形成變壓器中性點(diǎn)放電間隙零序過電流的保護(hù)（簡(jiǎn)稱“間隙保護(hù)”）。

沙河電站采用的是主變零序過流保護(hù)與間隙保護(hù)共用一組電流互感器（簡(jiǎn)稱“CT”)，如圖2所示。主變零序電流保護(hù)繼電器與間隙過流保護(hù)繼電器的動(dòng)作定值、接地電流性質(zhì)均存在差異，二者電流線圈以串接的方式連接在中性點(diǎn)接地的CT上。間隙過流分段發(fā)展特性使其時(shí)間、電流幅值呈現(xiàn)出隨機(jī)、諧波分量大的特征。

圖2 中性點(diǎn)保護(hù)圖

3 變壓器中性點(diǎn)的運(yùn)行操作注意事項(xiàng)

3.1 中性點(diǎn)接地閘刀操作

主變充電、并列、解列、零升前需要首先對(duì)主變中性點(diǎn)閘刀進(jìn)行關(guān)閉操作。對(duì)于其高壓側(cè)來說，這樣操作可以避免在開關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的過電壓對(duì)主設(shè)備造成損傷。當(dāng)運(yùn)行方式變化需要對(duì)不同的中性點(diǎn)接地閘刀進(jìn)行倒換操作時(shí)，就需要首先將未接地的一方進(jìn)行關(guān)閉，接著再開啟接地的一方，需要特別注意的是操作過程中應(yīng)當(dāng)盡量減少未接地與接地閘刀并列操作的時(shí)間。上述做法的好處是，當(dāng)電網(wǎng)接地故障發(fā)生時(shí)，以上操作可以防止由于單相接地短路造成的短時(shí)間電流大幅增大，也更大程度地拓展了零序保護(hù)范圍，降低越級(jí)跳閘風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意并防止閘刀分流作用對(duì)并列接地的兩臺(tái)變壓器靈敏度的影響，零序保護(hù)靈敏度降低可能形成保護(hù)拒動(dòng)情況的發(fā)生。

3.2 相關(guān)二次壓板的對(duì)應(yīng)關(guān)系

在進(jìn)行主變中性點(diǎn)接地閘刀操作的過程中，還需要進(jìn)行二次壓板的操作。二次壓板操作的保護(hù)作用發(fā)揮能夠在一定程度上提高操作精準(zhǔn)度。操作過程按照以下規(guī)則進(jìn)行，運(yùn)行中性點(diǎn)直接接地變壓器過程中要先進(jìn)行保護(hù)跳閘壓板“零序過流”1LP4投入，“間隙過流”1LP5退出，并保持操作的連續(xù)性，否則容易造成“間隙過流”跳閘壓板因保護(hù)定值較小而形成誤動(dòng)。主變中性點(diǎn)接地閘刀拉開過程中進(jìn)行保護(hù)跳閘壓板“間隙過流”1LP5投入，“零序過流”1LP4退出。需要注意的是，盡管從保護(hù)定值角度來看，“零序過流”大于“間隙過流”，但“間隙過流”電流不穩(wěn)定的特性易在電流變化中觸動(dòng)“零序電流”出口，進(jìn)而對(duì)正確判斷故障原因及故障排查造成影響。

4 中性點(diǎn)的操作中一、二次的配合問題

通過分別闡述中性點(diǎn)接地閘刀、二次壓板的操作關(guān)鍵點(diǎn)，明確了操作規(guī)程。本節(jié)主要分析二者之間的配合問題，通過對(duì)充電運(yùn)行中主變停役的講解進(jìn)行操作配合先后順序的分析。

假設(shè)主變中性點(diǎn)接地閘刀為分閘，且保護(hù)壓板處于“間隙過流”1LP5投入，“零序過流”撤出的狀態(tài)，就需要在操作當(dāng)中先對(duì)主變中性點(diǎn)接地閘刀進(jìn)行關(guān)閉操作，步驟如下：第一步投入“零序過流”1LP4壓板；第二步關(guān)閉中性點(diǎn)接地閘刀；第三步取下“間隙過流”1LP5壓板；第四步拉開主變壓器220 kV開關(guān)。如果未按以上步驟順序進(jìn)行操作，第一步和第三步順序顛倒將會(huì)造成安全隱患。

具體原因分析如下：如果在中性點(diǎn)接地閘刀合閘前就取下“間隙過流”保護(hù)壓板1LP5，使其處于退出狀態(tài)，保護(hù)出口被封閉的同時(shí)接地閘刀尚未合閘，就會(huì)形成220 kV系統(tǒng)接地故障，產(chǎn)生零序電流。此時(shí)就需要依靠其他保護(hù)裝置，擴(kuò)大了事故范圍。如果合閘后“間隙過流”保護(hù)壓板1LP5未退出，由于其保護(hù)定值較小，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作。因此選擇先投入“零序過流”1LP4壓板就是為了防止在操作期間，如果由于接地等原因產(chǎn)生零序過流，“間隙過流”保護(hù)由于某種原因未動(dòng)作，“零序過流”1LP4壓板又未投入而無(wú)法響應(yīng)，就會(huì)擴(kuò)大保護(hù)裝置的觸動(dòng)范圍，造成事故范圍的擴(kuò)大。因此應(yīng)盡可能地按照正確步驟進(jìn)行操作，其他操作情況的邏輯關(guān)系與之類似，這里就不在贅述。

5 結(jié)論

本文以沙河電站為例，分析了主變中性點(diǎn)保護(hù)的原理和設(shè)置，并對(duì)運(yùn)行中主變中性點(diǎn)的操作注意事項(xiàng)進(jìn)行了說明，從隱患規(guī)避的角度出發(fā)，提出中性點(diǎn)操作的正確方法與步驟，最大限度地降低操作隱患的發(fā)生。