220kV變壓器中性點(diǎn)間隙過(guò)電壓保護(hù)與中性點(diǎn)間隙距離的配合分析

翟保豫 馬 濤 李開(kāi)鑫

（國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院、烏魯木齊 830000）

電力系統(tǒng)中的中性點(diǎn)不接地運(yùn)行的變壓器因?yàn)橄到y(tǒng)接地故障、雷擊、非全相、操作等原因造成中性點(diǎn)電壓升高。當(dāng)電壓升高至一定值時(shí)將危及中性點(diǎn)絕緣安全，需要裝設(shè)變壓器中性點(diǎn)間隙等保護(hù)，在中性點(diǎn)的電壓升高到一定值時(shí)，間隙擊穿，從而將變壓器中性點(diǎn)的電壓限制在不損壞中性點(diǎn)絕緣的值以內(nèi)，以至于滿足保護(hù)變壓器的目的。又因?yàn)殚g隙的擊穿電壓與間隙距離有關(guān)，因此變壓器中性點(diǎn)間隙距離整定的正確與否關(guān)系到變壓器中性點(diǎn)絕緣安全，需要整定一個(gè)合適的間隙距離。同時(shí)，在中性點(diǎn)電壓到達(dá)一個(gè)足夠高的電壓值時(shí)，間隙沒(méi)有被擊穿，為保護(hù)變壓器則需要通過(guò)繼電保護(hù)裝置的間隙過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，將變壓器退出運(yùn)行，因此繼電保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)定值的正確與否對(duì)變壓器的中性點(diǎn)絕緣安全也有重要關(guān)系。為達(dá)到保護(hù)變壓器的目的，選擇合適的間隙距離、間隙過(guò)電壓保護(hù)定值及實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)調(diào)配合是非常必要的。

1 中性點(diǎn)零序電壓相量分析

在220kV中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中，正常運(yùn)行情況，電壓向量圖如圖1所示。

零序電壓3U0為

式中，UA為系統(tǒng)A相相電壓；UB為系統(tǒng)B相相電壓；UC為系統(tǒng)C相相電壓。

圖1 正常運(yùn)行時(shí)電壓相量圖

為了限制在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的短路電流不大于三相短路故障時(shí)的短路電流值及繼電保護(hù)的整定配合等要求，通常會(huì)根據(jù)系統(tǒng)零序阻抗和正序阻抗的比值，合理安排系統(tǒng)中變壓器接地運(yùn)行方式，即所有變壓器中性點(diǎn)不會(huì)同時(shí)接地，當(dāng)同一變電站有多臺(tái)變壓器正常運(yùn)行時(shí)，安排其中一臺(tái)變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行，其他的變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行。當(dāng)中性點(diǎn)接地運(yùn)行的變壓器因故障退出運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生失去中性點(diǎn)并且發(fā)生單相接地的故障情況，則中性點(diǎn)發(fā)生偏移，極端情況下，中性點(diǎn)電壓偏移至接地相電壓，即理論中性點(diǎn)最高電壓3U0升至3倍相電壓。假設(shè)A相發(fā)生接地故障，B相、C相電壓升至線電壓，則電壓相量圖如圖 2所示。

圖2 單相故障時(shí)電壓相量圖

零序電壓3U0如式（2）所示。

式中，U為系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的相電壓；UBA為A相接地時(shí)的BA相線電壓；UCA為A相接地時(shí)的 CA相線電壓。

在系統(tǒng)發(fā)生單相接地這種不對(duì)稱故障后，系統(tǒng)的對(duì)稱性受到破壞而成為不對(duì)稱系統(tǒng)，采用對(duì)稱分量法分析計(jì)算系統(tǒng)單相接地，則中性點(diǎn)不接地變壓器的中性點(diǎn)電壓為

式中，I0為變壓器中性點(diǎn)零序電流；U10為變壓器中性點(diǎn)零序電壓一次值；X1為系統(tǒng)正序阻抗；X2為系統(tǒng)負(fù)序阻抗；X0為系統(tǒng)零序阻抗；U1為系統(tǒng)額定相電壓一次值。

2 繼電保護(hù)間隙保護(hù)定值整定原則

當(dāng)變壓器所接的電力網(wǎng)失去接地中性點(diǎn)，又發(fā)生單相接地故障時(shí)，根據(jù)GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：零序電流保護(hù)或零序過(guò)電壓保護(hù)即零序間隙保護(hù)應(yīng)動(dòng)作，經(jīng)0.5s的延遲保護(hù)出口跳開(kāi)變壓器各側(cè)斷路器，為保護(hù)變壓器正確的時(shí)刻退出運(yùn)行，需要整定合適的零序過(guò)電壓定值。

220kV系統(tǒng)中性點(diǎn)應(yīng)采用有效接地方式，在各種條件下系統(tǒng)的零序阻抗與正序阻抗比值K應(yīng)為正值且不應(yīng)大于 3。因此，在有效接地系統(tǒng)中，K值一般小于3，當(dāng)K=3時(shí)，變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓最為嚴(yán)重，因此繼電保護(hù)按K=3時(shí)整定零序間隙電壓定值，將K=3時(shí)，代入式（3），得U10=0.6U1。

2.1 外接零序電壓間隙保護(hù)間隙電壓定值

2.2 自產(chǎn)零序電壓隙保護(hù)間隙電壓定值

式中，K1為系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓倍數(shù)，K2為可靠系數(shù)，U2為PT星型繞組二次額定電壓。

為防止因 PT斷線誤動(dòng)，K1取為 1.1倍，K2取1.05，U2為57.74V，將數(shù)據(jù)代入式（4）中，則3U20為 120.04V，繼電保護(hù)自產(chǎn)零序電壓間隙電壓定值為120V。

對(duì)于常規(guī)數(shù)字化保護(hù)裝置采用外接零序電壓，間隙過(guò)電壓定值整定為180V，間隙過(guò)流一次值整定為100A；智能站保護(hù)裝置采用自產(chǎn)零序電壓，過(guò)電壓定值整定為 120V，間隙過(guò)流一次值為 100A。兩種類型保護(hù)裝置高壓側(cè)1個(gè)時(shí)限，跳變壓器各側(cè)斷路器，中壓側(cè)2個(gè)延時(shí)，先跳小電源（減少停電范圍），再跳變壓器各側(cè)斷路器。

3 變壓器中性點(diǎn)間隙距離的選擇

當(dāng)系統(tǒng)以有效接地的方式運(yùn)行且發(fā)生單相接地故障時(shí)，變壓器中性點(diǎn)絕緣水平應(yīng)可以耐受系統(tǒng)發(fā)生單相接地產(chǎn)生的過(guò)電壓，中性點(diǎn)間隙不應(yīng)被擊穿，并且不應(yīng)跳開(kāi)中性點(diǎn)不接地的變壓器。中性點(diǎn)棒間隙的工頻擊穿電壓有效值應(yīng)滿足式（5）要求：

式中，Ubg為棒-棒空氣（標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下）間隙的工頻擊穿電壓有效值；σ 為空氣間隙工頻擊穿電壓的分散系數(shù)；K3為安全系數(shù)；K4為氣象修正系數(shù)；U0為中性點(diǎn)電壓一次有效值。

系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為220kV電壓等級(jí)設(shè)備最高運(yùn)行電壓取252kV，代入式（3）得

將σ 一般取0.03，K3取值1.05倍，K4取1.05，U0為87.3kV，將數(shù)據(jù)代入式（5）得

則計(jì)算的最小工頻擊穿電壓 Ubg有效值為105.8kV，根據(jù)圖3，查棒-棒空氣間隙的工頻擊穿電壓曲線的間隙距離d應(yīng)大于260mm。

圖3 棒-棒間隙的工頻放電電壓和間隙距離的關(guān)系

在系統(tǒng)失去部分接地中性點(diǎn)且發(fā)生單相接地故障的情況下，如圖2所示，極端情況下，不接地運(yùn)行的變壓器中性點(diǎn)上將承受系統(tǒng)的相電壓，為限制變壓器中性點(diǎn)電壓，需要確保變壓器中性點(diǎn)間隙的工頻擊穿電壓小于規(guī)程要求的變壓器中性點(diǎn)短時(shí)工頻耐受電壓值，間隙工頻擊穿電壓有效值應(yīng)滿足式（8）要求：

式中，Uog為變壓器中性點(diǎn)短時(shí)工頻耐受電壓有效值（kV）。

220kV電壓等級(jí)的變壓器中性點(diǎn)短時(shí)工頻耐受電壓有效值為200kV[8]，則根據(jù)式（8）得

根據(jù)計(jì)算結(jié)果為 166.4kV，根據(jù)圖 3，查棒-棒空氣間隙的工頻擊穿電壓曲線的間隙距離d應(yīng)小于380mm。

當(dāng)雷電波侵入變壓器時(shí)，在變壓器中性點(diǎn)將產(chǎn)生一個(gè)雷電過(guò)電壓，過(guò)電壓峰值可能會(huì)超過(guò)變壓器耐受電壓峰值，為了保護(hù)變壓器，間隙的沖擊擊穿電壓應(yīng)低于變壓器中性點(diǎn)的沖擊絕緣水平，間隙沖擊擊穿電壓值應(yīng)滿足式（9）要求：

式中，UbL為棒-棒間隙的 50%雷電波沖擊擊穿電壓峰值，UoL為變壓器中性點(diǎn)的雷電全波和截波耐受電壓。

220kV電壓等級(jí)的變壓器中性點(diǎn)雷電沖擊耐受電壓（峰值）為400kV[8]，則根據(jù)式（9）得

根據(jù)式（5）得到間隙距離 d應(yīng)大于 260mm，根據(jù)式（8）得到的間隙距離 d應(yīng)小于 380mm，則確定間隙距離取320mm，根據(jù)圖4所示，50%沖擊擊穿電壓曲線查得 320mm間隙的負(fù)極性 50%沖擊擊穿電壓UbL約為275kV，小于式（7）計(jì)算得出的332kV變壓器中性點(diǎn)的雷電全波和截波耐受電壓，表明中性點(diǎn)間隙取 320mm可以滿足變壓器中性點(diǎn)絕緣安全，保護(hù)間隙不會(huì)出現(xiàn)“誤動(dòng)”和“拒動(dòng)”問(wèn)題。

4 結(jié)論

對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的變壓器，變壓器間隙保護(hù)電壓定值應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)零序阻抗X0與X1的比值K進(jìn)行整定，并根據(jù)年度運(yùn)行方式對(duì)變壓器間隙保護(hù)電壓定值進(jìn)行校核，避免或減少在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)變壓器中性點(diǎn)間隙保護(hù)誤動(dòng)作和中性點(diǎn)間隙頻繁擊穿。對(duì)新安裝變壓器考慮海拔高度和空氣濕度的影響，兩根棒間隙安裝位置水平且在一條軸線上，應(yīng)對(duì)中性點(diǎn)間隙距離進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證間隙距離整定的正確性及間隙距離安裝的工藝水平，以滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。

圖4 棒-棒間隙的沖擊（1.5/40μs）50%放電電壓和間隙距離的關(guān)系

[1] 蔣偉, 吳廣寧, 黃震, 等. 短路故障對(duì)部分接地方式下220kV變壓器影響分析[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2007,31(21)： 98-101.

[2] 馬輝, 郭小龍. 220kV主變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓保護(hù)的配置[J]. 高電壓技術(shù), 2001, 27(S1)： 61-61, 63.

[3] GB/T 14285—2006. 繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程[S].

[4] GB/T 50064—2014. 交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 章叔昌. 變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙及 MOA的參數(shù)選擇[J]. 江西電力, 2005, 29(2)： 15-18.

[6] GB/T 156—2007. 標(biāo)準(zhǔn)電壓[S].

[7] 戈?yáng)|方. 電氣一次部分[M]. 北京： 中國(guó)電力出版社,1989.

[8] GB 311.1—2012. 絕緣配合 第一部分：定義、原則和規(guī)則[S].

[9] 朱聲石. 高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社, 2008.

[10] 國(guó)家能源局. 防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求[S]. 2014

[11] 張強(qiáng), 吳紹武, 王德全. 一起線路故障引起主變中性點(diǎn)間隙擊穿的原因分析[J]. 電氣技術(shù), 2016,17(11)： 153-156.

[12] 詹花茂, 劉波, 顏廷利, 等. 操作沖擊下空間電荷對(duì)間隙放電的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(2)：212-218.