110kV分级绝缘变压器中性点棒间隙保护的应用

知识点：变压器分级绝缘

一 概述

在电力系统中，接地故障常常是故障的主要形式。系统接地短路时，零序电流的大小和分布是与系统中变压器中性点接地的数目和位置有很大关系。通常，为限制单相接地短路电流、防止通信干扰和满足继电保护整定配置等要求，对只有一台变压器的升压变电所，变压器都采用中性点直接接地的运行方式。对有若干台变压器并联运行的变电所，则采用一部分变压器中性点接地运行，而另一部分变压器中性点不接地运行的方式。

对110kV变压器，当中性点绝缘的冲击耐受电压≤185kV时，即属于标准分级绝缘结构的变压器。对于中性点不接地的分级绝缘变压器，当雷电波从线路侵入变压站到达变压器中性点以及系统单相接地、非全相运行，特别是伴随产生变压器励磁电感与线路对地电容谐振时，会产生较高的雷电过电压或工频稳态过电压，对分级绝缘变压器中性点构成威胁，甚至使变压器中性点绝缘损坏。

二、有效接地系统发生单相接地故障时，变压器中性点的电压

所谓有效接地系统，是指该系统在运行中，其中性点必须接地，接地是通过变压器中性点的直接接地或经小电阻、小电抗的接地来实现的。

有效接地系统运行的特点是：

⑴ 正常运行时该电网的中性点对地电压近乎为零，不接地变压器中性点对地电位也为零（或近乎为零）。故该系统的绝缘配置、绝缘配合均是按中性点对地电位为零（或近乎为零），线端对地电位为相电压来考虑的。

⑵ 在该系统发生单相接地故障时，所有接于该系统的设备均发生单相接地故障，且都向接地故障点输出单相接地电流。此时，该系统中运行的不接地变压器的中性点电压也会升高，其稳态值为：

    其暂态值为：

式中：U_m为系统电压的最高值。

K为有效接地系统的接地系数，K=X0/X1，X₀为系统零序电抗，X₁为系统正序电抗。

r为衰减振荡系数，最大值为0.8。

在有效接地系统中K≤3.

故

即，最高值不会超过0.6U_m（稳态值）及1.08U_m（暂态值）。

三、主变压器放电间隙装设的必要性

当有效接地系统转化为局部不接地系统并伴有单相接地故障（或由单相接地故障引发一个局部不接地系统，且单相接地故障又在此不接地系统中），此时，该局部所有运行的不接地变压器的中性点均失地运行，故障相对地电压由相电压变为零，所有变压器中性点电压由零上升至相电压，另两健全相对地电压由正常相电压升高至线电压，为正常运行及绝缘设计的1.732倍。此时如果单相接地为间歇性弧光接地，则健全相的对地电压甚至可升高至3.5倍峰值电压，该系统中所有运行的设备均将承受此破坏性和危险性极高的工频过电压。在这种情况下，继电保护装置无法将单相接地故障切除，而系统又不能允许这种过电压的长期存在。解决的办法是在主变中性点加装间隙，通过间隙的工作放电，将二次有源的变压器退出运行，使局部不接地系统全部停电，防止异常的过电压造成系统运行设备的损坏和事故的扩大。

国家电力公司2000年发布的589号文《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》第十七章“防止接地网事故”17.9节“为防止在有效接地系统中出现孤立不接地系统并产生较高的工频过电压的异常工况，110～220kV不接地变压器的中性点过电压保护应采用棒间隙保护方式。”

DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》也规定：110kV、220kV有效接地系统中，不接地的变压器中性点应装设间隙，其目的是为了避免有效接地系统中偶然形成的局部不接地系统并由此而产生的工频过电压，危及不接地变压器中性点及该不接地系统中所有设备的绝缘。因此，分级绝缘变压器中性点的过电压保护通常采用阀型避雷器（或氧化锌避雷器）加并联水平棒间隙的保护方式。

四 变压器中性点装设棒间隙后的动作原理

直接接地运行的变压器，由于接地刀闸已直接将间隙短接，因而无论任何情况下，该间隙不会放电。

如前所述，在有效接地状态下发生单相接地故障时，不接地变压器中性点间隙两端的电压，稳态时最高为0.6U_m（有效值），暂态时最高为1.08U_m（有效值）。由于稳态电压低于间隙的工频放电电压，间隙不会放电；由于暂态时间较短（约几个周波），因此间隙放电时间短且电流不可能很大。当接地故障进入稳态后，间隙放电电弧将自行熄灭（即使不能完全自熄，待继电保护将故障点切除后，系统恢复正常有效接地状态时，间隙两端电压消失，放电自然停止）。

当变压器中性点不接地运行时，为防止因断路器非同期操作、线路非全相断线或因继电保护等原因造成中性点不接地的孤立系统且带单相接地运行时产生较高的工频过电压，不论故障的形式是金属性的还是间歇性的弧光放电，系统中所有间隙两端的电压都将升高至相电压以上，此时，不接地系统中所有的间隙都将开始放电。但是，总会有某一台变压器中性点间隙因调节工频放电电压较低或中性点电压较高等不确定原因而率先放电，此时变压器中性点随即形成一个由单相接地故障点-大地-间隙放电弧道-中性点的单相短路通道，该变压器向接地故障点输出单相短路电流，此单相短路大小与此运行系统的参数有关，因而放电电流必定为大电弧电流。由于放电电弧的低阻特性，此台变压器的中性点实际上已由放电弧道而接地，也就是说，此局部不接地系统因该变压器中性点间隙的放电而转变成由电弧通道接地的有效接地系统。

形成局部不接地系统并带有单相接地故障发展到首台变压器中性点间隙放电接地的这一段时间内，系统将承受较高的工频暂态过电压，此过电压与接地故障形态有关，但当首台变压器中性点间隙开始放电时，此不接地系统又回到有效接地状态，过电压将随之消失，系统各部电压恢复正常，其余中性点间隙就不再放电了。

首台间隙放电后不接地系统的发展：间隙放电后系统虽然恢复到有效接地状态，系统过电压暂时消失，但该变压器仍处于单相短路的故障状态，继电保护装置经一定延时将该变压器切除。该变压器退出运行后，余下的系统仍然是一个带单相接地的不接地系统，系统工频过电压将再次出现，引起下一台变压器的间隙放电，新形成的放电电弧使得系统再次回到有效接地状态，继电保护装置使第二台变压器退出运行……并最终以该不接地系统消失而告结束。其持续时间的长短，主要决定于所形成不接地变压器的台数和继电保护装置动作时间的长短而定。整个过程中，系统要承受数次过电压，一般而言，接于该系统的变压器数量不会太多，故整个过程持续时间不会太长。

综上所述，间隙的作用是利用不接地系统且单相接地时变压器中性点电压升高而引发间隙棒端放电，并利用其低阻的放电通道将此不接地系统拉回有效接地状态，避免系统出现长时间的工频过电压，其保护对象是此系统中包括变压器的中性点在内的的所有运行设备。

五 主变压器间隙保护的整定

这里涉及两个问题。第一个问题是放电间隙的设定和选择。第二个问题是对放电间隙零序电流、电压保护的整定。

1、放电间隙的设定和选择

为有效保护分级绝缘变压器中性点绝缘，放电间隙的放电电压应低于变压器中性点可能出现的冲击耐压，必须高于变压器中性点可能出现的最大的工频电压值，并对操作过电压提供可靠保护，但大气过电压时，间隙应不动作（由避雷器保护实现）。这里以常见的棒—棒间隙来说明。

在工频电压作用下，间隙50%工频击穿电压应满足以下条件：

⑴ 工频电压作用下，间隙耐受电压应大于电网单相接地而引起的中性点电位升高暂态值，如前所述，应为1.08U_m（暂态值）。

⑵ 系统发生接地故障时，当有关中性点接地变跳闸后，带电源的中性点不接地变仍运行于故障电网中，110kV系统变成了一个不接地系统，电网零序电压升高，当发生对变压器绝缘有较大危害的情况时，放电间隙应能动作放电，降低对地电压。

为贯彻实施 <国电发589号文> ，国家电力公司发输电运行部组织编写了《 <防止电力生产重大事故的二十五项重点要求> 辅导教材》一书，书中对《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》第十七章“防止接地网事故” 17.9节的内容进行了详细说明，其内容是：

① 棒间隙距离应按电网具体情况确定，110kV选用105～115mm，220kV选用250～300mm(当接地系数≥1.87时，选用285～300mm)。

② 棒间隙可使用直径Φ14mm或Φ16mm的圆钢，棒间隙宜采用水平布置，端部为半球型，表面加工细致无毛刺并镀锌，尾部应留有15～20mm的螺扣，用于调节间隙距离。

③在安装间隙时，应考虑与周围物体的距离>1m，接地棒长度应≥0.5m，离地面距离应≥2m。

2、零序电流、电压的整定

当变电所低压侧有电源，且多于一台变压器时，传统方案是采用中性点零序电流继电器经与其它变压器中性点零序电流继电器控制的零序电压继电器配合使用的变压器零序选跳方案。即从保护回路设计上保证先跳中性点不接地变压器，后跳中性点直接接地变压器，该方案回路复杂，运行维护极为不便，且不适合只有一台变压器不接地的运行方式。

目前多采用零序电流电压保护。根据《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定，110kV中性点直接接地的电网中，当低压侧有电源的变压器可能接地运行或不接地运行时，对外部单相接地引起的过电流，以及对因失去接地中性点引起的中性点电压升高，应装设相应的保护装置。对于分级绝缘的变压器，中性点装设间隙保护时，除装设规定的零序电流保护外，还应增设反应间隙回路的零序电压和间隙放电电流的零序电流电压保护。中性点直接接地时投入零序电流保护，中性点不接地运行时则投入间隙过压保护和间隙过流保护。当电力网单相接地且失去接地中性点时，零序电流电压保护经一定延时动作于跳开变压器各侧断路器。

2.1 间隙零序电流保护整定

零序电流受变压器的零序阻抗、间隙放电的电弧电阻等因素的影响，一般取100A（一次值）。

2.2 间隙零序过压保护整定

零序电压保护应躲开系统接地短路时变压器中性点可能出现的最大零序电压。系统电压互感器开口处可以感受到零序电压，因为电压互感器的开口三角变比是110kV/100V，所以，当发生接地故障时，开口处的电压是100*1.732，因此，一般动作电压可取180V（二次值）。

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