試論變壓器中性點保護與零序保護的優化方案

劉 勇 張海亮 鞏魯洪 蔣 磊

（鄭州祥和集團電力安裝有限公司，河南 鄭州 450053）

1 變壓器零序保護原設計存在的問題

兩座變電站每站均設有2臺雙卷主變，110KV側為單母線分段接線方式，其中兩個站4臺主變110KV側中性點未裝設保護間隙，零序保護僅設置零序電流電壓保護，以互跳方式短時限跳分段開關及中性點不接地變兩側開關，以較長時限跳中性點接地變兩側開關。另有兩個站主變110KV側中性點雖然裝設了保護間隙，在配置零序電流電壓互跳保護的同時，也配置了零序過壓和間隙過流保護，但此套保護與互跳保護回路共用一個跳閘時間繼電器及跳閘回路，并通過切換壓板選擇其中一套，通常將零序過壓和間隙過流保護退出備用，實屬虛設。

圖2

零序保護存在明顯的缺點：（1）；有選擇性切除故障的概率只有50%。如圖1 所示，2臺主變并列運行，僅1#變中性點接地。當接地故障發生在K1點時，1#主變零序電流電壓保護動作第一時限跳開分段開關及2#主變后，K1 故障點依然存在，該保護再以第二時限跳本變壓器，擴大停電范圍。（2）零序電流電壓保護時限整定必須和主變其它保護配合，對保護整定配合不利。（3）采用這種接線方式，回路相互交錯，比較復雜，互跳試驗必須在2臺變壓器同時停運時才能運行。

2 變壓器110KV中性點加裝保護間隙

在中性點有效接地系統中，為了限制單相接地短路電流，同時保證系統中零序電流的大小和分布情況盡量不受運行方式變化的影響，以利于保護整定配置等要求，在變電站中僅使并列運行變壓器的部分中性點接地運行。上述主變110KV側中性點均為分級絕緣，故選用氧化鋅避雷器作為沖擊過電壓保護，同時應加裝并聯棒間隙，在變壓器變成帶單相接地的中性點不接地系統（中性點接地的變壓器已全部斷開之后）和開關非全相運行時，變壓器中性點將產生工頻過電壓的保護。為此，棒間隙的沖擊放電電壓應高于避雷器的沖擊放電電壓，棒間隙的工頻放電電壓應低于避雷器的工頻放電電壓，而且棒間隙在單相接地短路暫態過電壓下不應動作，以免影響繼電保護正確動作，棒間隙值取110mm。110KV變壓器中性點為全絕緣時，一般可以不專設避雷器保護，但宜采用棒間隙保護，間隙值取115mm。棒間隙的材料宜采用鍍鋅圓鋼，直徑ф12～ф14mm，端部為半球形，球面應刨光鍍鋅。棒尾部留有15～20mm 螺紋，并應由鎖定抵絲，以便調節和固定間隙值。棒間隙安裝應與周圍的接地體距離電力安裝規范要求。

3 變壓器零序保護的優化配置

3.1 變壓器零序保護配置

為了克服零序互跳的上述缺點，在保留零序電流保護的基礎上，我們將零序互跳保護改為間隙保護。間隙保護采用的方法是在變壓器中性點加裝間隙電流互感器形成間隙過流保護，并與母線VT開口三角零序過電壓保護共同組成，并帶有0.5秒的時限。

如圖1 所示，2臺主變110KV側并列運行，為限制短路電流，10KV側100母聯開關斷開，1#主變中性點接地。當K2點接地故障時，1#主變中性點零序電流保護第一時限跳110母分開關，I段母線與故障點隔離，1#主變恢復正常運行。110母分開關跳閘后，K2 故障點仍存在，由2#主變中性點間隙過流保護或零序過電壓保護動作跳本變壓器，實現故障隔離。同樣，當K1點接地故障時，1#主變中性點零序電流保護第一時限跳開110母聯開關，2#主變與故障點隔離，可以繼續運行。但K1故障點仍存在，1#主變零序電流保護第二時限繼續跳開本變壓器，消除故障。當故障主變被切除后，其原帶的一段母線的負荷，通過10KV母分備自投，由另一臺主變提供電源。可見，采用間隙保護明顯的優點是：（1）作為變壓器本體的設備保護，無需和其他保護配合，整定簡單。（2）動作過程具有選擇性，只隔離故障部分，不會擴大停電范圍。

對于內橋接線的變電站，如圖2所示，在正常運行方式下，若110橋開關作為111和112線路的聯絡元件，則零序電流保護與間隙保護的動作配合情況與單母線分段接線變電站情況類似。如果110 橋開關不作為111和112線路的聯絡元件，在1條線路帶2臺主變運行方式下，2臺主變只要有1臺中性點接地即可，則應當選擇靠110KV供電線路側的變壓器中性點接地運行，否則將無法保證零序電流保護短時限動作首先切除的是中性點不接地的變壓器。

3.2 對間隙保護動作情況的分析

配置間隙保護的目的，是為了防止非有效接地系統中零序電壓升高對變壓器絕緣造成的危害。在正常運行方式時，放電間隙無電流流過，所以間隙過流保護動作電流允許整定得靈敏些，取整定值≤100A（一次電流）。

當系統失去接地中性點而發生單相接地故障時，VT開口三角繞組的電壓最大值，理論上為 3Uo＝3×100＝300V，而實際上由于電壓互感器在系統電壓升高時鐵芯將會飽和，故電壓不能完全按變比轉變至二次側，經驗電壓約為220～230V。取零序過電壓保護整定值為180V，當母線發生接地故障時，其保護靈敏度為K1m＝220／180＝1.22。為了防止區外故障保護誤動，電壓定值不宜低于180V，也不宜比180V更高，否則難以保證有足夠靈敏度。

放電間隙擊穿后，可降低變壓器中性點的過電壓值，由于放電間隙較粗糙，放電時容易燒壞，并且受大氣條件、放電次數等因素的影響，間隙放電電壓存在一定的分散性和偶然性，尤其是當間歇性擊穿時，放電電流無法持續，間隙過流保護可能失去作用。放電間隙也不允許長時間通過電流。因此，從保護變壓器中性點絕緣而言，零序過電壓保護比間隙過流保護更重要，通常兩者一起共同構成變壓器中性點絕緣保護。

從接地故障復合序網可知，單相接地故障時，故障點穩態零序電壓為Uo＝（Zo／Z1）／（Zo／Z1＋2）Uo1（Uo1為系統最大運行相電壓）。在110KV系統中，只要保證電源端變壓器中性點有效接地，那么在各種條件下，零序阻抗Zo 與正序阻抗Z1 之比一定小于3。在Zo／Z1＝3的極限情況下：

Uo＝0.6 Uo1＝0.6×1.15×110／√3＝43.8（KV）

因此，在110KV有效接地系統中，主變高壓側單相接地時，不接地變壓器中性點最大對地偏移電壓不超過43.8KV。對于分級絕緣變壓器，如中性點為35KV級絕緣水平，其1min 工頻耐壓為85KV，若取老化積累系數為0.9，則絕緣的工頻耐受保證強度為76.5KV有效值，高于中性點可能出現的最大偏移電壓，對于變壓器是安全的。此時間隙保護不會動作，也不該動作，故障點的切除顯然仍由主變差動保護、母差保護或線路保護等來實現。只有在電源端變壓器接地中性點全部喪失的情況下，上述反映短路電流的保護均無法動作，本終端變壓器中性點接地的變壓器零序電流保護動作，第一時限跳開母分開關，然后再根據故障點所處位置，決定由間隙保護動作跳中性點不接地主變，或由零序電流保護第二時限跳中性點接地主變，實現故障隔離。

[1] 陳偉林.110KV變壓器的安裝技術分析[J].中國新技術新產品，2012-01-25.

[2] 張建學，孫紅梅，等.110kV變壓器中性點過電壓保護的應用探討[J].山西電力，2010-08-15.