110 kV電力系統變壓器中性點保護用觸發控制間隙

摘要：針對110 kV電力系統中變壓器中性點過電壓保護間隙存在的“拒動”和“誤動”問題，提出了一種利用被保護點過電壓進行觸發控制的球一球電極保護間隙，對新型保護間隙的基本工作原理進行了詳細闡述，通過實驗研究了新型保護間隙保護功能實現的可行性，并對新型保護間隙主要部分的選擇與設計進行了說明，通過新型保護間隙樣機的相應試驗對其保護作用的實際效果進行了驗證，結果表明：新型保護間隙不僅可以與現有的中性點保護避雷器進行理想的配合，實現對變壓器中性點的完備保護，新型保護間隙的無源性為其在電力系統的推廣應用提供方便。

關鍵詞：變壓器中性點保護；保護間隙；觸發控制放電

中圖分類號：TM862 文獻標志碼：A 文章編號：1007-2683（2013）02-0057-06

0、引言

電力系統運行經驗表明：電力系統中經常出現的外部過電壓和內部過電壓是影響電氣設備安全運行的最主要因素之一，我國110 kV及以上系統均采用有效接地方式，也就是在同一個系統中，只有部分變壓器的中性點是直接接地的，還有部分變壓器的中性點是不接地的，在這樣的系統中，當系統發生對地短路等故障時，系統的繼電保護會動作，將接地的變壓器中性點與地斷開，造成系統與地完全絕緣，這就是系統中經常說的“失地”，此時不接地的變壓器中性點上會產生很高的工頻過電壓，最高穩態工頻過電壓可達到系統的相電壓，而非故障相的相電壓最高可達系統線電壓，將會損害中性點絕緣和非故障相的電氣設備的相絕緣，必須采取措施加以保護，另外，當系統出現非全相運行或者由于正常的系統操作而引發變壓器出現鐵磁諧振時，都會在不接地變壓器的中性點出現幅值很高且持續時間較長的過電壓，這些過電壓同樣會嚴重危及變壓器的中性點絕緣，也必須加以防護。

1、現狀分析

目前，我國110 kV電力系統中，針對變壓器中性點的保護主要采用3種方式：避雷器單獨保護、棒一棒間隙單獨保護和避雷器并聯棒一棒間隙保護，實際運行效果不盡如人意，主要表現為：1）因避雷器不能耐受穩態工頻過電壓而發生爆炸；2）因棒一棒間隙在雷電過電壓下誤動作引起繼電保護誤動。

1.1 單一避雷器保護

用避雷器（一般為金屬氧化物避雷器metal OX-ide attester，MOA）單獨對變壓器中性點進行保護的基本接線圖如圖1所示。

雖然隨著避雷器制造水平的不斷提高，其保護效果越來越好，MOA由于無間隙及良好的非線性，不存在滅弧問題，無工頻續流，只吸收過電壓能量，耐重復動作能力強，但是其仍存在固有的熱穩定問題，單獨使用時會因多次承受過電壓作用而老化，最終在持續運行電壓或過電壓作用下，失去熱穩定，因熱崩潰而損壞或爆炸，并且無法防御電壓值較低但持續時間較長的工頻穩態過電壓。

1.2 單一棒一棒間隙保護

用棒一棒間隙單獨對變壓器中性點進行保護的基本接線圖如圖2所示。

雖然棒一棒間隙結構簡單，制造成本低，無爆炸危險，保護范圍廣泛，但其具有放電分散性大的固有缺陷，且實際安裝時間隙的距離調整不精確，放電過程中還會有不同程度的燒蝕，致使放電電壓值不穩定，實際運行容易造成“誤動”和“拒動”。

1.3 避雷器并聯棒一棒間隙保護

考慮到單獨用避雷器或棒一棒間隙保護的缺點，近年來發展出了避雷器并聯棒一棒間隙的保護方式，具體接線如圖3所示。

在這種保護方案中，方案設計的初衷對避雷器和保護間隙的保護作用是有明確的分工的：即由避雷器對雷電沖擊、操作沖擊等幅值高而持續時間非常短的過電壓實施保護；由棒一棒并聯間隙對工頻穩態過電壓、非全相運行及鐵磁諧振過電壓等幅值相對低但持續時間較長的過實施保護，這樣的配合，不僅可以對變壓器中性點出現的各種過電壓實施保護，而且，也不會出現避雷器爆炸的危險。

實際運行情況表明，雖然這樣的保護方案的保護效果的確比單一使用避雷器或棒一棒間隙的保護效果有所改善，但是并沒有徹底解決問題。

實際應用中，由于仍然利用了棒一棒放電間隙在不同類型過電壓下的自然擊穿特性實現對工頻過電壓的防護，所以，在原來用單一棒一棒間隙保護時存在的問題在現在的避雷器并聯棒一棒間隙保護時仍然存在，也就是：由于棒一棒間隙的放電分散性，造成棒一棒間隙在雷電過電壓作用時避雷器殘壓下動作（誤動）或在工頻過電壓作用下電壓超過避雷器持續工作電壓時間隙仍未動作（拒動）。

2、新型放電間隙工作原理

近年來由于氧化鋅避雷器（MOA）的制作水平不斷提高，閥片荷電量不斷提高，通流容量不斷增大，耐熱老化能力加強，在避雷器加并聯保護間隙的變壓器中性點保護方案中，MOA本身并不存在應用問題，存在的問題都是由于棒一棒間隙本身造成的，因此，問題的關鍵在于如何解決棒一棒間隙存在的問題，如果能夠解決目前棒一棒間隙存在的問題，就可以從根本上解決ll kV變壓器中性點保護的問題。

氣體間隙的擊穿可以區分為自然擊穿和受控觸發擊穿兩大類，所謂自然擊穿是指僅僅依靠間隙上所承受的電壓而導致間隙擊穿；所謂受控觸發擊穿是指間隙的擊穿除了受間隙上所承受的電壓作用外，還受到人為觸發控制作用的擊穿。

氣體間隙的自然擊穿與電極間的電場均勻程度有直接關系，根據電極間電場分布的均勻程度可以將其分成3類：均勻電場間隙、稍不均勻電場間隙和極不均勻電場間隙，在均勻電場間隙和稍不均勻電場間隙中，間隙的自然擊穿電壓與電壓的種類幾乎沒有關系，也就是說，在均勻電場間隙和稍不均勻電場間隙中，間隙在雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓、直流電壓的擊穿電壓與工頻電壓作用下的擊穿電壓的峰值是相同的，在極不均勻電場間隙中，間隙的自然擊穿電壓與電壓的種類關系非常大，也就是說，在極不均勻電場間隙中，間隙在雷電沖擊電壓、操作沖擊電壓、直流電壓和工頻電壓作用下的擊穿電壓差別很大，對于一般尺度的間隙，其在雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓作用下的擊穿電壓要比直流電壓和工頻電壓作用下的擊穿電壓高很多，一般，用沖擊系數來表達間隙在不同類型電壓作用下的擊穿電壓差異，沖擊系數定義為雷電沖擊電壓作用下的間隙擊穿電壓與工頻電壓作用下的間隙擊穿電壓（峰值）之比，所以，對于均勻電場間隙和稍不均勻電場間隙而言，其沖擊系數等于1，而極不均勻電場間隙的沖擊系數大于1，利用棒一棒間隙這樣的極不均勻電場間隙對變壓器中性點的工頻過電壓進行防護就是利用了這種間隙的沖擊系數大于1的特點。

從氣體擊穿的電子崩理論可知，氣體間隙的擊穿過程實際上就是一個電子崩從引發到完成的過程，這里的引發一般都是指一個在電場作用下積聚了足夠動能的電子碰撞氣體分子（原子）并導致其電離的過程，在氣體間隙的擊穿過程中，引發非常重要。如果能夠人為控制引發的發生，就可以實現對間隙擊穿放電的控制，實踐表明，氣體間隙的擊穿是可以通過人為技術手段控制的，一般的技術是在間隙中引入一個局部的火花放電，由這個局部的火花放電所產生的電子引發整個氣體間隙的擊穿。這就是受控觸發擊穿，間隙受控觸發擊穿與間隙自然擊穿的區別在于此時間隙的擊穿不僅與間隙上的電壓有關，還與人為的觸發是否存在有關，而且關系很大。

間隙電場分布的均勻程度決定了間隙擊穿過程對人為觸發的敏感程度，電場分布越均勻，間隙擊穿過程對人為觸發越敏感，因此，人為觸發對均勻電場間隙、稍不均勻電場間隙擊穿過程的影響要大于對極不均勻電場間隙擊穿過程的影響。

根據以上論述，新型放電間隙擬采取以下方案：新型放電間隙采用受控觸發擊穿技術實現對過電壓的防護，同時，考慮到現場應用的方便，新型觸發保護間隙采用無源工作方式，新型可控觸發保護間隙的基本組成如圖4所示，由3部分組成，分別是“電壓測量儲能單元”、“觸發脈沖形成單元”和“受控放電間隙”。

“電壓測量與儲能單元”的作用是鑒別、測量變壓器中性點的電壓類型和幅值，同時，利用變壓器中性點的電壓對儲能元件儲能，以便為“觸發脈沖形成單元”提供必需的能量和功率，這里的鑒別、測量主要是將由對地短路故障引發的工頻穩態過電壓、非對稱運行引發工頻過電壓及鐵磁諧振引起的諧振電壓等持續時間較長的過電壓與雷電沖擊過電壓、操作沖擊過電壓等持續時間較短的過電壓區分開，使儲能單元在雷電沖擊過電壓、操作沖擊過電壓等持續時間較短的過電壓作用下基本不儲存能量，而在由對地短路故障引發的工頻穩態過電壓、非對稱運行引發工頻過電壓及鐵磁諧振引起的諧振電壓等持續時間較長的過電壓作用下儲存能量。

“觸發脈沖形成單元”的作用是當電壓測量與儲能單元所儲存能力達到事先設定的閾值時產生一個高壓觸發脈沖電壓，該高壓觸發脈沖電壓作用于受控放電間隙的觸發電極，引發“受控放電間隙”放電。

“受控放電間隙”是一個三電極放電間隙，依靠空氣絕緣，當其觸發電極受到來自于“觸發脈沖形成單元”的高壓觸發脈沖電壓的作用時，其高壓電極與接地電極之間就會放電，從而將間隙短路，保護避雷器和變壓器的中性點免受過電壓作用。

3、受控放電球隙的研制

3.1 放電間隙電極形狀的選擇

根據避雷器并聯保護間隙這種保護方案中避雷器和保護間隙的作用分工要求，保護間隙僅對由對地短路故障引發的工頻穩態過電壓、非對稱運行引發工頻過電壓及鐵磁諧振引起的諧振電壓等持續時間較長的過電壓起保護作用，而在雷電沖擊過電壓、操作沖擊過電壓等持續時間較短的過電壓作用下，間隙不能在避雷器殘壓下擊穿。

根據上述“電壓測量與儲能單元”的作用描述可知，新型放電間隙在不同類型過電壓下的放電過程是不同的：在由對地短路故障引發的工頻穩態過電壓、非對稱運行引發工頻過電壓及鐵磁諧振引起的諧振電壓等持續時間較長的過電壓作用下，間隙放電采用觸發擊穿；在雷電沖擊過電壓、操作沖擊過電壓等持續時間較短的過電壓作用下間隙不會被觸發，要求間隙不能在避雷器殘壓下擊穿，換句話說，在雷電沖擊過電壓、操作沖擊過電壓等持續時間較短的過電壓作用下，間隙即便是擊穿，也只能采取自然擊穿的放電方式而不能采取觸發擊穿的方式。

因此，間隙電極形狀的選擇必須要同時考慮觸發擊穿和自然擊穿兩種放電形式，要求：間隙必須對觸發的響應非常敏感，不能在觸發過程存在時不擊穿一拒動，而且，間隙觸發擊穿電壓分散性要盡可能??；間隙的最小自然擊穿電壓必須要遠高于避雷器的殘壓，而且，間隙的自然擊穿電壓分散性要盡可能小以減小誤動的可能性。

根據以上要求，只能選擇均勻電場間隙或稍不均勻電場間隙作為新型保護間隙。以往選擇的棒一棒間隙不能滿足上面的要求，從加工制造的成本和技術難度考慮，球一球間隙應該是最佳選擇，因此，本文選球形電極作為新型保護間隙的電極。

3.2 球電極直徑及間隙距離的選擇

球電極直徑的選擇也必須從觸發擊穿和自然擊穿兩個方面，這里主要要考慮與保護間隙配套使用的避雷器的參數。

以YW-55/140型避雷器為例，要求保護間隙的最小自然擊穿電壓必須大于140 kV，而最大觸發擊穿電壓必須小于1.414×55=78 kV，根據這兩個擊穿電壓值的要求，通過查球隙放電標準表來確定球電極的直徑，首先要從最小自然擊穿電壓大于140 kV選擇符合條件的最小直徑的球，然后通過實驗驗證其觸發放電特性是否滿足最大觸發擊穿電壓必須小于1.414×55=78 kV的要求。

由球隙放電標準可知，球直徑為12.5 cm、距離為6.0 cm時，球隙的50%自然擊穿電壓為146 kV，大于140 kV，如果把間隙距離加大，將會滿足最小自然擊穿電壓大于140 kV的條件，雖然直徑超過12，5 em的球隙也滿足條件，但考慮成本及現場應用的空間限制等條件，球隙直徑不宜過大，因此最終確定球隙直徑為12.5 cm。

球電極的直徑選定以后，就要進行觸發擊穿特性實驗，實驗可以在直流電壓下進行，原因是球電極間隙的直流擊穿電壓與交流擊穿電壓峰值是相同的，而且，觸發過程是微秒數量級的，他對于交流和直流電壓下間隙的放電過程影響是基本相同的，具體實驗電路如圖5所示，T₁為調壓器，T₂為實驗變壓器，D為高壓硅堆，R₁為硅堆保護電阻，R₂為放電保護電阻，C為電容，M觸發電壓發生器，球電極采用實驗室設計、加工的直徑D=12.5 cm的銅球，間隙距離從10 mm開始，確定距離后，調整球隙兩端電壓，電壓從零開始分級升壓，級差為2.5 kV，在每級電壓下，施加10次觸發脈沖，觀察擊穿情況，如果不擊穿則升高電壓一個級差，再施加10次觸發脈沖，觀察擊穿情況，直到在某一電壓下球隙被擊穿，記錄電壓和球隙距離，然后改變球隙距離再進行下一個距離的實驗。

為了與自然放電擊穿電壓進行對比，在相同條件下還進行了無觸發擊穿實驗（自然放電擊穿實驗）。實驗結果如表1所示，

從表1可見，當間隙距離70mm時，自然擊穿電壓161 kV>140 kV，觸發擊穿電壓75 kV<78 kV，滿足條件，因此，間隙距離選為70 mm。

3.3 放電間隙的觸發控制

間隙的觸發控制電路如下圖6所示，MOA為氧化鋅避雷器，c1和C2組成電容分壓器，T1為隔離變壓器，R1為阻尼電阻，D1為全波整流橋，R2為放電電阻，c為儲能電容器，D2為高壓觸發二極管，T2為脈沖變壓器，G1和G2組成放電球隙，J為觸發電極。

中性點的工頻過電壓由電容分壓器分壓后在C2上分得的與中性點過電壓成比例的工頻電壓，此電壓經隔離變壓器T2后經R1進入D1并整流為直流電壓，該電壓給儲能電容器C充電，當充電電壓超過D2的額定觸發電壓（即事先設定的閥值）時，D2觸發，電容c經過高壓觸發二極管D2對脈沖變壓器T2原邊放電，在其副邊產生脈沖高電壓，該脈沖高電壓作用于觸發電極J使其與G2間放電并產生火花，該放電為G1、C2間電場提供大量帶電粒子，使球隙間的擊穿電壓大大降低，最終使Gl、G2間的間隙發生擊穿。

由于阻尼電阻R1的存在，使得在雷電沖擊電壓、操作沖擊過電壓等持續時間較短的過電壓作用下儲能電容器不能儲存足夠的能量，從而也就不會產生觸發脈沖電壓，所以，在雷電沖擊電壓、操作沖擊過電壓等持續時間較短的過電壓作用下球隙的擊穿電壓就會很高，不會在避雷器殘壓下發生誤動。

4、新型保護間隙的整機相關試驗

為了檢驗本文所提出的新型觸發控制型保護間間隙的整機性能，制作了新型保護間隙的整機樣機如圖7所示，并對樣機進行了整體試驗。

4.1 觸發放電試驗

以高壓試驗室里的工頻試驗變壓器做工頻高壓電源，對新型保護間隙的樣機進行了工頻擊穿特性試驗（觸發放電試驗），試驗結果見表2所示。

從表2可以看出，最高放電電壓為52.4 kV，最低放電電壓為51.1 kV，平均值放電分散性很小，工作性能穩定，而110 kV系統變壓器保護用避雷器（MOA）的額定工作電壓為55 kV，間隙的工頻放電電壓小于前者，即當中性點出現工頻穩態過電壓時，受控放電間隙先于避雷器（MOA）而動作，有效保護了變壓器的中性點絕緣，同時也保護了避雷器。

4.2 自然擊穿放電試驗

為了檢驗新型保護間隙的自然擊穿情況，對新型保護間隙的樣機進行了自然擊穿試驗，考慮到直流電壓下的自然擊穿試驗比雷電沖擊下的自然擊穿試驗對間隙自然擊穿特性的考驗更嚴格、苛刻，采用直流電壓下的自然擊穿試驗來考核新型保護間隙的自然擊穿特性，試驗結果見表3所示，

從表3可以看出，最高放電電壓為178.4 kV。最低放電電壓為165.4 kV，平均值172.1 kV，放電分散性很小，球隙工作性能穩定，而110 kV系統變壓器保護用避雷器（MOA）的殘壓值為144 kV，小于球隙的直流放電電壓，因此避雷器（MOA）將先于球隙動作，從而保護變壓器中性點絕緣，符合前述設計思想，

5、結論

本文提出了一種新型具有觸發控制功能的110 kV變壓器中性點保護間隙，與現有同類技術相比，新型保護間隙具有如下技術優勢：

1）新型受控放電間隙與避雷器分工明確，保護間隙僅對由對地短路故障引發的工頻穩態過電壓、非對稱運行引發的工頻過電壓及鐵磁諧振引起的諧振電壓等持續時間較長的過電壓起保護作用，間隙在避雷器殘壓下不會擊穿；

2）新型間隙采用三電極球隙結構，不僅使其在受控條件下觸發電壓大大降低，遠小于自然擊穿電壓，而且間隙的自然擊穿放電電壓分散性也遠比目前的棒一棒間隙小；

3）新型間隙為無源裝置，不需要提供額外的供電電源，其能量來自于中性點傳人的過電壓產生的能力，能夠隨過電壓適時動作，實際應用更加方便。