變壓器中性點過電壓一次保護與二次保護研究

摘要：通過介紹變壓器的中性點過電壓在不接地等方式下的安全隱患，引出了一系列關于保護變壓器不被擊穿故障的方法。規范了變壓器中性點過電壓的計算步驟，繼而分析其間隙異常擊穿的典型案例，并且通過實驗數據對中性點間隙繼電保護的整定原則進行探討。

關鍵詞：變壓器；中性點間隙；過電壓保護動作；一次保護；二次保護

前言

最近幾年，因為線路單相接地、系統非全相運行故障引發中性點間隙異常擊穿導致變壓器跳閘事件屢見不鮮。為了從根本上解決此類問題，筆者進行了深入研究，得出，要解決變壓器中性點異常擊穿等問題，重點應從變壓器中性點二次保護措施上下功夫。

1.中性點過電壓的保護措施

在某些110KV或220KV的變電站中，為了有效制止單相接地短波電流，滿足零序電流保護好整定配置的需求，一些變壓器采取了中性點不接地的方式。但是如果應用這種方法，極易導致雷擊時造成變壓器中性點過電壓過高，對中性點的絕緣層構成安全隱患。因此需要引入一系列保護措施，以防止變壓器絕緣故障的發生。

科學的保護措施，應根據具體的情況采用合理的保護方式，對變壓器中性點進行過電壓保護。一般情況下，中性點的保護包括一次過電壓保護與二次繼電保護。其中，一次過電壓保護又分為避雷器保護、間隙保護、避雷器與間隙聯合保護。二次繼電保護又分為間隙零序過電流、直接接地零序過電流保護、母線3U0過電壓保護。保護措施應確保變壓器的中性點以不接地方式運行時，大氣過電壓和系統接地瞬間故障時避雷器動作，棒間隙不應被擊穿；在某些系統故障引起的工頻過電壓時，棒間隙放電，同時刻間隙零序電流保護動作切除變壓器，并把間隙過電壓的保護作為后備保障。

2.中性點工頻過電壓的計算分析

2.1單相接地故障

由節點電壓法故障分析的等值序網絡理論可得出，在單相接地故障時，非接地方式運行變壓器中性點對地電壓可用所在的母線零序電壓代替。并且故障點處的零序電壓最高。因此，在變電站母線處接地做法產生故障時，可用以下公式：

其中UG為變壓器中性點工頻過電壓，U0m為母線的零序電壓；Ue為系統故障前的電壓；k為接地的系數，k=X0/X1（X0，X1分別為故障點等值零序阻抗、故障點等值正序阻抗）。一般情況下有效接地系統k<3，當k=3時過電壓最高，此時中性點工頻過電壓UG=0.6Ue。

在額定的運行電壓下，對于變壓器10KV側、220KV側中性點工頻過電壓：

2.2系統非全相運行

由于斷路器并不是全相分合閘，造成的中性點過電壓，當系統一相開關合上或正處于分開的斷路器一相斷口擊穿時，變壓器中性點的工頻過電壓UG的數值可以近似看作為相電壓：

系統單相運行相似于變壓器與電感線路電容串聯后形成的回路。如果參數匹配則會產生核磁共振，并在中性點周圍產生較高的過電壓。如果是兩個電源電壓反相的雙電源則中性點的電壓為雙倍的相電壓，此概率基本較小。

3.中性點間隙異常擊穿案例分析

在實際操作中，還存在一定的局限性，比如變壓器中性點間隙一次保護和避雷器動作特性配合困難等，電網負荷固有的反饋效應也會產生一定的影響。在某一次系統故障發生時，變壓器中性點間隙的異常擊穿、短時工頻過電壓可分為兩種情況：第一種情況是110KV系統發生了接地故障，系統側跳開之后，因為負荷側反饋效應形成110KV變壓器中性點短時工頻過電壓。第二種情況是接地故障中的220KV或者110KV變壓器中性點間隙的異常擊穿。這兩種情況分別可能造成中性點不接地運行變壓器間隙過電流、過電壓的保護動作，導致變壓器跳閘、負荷損失等，可能使系統零序后備誤動作。

4.現行中性點間隙繼電保護的整定原則

一般中性點間隙保護的動作時限不需要其他系統的配合，主要是為了躲過接地故障暫態的過程影響，經過間隙過電流的保護動作后，盡快將被間隙擊穿的變壓器從系統中剔除。中性點不直接接地的220KV變壓器，將中性點間隙零序電流保護的啟動電流整定成為間隙擊穿時有足夠的靈敏度。一般一次電流的取值為100～120A ，保護動作時間延時0.3s～0.5s，跳開變壓器各側斷路器；其3U0定值（3U0額定值為300V）一般整定為180V，0.5s。國家電網公司的企業標準Q/GDW175-2008《變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規范》中一個220KV變壓器的零序電壓保護的初始零序電壓定值為3U0定值電壓固定為180V，時間固定為0.5s，間隙電流保護范圍內的固定值為100A。110KV變壓器間隙繼電保護的動作時限，對于中低壓側沒有電源的上網裝置，間隙零序電流的動作時間一般整定為1.5s，具體動作時間也可按照該變電站110KV線路的一級接地故障保護和二段保護動作時間，并留有一定裕度進行整定，間隙過壓保護動作后時間延時1.5s，該時限考慮了負荷反饋效應衰減及短時間內過壓返回的可能性。相應電線保護重合時間應大于該動作時限可取2.0秒。

5.結語

為了解決單相接地造成的安全隱患，介紹了當下比較常用的避雷器保護、間隙保護、避雷器與間隙聯合保護的實際操作案例，并且對單相接地故障和系統非全相運行時中性點工頻過電壓進行了詳細的計算分析，最終得出了通過控制間隙過電壓保護動作的時間（延長）來保護電路安全的最優方案。

參考文獻：

[1]李榮華.110kV變壓器中性點過電壓保護的完善[J].變壓器.2009年08期.

[2]周曉宇.一種間調式變壓器的設計研究[J].科技傳播.2011年11期.

作者簡介：趙雁強（1985-），男，湖北宜昌人，畢業于三峽大學科技學院大學本科，主要研究方向： 電力系統繼電保護。