變壓器中性點間隙零序過流保護改進

晏　青，陳　軍，梁　靜，王曉飛，常喜強，馮小萍，南東亮，崔大林

(國網新疆電力公司 a. 調度控制中心； b. 電力科學研究院,新疆烏魯木齊830011)

變壓器中性點間隙零序過流保護改進

晏青a，陳軍a，梁靜b，王曉飛a，常喜強a，馮小萍a，南東亮b，崔大林a

(國網新疆電力公司 a. 調度控制中心； b. 電力科學研究院,新疆烏魯木齊830011)

摘要：為了限制短路電流和滿足繼電保護整定需要，在220 kV變壓器中性點裝設放電間隙作為過電壓保護。通過兩起主變間隙保護動作事故，分析得出間隙擊穿的原因是在單線帶雙變終端變電站中，線路發生單相接地故障時，零序暫態過電壓會經終端站反射疊加，在變壓器高頻振蕩作用下傳導到不接地變壓器中性點上形成過電壓，導致間隙擊穿事故。據此可在二次和系統管理方面采取措施，避免主變壓器在中性點未出現危險過電壓時間隙擊穿導致主變跳閘，有效減少事故范圍。

關鍵詞：繼電保護; 單相接地; 中性點間隙保護; 故障分析

中圖分類號：TM933

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.003

收稿日期：2015-06-16。

作者簡介：晏青(1961-)，男，高級工程師，主要研究方向為電力系統運行及管理，E-mail:yanqing@xj.sgcc.com.cn。

Abstract：To limit short-circuit current and meet the requirement of setting of relay protection, discharge gap is arranged in the neutral point of transformers as overvoltage protection. Two faults of several main transformers tripping-out were analyzed and the results revealed that when the single-phase grounding fault happened in a single with double terminal substation, the terminal reflection stack of zero sequence transient overvoltage under the impact of high frequency oscillation was conducted to the no-grounding transformer neutral point to form overvoltage, callsing the gap breakdown. It can be inferred that measures can be taken in protection and system management aspects to avoid main transformer triping caused by gap breakdown when the main transformer neutral point is not in danger of overvoltage and thus reduce the range of accident.

Keywords：relay protection; single-phase grounding; gap protection of transformer neutral point; fault analysis

0引言

變壓器是電力系統發、變、送、用環節中最重要、最昂貴的設備之一，其運行狀態的安全、可靠性影響著整個電網運行鏈的完整性。現有的220 kV變壓器，根據《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》(DL/T 620-1997)中的相關規定[1]。在中性點一般裝設有放電間隙作為過電壓保護，因接地故障形成局部不接地系統，或出現危急變壓器中性點絕緣的工頻過電壓和沖擊電壓時放電間隙應可靠動作，系統以有效接地方式運行發生單相接地故障時放電間隙不應動作。

根據《220 kV～750 kV電網繼電保護裝置運行整定規程》(DL/T 559-2007)及繼電保護理論[2]：中性點不直接接地的220 kV變壓器，零序電壓保護元件用于反映單相接地時的零序電壓，其3U0定值(3U0額定值為300 V)規程要求整定為180 V和0.5 s。發生單相接地故障時，如果放電間隙不動作，則零序電壓保護元件動作，經0.5 s延時切除變壓器。對于中性點放電間隙零序電流保護一般整定為100 A(考慮間隙擊穿時有足夠的靈敏度)，保護動作后延時0.3～0.5 s，切除變壓器。

2014年以來，新疆電網發生兩起由于放電間隙擊穿造成220 kV主變跳閘事故，在此對220 kV變壓器中性點間隙保護相關問題進行分析。

1事故介紹

1.1　第一起事件分析

(1) 事故發生前的電網運行方式。

某220 kV變電站(簡稱為變電站A)，其一次接線圖如圖1所示。#2主變中性點為接地運行方式(25020、15020刀閘均合上)，#1主變中性點經放電間隙接地運行。兩臺主變220 kV和 110 kV側為并列運行方式。2276線路單線運行。#1主變容量：150 MVA，#2主變容量：180 MVA。

圖 1220kV變電站(A)接線圖

(2)事故經過及保護動作情況。

#1主變配置A/B屏雙套保護，#2276線路雙套光纖保護。

2015年3月24日，01時16分51.737秒，由于距A變電站側23.93 km(87號塔A相復合絕緣子)處鳥糞閃絡，220 kV #2276線路發生A相發生瞬時性接地故障，保護裝置動作時序如圖2所示。

圖2　保護動作時序圖

圖3，4為#1主變故障錄波圖，由圖可知，間隙零序電流值達1.9 A(二次值)，超過該主變220 kV側間隙保護定值，且#1主變220 kV側自產零序電流、間隙零序電流和專用零序電流幅值基本相等，持續時間504 ms，達到保護整定動作延時500 ms，滿足該主變220 kV側間隙保護動作條件，圖3為動作報告，動作記錄波形如圖4。

圖3　保護裝置故障報告

圖4　#1主變故障錄波圖

1.2　第二起事件分析

(1) 事故發生前的電網運行方式。

某220 kV變電站(簡稱為變電站B)，其一次接線圖如圖5所示。#1主變中性點為接地運行方式(25010，15010刀閘均合上)，#2主變中性點經放電間隙接地運行。兩臺主變220 kV和 110 kV側為并列運行方式。2275線路、2276線路雙線運行。#1主變容量：180 MVA；#2主變容量：180 MVA。

圖5　220 kV變電站B接線圖

(2)事故經過及保護動作情況。

#2主變配置A/B屏雙套保護，#2276線路雙套光纖保護。

2014年4月23日08時05分17.402秒，220kV #2275線路發生A相發生永久性接地故障，保護裝置動作時序如圖6 (a)所示。6 s后，#2276線路發生A相發生永久性接地故障，保護裝置動作時序如圖6 (b)所示。

圖6　保護動作時序圖

第二起事件#2主變保護間隙動作情況與第一起事件基本一致，在此，不再列出故障錄波圖。

2變壓器中性點過電壓計算

2.1　單相接地故障引起的中性點過電壓

系統發生單相接地短路時，中性點穩態零序電壓U0.g/t→∞為：

(1)

式中：Uφ為正常運行時該點的相電壓；接地程度系數k為系統中零序與正序入口阻抗之比X0/X1。可見k值越大，中性點穩態過電壓就越大。

在故障發生前，故障點零序電壓起始值U0.g/t→0=0。因此，中性點的暫態電壓最大值為：

(2)

式中：γ為變壓器振蕩衰減系數(式中γ取值0.5～0.8，其中0.5適用于糾結式繞組，0.8適用于連續式繞組)。

由上述公式推導，可得中性點電位的暫態最大值一般為：

(3)

在單相接地故障發生后，不接地中性點電壓將經過一個高頻振蕩過渡到穩態電壓，即在故障點上將有一個從U0.g/t→0到U0.g/t→∞的過渡過程。

在線路發生單相接地故障的瞬間，故障處出現的零序暫態過電壓將以行波形式沿線路向兩端進行傳播，形成系統暫態過電壓并衰減到穩態水平。若為中間變電站，則零序暫態過電壓行波到達變電站母線時不發生反射，其幅值仍為U0.g/t→0。但是，對于單線終端變電站，暫態過電壓行波到達時沒有繼續傳播的通道，就會出現波反射現象，反射波與后續行波疊加，母線零序過電壓暫態幅值會達到2U0m.g/t→0，能夠造成變壓器中性點間隙擊穿，之后暫態過電壓行波在故障點與變電站之間發生多次反射，行波逐漸衰減而進入穩態值U0.g/t→∞。雖然暫態過程迅速衰減至穩態水平(從故障錄波圖上看，不到1/4個周波)，但由于棒間隙本身自熄弧能力差，穩態零序電壓仍然能夠使間隙繼續保持擊穿狀態，直到零序電壓消失。

2.2　中性點不接地方式下的單相接地故障

中性點不接地系統發生單相接地故障時，變壓器中性點最大穩態電壓值為Uφ，與避雷器的工頻額定電壓接近[3，4]，間隙動作與否則取決于其距離大小以及故障時的運行工況(包括天氣、溫度等因素)。

若間隙不能可靠動作，則變壓器零序電壓保護將會動作，斷開變壓器三相開關。

3事故分析

3.1　過程推斷

(1)第一起事件過程推斷

若由于雷電原因，導致間隙放電，中性點所安裝的避雷器Y1W-146/320應有動作計數。事實上，當時沒有雷電發生，避雷器也無動作計數。此時，可以肯定線路單相接地故障是導致間隙放電的直接原因，從而引起主變跳閘，理由是：

a.從#1主變故障錄波圖可知，間隙零序電流和零序電壓的產生均由A相電壓變化引起，且間隙零序CT的電流波形和變壓器中性點零序CT的電流波形一致，可以斷定主變跳閘和系統故障有關聯。

b.在線路發生故障后504 ms，主變間隙零序保護過流動作，#1主變三側開關跳開，變壓器中性點的間隙有被擊穿的放電灼燒痕跡，推測是由于#2276線路A相單相瞬時性接地短路時，暫態過電壓導致間隙擊穿，由于暫態過程持續時間約3 ms，間隙擊穿后重合閘1 s之后才會動作，在220 kV #2276線路兩側A相斷路器跳閘但未重合前，線路故障點已隔離，該線路處于非全相運行狀態，此期間220 kV變電站A中220 kV系統存在零序電壓及零序電流，即工頻過電壓的穩態分量依然存在，導致間隙在500 ms內不能滅弧，繼而引發#1主變在504 ms后間隙零序過流動作(保護時間定值500 ms)。

(2)第二起事件過程推斷

兩次事件的主要區別為事件一中變電站A為單線運行，變電站B為雙線運行。變電站B在#2275線路發生單相永久性接地故障后，單跳重合后發展為三跳，成為單線運行方式，與事件一中變電站A運行方式一致，#2275線路切除6 s后，當#2276線路發生故障后505 ms，主變間隙零序過流保護動作，#2主變三側開關跳開，變壓器中性點的間隙有被擊穿的放電灼燒痕跡，應該與第一起事件的變壓器間隙零序過流保護動作原因相同。

3.2　實際中性點電壓計算

(1)變電站A中性點過電壓計算[5，6]

變電站A母線處k值為1.29，理論計算按照母線處發生單相接地故障時，由公式(3)可得中性點的暫態電壓最大值計算結果為：

110～132kV

由于變電站A為終端變電站，零序過電壓暫態幅值會達到2U0m.g/t→0。因此變電站A的#1主變中性點零序過電壓暫態幅值約為220～264 kV之間。

根據#1主變故障錄波圖，系統單相接地故障時，#1主變220 kV側母線3U0(二次值)最大峰值為182.84 V。此時 220 kV母線上3U0(一次值)最大峰值為：

#1主變中性點處電壓為U0(一次值)最大峰值為77.41 kV。同理，#1主變220 kV側母線3U0(二次值)穩態值為75.98 V，則#1主變中性點處電壓為U0(一次值)穩態值為32.17 kV。

(2) 變電站B中性點過電壓計算

變電站B母線處k值為1.312，同理，當變電站B為終端變電站時，理論計算按照母線處發生單相接地故障時，變電站B的#2主變中性點零序過電壓暫態幅值約為224～268 kV之間。

根據故障錄波，#2主變中性點零序電壓最大峰值為82.12 kV，穩態有效值為34.14 kV。

3.3　具體分析

變電站A和變電站B主變間隙設備型號均為BJX-110型，經過現場檢測，間隙距離為290 mm，工頻擊穿電壓為94 kV。

第一起事件接地故障發生時#1主變中性點零序電壓最大峰值為77.41 kV，穩態有效值為32.17 kV，并未達到間隙工頻擊穿電壓。第二起事件接地故障發生時#2主變中性點零序電壓最大峰值為82.12 kV，穩態有效值為34.14 kV，都未達到間隙工頻擊穿電壓。根據3.2節的計算結果可知，零序過電壓暫態幅值約為224～268 kV之間，遠遠超過300 mm棒間隙50%操作沖擊擊穿電壓179.7 kV。因此可以確定間隙是由于暫態過電壓擊穿。

通過兩起事故的故障錄波圖計算分析可知，采樣零序電壓最大峰值比理論計算值差距很大，這是因為故障錄波器采樣頻率為每周波24點，采樣間隔0.833 ms，不接地中性點電壓的高頻振蕩過程中產生的零序暫態過電壓無法捕捉，因此，再此考慮理論計算值。

另外，變電站B在2014年9月6日，23時53分55秒，由于雷雨天氣，220 kV #2276線路發生A相發生瞬時性接地故障，保護裝置動作跳開兩側斷路器，重合成功。與前面所述變電站B的第二起事件區別在于，此時變電站B為雙線運行，單線發生接地故障時，變壓器中性點間隙并沒有擊穿。

通過上述分析，認定兩次間隙擊穿事件的主要原因是單線帶雙變終端站，線路發生的單相接地故障暫態過電壓經終端站反射疊加，在變壓器高頻振蕩作用下傳導到不接地變壓器中性點上形成的過電壓超過了間隙操作沖擊擊穿電壓，最終導致間隙擊穿。

4建議與措施

根據上述分析，以目前保護配置，雙變終端站僅有單條進線，線路側發生單相接地故障時，不接地主變中性點間隙擊穿動作很難避免。根據國網公司變壓器技術條件規定：220 kV三繞組變壓器高壓側中性點短時工頻電壓耐受水平為200 kV，而220 kV變壓器中性點間隙工頻擊穿電壓約為90 kV，兩者之間存在較大差距。因此，是否可考慮增大間隙距離或延長動作時間，以提高擊穿電壓或躲過重合閘時間，避免主變跳閘，以下對可行方案進行探討。

4.1　增大間隙距離方案討論

根據DL/T 620-1997，因接地故障形成局部不接地系統時間隙應動作，則間隙最大距離由不接地系統單相接地故障時主變壓器中性點工頻穩態電壓升高值決定，即由系統正常運行相電壓(220 kV系統的相電壓為127 kV)決定。按間隙工頻放電電壓Ucp+3δ核算，220 kV中性點間隙最大距離不應大于295 mm。如果在295 mm基礎上增大間隙距離，當系統發生單相故障局部失地時則不能保證放電間隙可靠動作，當線路保護拒動或中性點存在絕緣缺陷時，主變壓器可能損壞。間隙增大會使動作電壓提高，間隙擊穿后很有可能產生高幅值有害截波。另外，即使最大限度增大間隙距離至330 mm，間隙放電概率減小，但仍不能完全解決間隙誤動問題。因此，不宜增大主變壓器中性點間隙距離。

4.2　延長間隙過流保護動作時間方案討論

目前間隙過流保護整定時間是0.5 s，而220 kV線路重合閘時間是1 s。若延長間隙動作時限到1.2 s，躲開線路重合閘，則可避免主變壓器誤跳。

通過第一起事件故障錄波可知，變電站A中#2主變接地運行的中性點零序電流峰值為1 428 A大于#1主變不接地中性點間隙零序電流(峰值1 152 A)，可見,無論變壓器中性點是否接地運行均可以承受較大零序電流[7，8]。一般間隙擊穿第一周波出現危險的零序電流，延長間隙保護動作時限只使主變壓器承受穩態零序電流的時間稍有增加，對主變壓器影響需要繼續研究討論。加之，線路單相接地故障90%以上為瞬時性故障，且有極高的重合成功率，在故障切除后再延長動作時限對變壓器和間隙損害是最小的，因此，對延長保護動作時限應該加以限制，不能無條件的延長至1.2 s。

4.3　基于熱效應法改進的間隙過流保護

為防止單相瞬時性接地故障時線路保護拒動無法切除故障，導致變壓器中性點及間隙長時間的流過近kA的零序電流，此時要求間隙零序過流保護仍然要在0.5 s內切除故障，若線路保護正確動作，按照線路保護整定時限，100 ms內故障完全能夠切除，因此，間隙零序保護的邏輯可以進行改進，普通間隙過流保護對間隙擊穿后故障電流持續時間無靈敏性，本文針對此問題提出新方法，當間隙零序電流大于一定門檻值(可整定)，開始累計此電流的持續時間，并對電流開始進行積分，實時積分值為

式中：It為開始計時后的電流實時采用值。

如果在200 ms內ISUM大于ISET說明達到間隙熱過負荷限制，保護動作，切除變壓器，若電流積分值小于整定值的1/2，則清除保護啟動信號，重新開始計時并對電流開始積分。若500 ms內沒有出現ISUM大于ISET，則將間隙零序過流時限延長至1.2 s出口，這樣可躲開線路重合閘，避免主變壓器誤跳。圖7為改進間隙過流保護與普通間隙過流保護的保護啟動信號比較圖。

圖7　改進保護與普通保護動作比較圖

5結論

(1) 通過理論計算分析總結出，單線帶雙變終端變電站線路發生的單相接地時，故障暫態過電壓會導致變壓器中性點間隙擊穿，應對電網中此類變電站進行專項分析和排查，對這類站點的進線長度、間隙距離、避雷器動作計數情況進行備案，加強線路的巡視盡量減少單相接地事故的發生，同時對這類事故作積累經驗，進行必要的比較和分析。

(2) 從兩起事件的原因分析和間隙距離整定要求可知，主變壓器中性點間隙保護在一次方面存在局限性，可在二次方面采取措施，開發有閉鎖條件的保護動作時限延長判據，判斷出在線路故障切除后方可進行時限延長，躲開線路重合閘，可避免主變壓器誤跳。

(3) 對于單線雙變終端站，一方面應合理控制和分配負荷，避免線路單相故障時一臺主變跳閘，另一臺主變出現過載情況，另一方面目前可使用4.2節所述的改進保護方式。最終，應加快建設另一條進線，從系統方式上杜絕此類跳閘故障的發生。

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Improved Protection on Zero Sequence Overcurrentin Transformers Neutral Point Gap

Yan Qinga, Chen Juna, Liang Jingb, Wang Xiaofeia, Chang Xiqianga, Feng Xiaopinga, Nan Dongliangb, Cui Dalina

(a.Dispatching and Communication Center ；b.State Grid Electric Power Research Institute, Xinjiang Electric Power Company, Urumqi 830011, China)