中性点不接地变压器的过电压保护探讨

杨 萍，陈 鹏，陆彦虎，杜 伊

（超高压分公司，宁夏 银川 750011）

1 引言

110kV及以下电压等级的变压器一般为中性点不接地运行方式。在变压器运行过程中，经常会遇到过电压的侵害，如：当分、合闸空载变压器时，变压器将会产生操作过电压；当变压器发生单相接地、断线故障时，变压器将会产生弧光接地过电压。系统过电压时，如果变压器不接地运行，变压器所承受的相电压将会上升，很有可能影响变压器的绝缘安全，轻则损坏设备，造成停电事故，重则危及人身和电网安全。因此，本文详细阐述了不接地变压器过电压形成的机理及其特性，重点分析了过电压保护的配置及各类保护的优缺点，提出了不接地变压器过电压保护的合理选择以及保护的改进措施，保证了此类变压器安全、稳定、持续运行。

2 66kV及以下不接地变压器内部过电压形成机理及防范措施

2.1 66kV及以下电压等级变压器过电压形成机理及危害

由于电压等级低，变压器绝缘上所增加的投资也不大，我国66kV及以下电压等级的变压器都采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。

2.1.1 单相接地时66kV及以下电压等级不接地变压器电流电压分析

单相接地时电网的主要故障形式，约占60%以上。在中性点不接地的系统内，发生稳定性单相接地时，故障并不改变变压器三相绕组间电压的对称性，即线电压之间的关系不变，单相接地同时会使健全相电压上升到线电压，此时变压器的绝缘水平还在承受范围之内。而且，由于接地的故障电流不大，因而不需立即切除故障线路，允许在2h内可以继续向用户供电，以便值班人员借助接地信号来查明故障进行处理，从而提高了供电可靠性。

2.1.2 弧光过电压的产生及危害

在单相接地故障中，绝大部分电弧不稳定，处于时燃时灭的状态，这种间歇性电弧导致电感电容元件之间的电磁振荡，形成遍及全系统的过电压，这就是间歇性电弧接地过电压，也称弧光接地过电压。如图1所示为中性点不接地系统发生单相接地故障时的等值电路图。

图1中C1、C2、C3分别为各相导线的对地电容，设C=C1=C2=C3，则正常情况下中性点电位为零，即UN=0。当A相发生接地故障时，中性点电位升至相电压，即UN=-UA，健全相导线对地电位升为线电压UBA、UCA，I2、I3中的电流分别领先 UBA、UCA90°，其绝对值为：

图1 单相接地接线图及相量图

故障电流为：

式（1）表明，单相接地时流过故障点的电容电流Id与线路对地电容及额定电压成正比。是否在单相接地时产生间隙电弧，与系统单相接地电流大小直接相关。若系统较小，线路又不长，其单相接地电容电流也小，一些暂时性单相弧光接地电流，故障过后，电弧可自动熄灭，系统很快恢复正常。随着电压的提高和系统的发展，单相接地电流会成比例增长。运行经验表明，10-35kV电容电流超过10A时，此时电弧将难以熄灭。

2.2 防止弧光接地过电压所采取的措施

防止弧光接地过电压的根本途径是消除间隙电弧。为此，根据实际运行情况可采取以下措施。

（1）系统中性点经消弧线圈接地。消弧线圈实际上是一个具有带气隙铁芯的可调电感消弧电抗器。在电网中性点与地之间接入消弧线圈之后，电网发生单相接地电容电流将会得到有效补偿。如能使故障点的残余电流减至10A以下，就可促使接地电弧不易重燃，减小弧光接地过电压出现的概率。

（2）在中性点不接地系统中，若线路过长，当运行条件许可，可采用分网运行方式，减小电容电流，有利接地电弧的自熄。

（3）在实际系统中，为提高功率因数而装设星形连接的电容器组，则相当于加大了相间电容，一般不会产生严重的弧光接地过电压。

3 110kV不接地变压器内部过电压形成机理及保护防范措施

为了限制短路电流，在110kV有效接地系统中通常也有许多110kV变压器采取不接地运行方式。

3.1 110kV及以下不接地变压器内部过电压形成机理及危害

（1）雷电冲击波侵入变压器时，造成变压器中性点电位升高的雷电过电压。

（2）断路器非全相分合闸造成的变压器不接地中性点出现的过电压，如果两侧都有电源，由于两端电源不同步，中性点电压可高达2倍相电压。

（3）由于继保误动或人员误操作，使系统形成一个带单相接地的中性点不接地系统，出现变压器中性点的稳定电压升高至相电压。当系统失去直接接地中性点，而又发生单相接地时，此时TV开口三角形绕组出现的电压（TV不饱和时）3U0=300V，但实际上当3U0=200V时TV已开始饱和（电磁型TV测量回路的伏安特性，根据实测为：TV二次绕组加电压70V时，绕组励磁电流为20A，即饱和电压约为70V）。所以系统失去直接接地的中性点，而又发生单相接地时，TV开口三角形绕组饱和电压约为3U0=210V。

（4）正常网络发生单相接地故障时，在断路器跳开单相接地故障前，此时变压器中性点的过电压值的大小与K=X0/X1有关，其中：X0为零序阻抗；X1为正序阻抗。由于电网各处X0/X1不易准确提供，且有效接地系统网络一般K≤3，当K=3时的过电压最严重，因此为了简化计算，按K=3取值，而中性点不接地系统时取系数K=∞单相接地故障时，中性点稳态电压U0=UphK（/K+Z），中性点暂态电压为=1.8，纠结式绕组r=1.5。如表1所示为单相接地时110kV变压器稳态电压和暂态电压的计算值。

表1 110kV变压器中性点过电压计算值

由表1可知，发生单相接地故障时，110kV变压器零序电压很高，必须采取一定的保护措施来解决系统过电压的问题，

3.2 110kV变压器过电压保护的分类及优缺点

不接地变压器中性点可能受到雷电、操作及工频等各种过电压作用，因110kV变压器通常为分级绝缘结构，中性点绝缘比较薄弱，所以在变压器中性点上装有避雷器，或中性点上装有间隙棒。目前，中性点过电压保护主要采用有间隙保护、避雷器保护。

3.2.1 间隙保护的优缺点

间隙保护的优点是结构简单可靠、运行维护量小。在工频、操作和雷电过电压下都可能对变压器进行保护。

间隙保护的缺点是在三种过电压这样大范围保护配合参数确定较困难，放电分散性大，保护特性一般，工频续流较大，灭弧能力较差，而且间隙动作会产生载波，对变压器本身绝缘也不利。在实际运行中常发生间隙放电现象，因线路遭受雷击导致系统瞬时单相接地时，110kV变压器中性点保护间隙击穿多次造成继电保护误动。具体系统如图2所示。

图2 110kV变压器典型主接线图

该站为有两台110kV不接地变压器，有110kV两路主电源A和B线。当时运行方式为#1主变和#2主变并列运行，电源线A供电，电源线B热备，#1和#2主变均装设了间隙电流保护。某日，110kV电源线A的C相瞬时接地短路，电源线A零序电流II段保护动作，经0.3s跳闸，同时#1和#2主变均间隙被击穿，间隙电流保护动作，也经0.3s跳两台主变三侧开关。虽然电源线A故障跳闸后，经1s重合成功，但此时变电站已全所失压。由此次事故过程分析可以看出，由于常规按整定设计规程，间隙电流一次动作值取100A，0.3s，与上一级线路零序电流二段整定时间相同，应此在有效接地方式下发生单相接地短路时，变压器间隙电流保护动作时间躲不过上一级线路后备保护动作时间，而造成误动。结果延长了停电时间，极大地影响了供电可靠性。

3.2.2 避雷器保护的优缺点

避雷器保护的优点是伏秒特性平坦，放电分散性小，保护特性优良，切断工频续流能力强，对主变压器冲击小。

避雷器保护的缺点是不能防护工频过电压，而且在较高工频过电压下自身需防护，自身存在故障危险。特别是当发生非全相运行或转为带单相接地的中性点不接地系统时，由于变压器中性点稳态电压升高，可能使阀型避雷器破坏，甚至引起爆炸。

3.3 110kV不接地变压器过电压保护的合理选择及间隙保护的改进措施

通过分析避雷器和间隙保护的特性，可知两种保护各有其优势和劣势。针对变压器各种过电压的形成机理，可将避雷器和间隙保护作如下合理配置，同时，为了防止变压器间隙保护误动，也提出相应的保护完善措施。

3.3.1 110kV变压器电压保护设备的合理选择

防护非全相运行及系统转为带单相接地的中性点不接地系统能可靠动作，而在雷电过电压下不动作必须选用间隙；只防护雷电过电压，并对正常网络发生单相接地时变压器中性点出现的暂态过电压进行阻尼，以保证间隙不会误动则可选择氧化锌避雷器；需同时防护雷电、工频和操作过电压时可采用间隙或避雷器和间隙并联的保护方式，在工频过电压下，间隙并联避雷器中间隙既保护变压器中性点，又保护避雷器。

3.3.2 防止变压器间隙保护误动所采取的改进措施

针对间隙击穿时变压器间隙零流保护误动，可将变压器间隙电流保护作如下整定配合改进：将变压器间隙零序电流保护时间延长，和上级电源线零序II段时间配合，使变压器变压器间隙零序电流保护时间比上级电源线零序II段时间延长0.3s，这样当变压器间隙击穿时，可以让变压器上级电源线零序电流保护先于变压器间隙零流保护动作，切除故障，然后上级电源线可通过重合闸恢复供电，保证了变压器的持续供电。

4 结束语

本文以内部过电压相关的标准、规定为依据，借鉴现场实际运行经验，详细阐述了变压器内部过电压形成的机理、危害及其特点，通过仔细分析110kV及以下电压等级不接地变压器过电压保护的原理及优缺点，提出了变压器过电压保护的合理配置及保护的改进措施，保证了变压器的安全、稳定、持续运行。

［1］崔家佩等.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算［M］.北京:中国电力出版社，1993.

［2］电力系统继电保护规定汇编［M］.北京:中国电力出版社，1997.

［3］电力系统继电保护实用技术问答［M］.北京:中国电力出版社，1997.

［4］大型发电机组继电保护整定计算与运行技术［M］.北京:中国电力出版社,2005.