变压器中性点过电压一次保护与二次保护研究

摘要：通过介绍变压器的中性点过电压在不接地等方式下的安全隐患，引出了一系列关于保护变压器不被击穿故障的方法。规范了变压器中性点过电压的计算步骤，继而分析其间隙异常击穿的典型案例，并且通过实验数据对中性点间隙继电保护的整定原则进行探讨。

关键词：变压器；中性点间隙；过电压保护动作；一次保护；二次保护

前言

最近几年，因为线路单相接地、系统非全相运行故障引发中性点间隙异常击穿导致变压器跳闸事件屡见不鲜。为了从根本上解决此类问题，笔者进行了深入研究，得出，要解决变压器中性点异常击穿等问题，重点应从变压器中性點二次保护措施上下功夫。

1.中性点过电压的保护措施

在某些110KV或220KV的变电站中，为了有效制止单相接地短波电流，满足零序电流保护好整定配置的需求，一些变压器采取了中性点不接地的方式。但是如果应用这种方法，极易导致雷击时造成变压器中性点过电压过高，对中性点的绝缘层构成安全隐患。因此需要引入一系列保护措施，以防止变压器绝缘故障的发生。

科学的保护措施，应根据具体的情况采用合理的保护方式，对变压器中性点进行过电压保护。一般情况下，中性点的保护包括一次过电压保护与二次继电保护。其中，一次过电压保护又分为避雷器保护、间隙保护、避雷器与间隙联合保护。二次继电保护又分为间隙零序过电流、直接接地零序过电流保护、母线3U0过电压保护。保护措施应确保变压器的中性点以不接地方式运行时，大气过电压和系统接地瞬间故障时避雷器动作，棒间隙不应被击穿；在某些系统故障引起的工频过电压时，棒间隙放电，同时刻间隙零序电流保护动作切除变压器，并把间隙过电压的保护作为后备保障。

2.中性点工频过电压的计算分析

2.1单相接地故障

由节点电压法故障分析的等值序网络理论可得出，在单相接地故障时，非接地方式运行变压器中性点对地电压可用所在的母线零序电压代替。并且故障点处的零序电压最高。因此，在变电站母线处接地做法产生故障时，可用以下公式：

其中UG为变压器中性点工频过电压，U0m为母线的零序电压；Ue为系统故障前的电压；k为接地的系数，k=X0/X1（X0，X1分别为故障点等值零序阻抗、故障点等值正序阻抗）。一般情况下有效接地系统k<3，当k=3时过电压最高，此时中性点工频过电压UG=0.6Ue。

在额定的运行电压下，对于变压器10KV侧、220KV侧中性点工频过电压：

2.2系统非全相运行

由于断路器并不是全相分合闸，造成的中性点过电压，当系统一相开关合上或正处于分开的断路器一相断口击穿时，变压器中性点的工频过电压UG的数值可以近似看作为相电压：

系统单相运行相似于变压器与电感线路电容串联后形成的回路。如果参数匹配则会产生核磁共振，并在中性点周围产生较高的过电压。如果是两个电源电压反相的双电源则中性点的电压为双倍的相电压，此概率基本较小。

3.中性点间隙异常击穿案例分析

在实际操作中，还存在一定的局限性，比如变压器中性点间隙一次保护和避雷器动作特性配合困难等，电网负荷固有的反馈效应也会产生一定的影响。在某一次系统故障发生时，变压器中性点间隙的异常击穿、短时工频过电压可分为两种情况：第一种情况是110KV系统发生了接地故障，系统侧跳开之后，因为负荷侧反馈效应形成110KV变压器中性点短时工频过电压。第二种情况是接地故障中的220KV或者110KV变压器中性点间隙的异常击穿。这两种情况分别可能造成中性点不接地运行变压器间隙过电流、过电压的保护动作，导致变压器跳闸、负荷损失等，可能使系统零序后备误动作。

4.现行中性点间隙继电保护的整定原则

一般中性点间隙保护的动作时限不需要其他系统的配合，主要是为了躲过接地故障暂态的过程影响，经过间隙过电流的保护动作后，尽快将被间隙击穿的变压器从系统中剔除。中性点不直接接地的220KV变压器，将中性点间隙零序电流保护的启动电流整定成为间隙击穿时有足够的灵敏度。一般一次电流的取值为100～120A ，保护动作时间延时0.3s～0.5s，跳开变压器各侧断路器；其3U0定值（3U0额定值为300V）一般整定为180V，0.5s。国家电网公司的企业标准Q/GDW175-2008《变压器、高压并联电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范》中一个220KV变压器的零序电压保护的初始零序电压定值为3U0定值电压固定为180V，时间固定为0.5s，间隙电流保护范围内的固定值为100A。110KV变压器间隙继电保护的动作时限，对于中低压侧没有电源的上网装置，间隙零序电流的动作时间一般整定为1.5s，具体动作时间也可按照该变电站110KV线路的一级接地故障保护和二段保护动作时间，并留有一定裕度进行整定，间隙过压保护动作后时间延时1.5s，该时限考虑了负荷反馈效应衰减及短时间内过压返回的可能性。相应电线保护重合时间应大于该动作时限可取2.0秒。

5.结语

为了解决单相接地造成的安全隐患，介绍了当下比较常用的避雷器保护、间隙保护、避雷器与间隙联合保护的实际操作案例，并且对单相接地故障和系统非全相运行时中性点工频过电压进行了详细的计算分析，最终得出了通过控制间隙过电压保护动作的时间（延长）来保护电路安全的最优方案。

参考文献：

[1]李荣华.110kV变压器中性点过电压保护的完善[J].变压器.2009年08期.

[2]周晓宇.一种间调式变压器的设计研究[J].科技传播.2011年11期.

作者简介：赵雁强（1985-），男，湖北宜昌人，毕业于三峡大学科技学院大学本科，主要研究方向： 电力系统继电保护。