变压器中性点间隙零序过流保护改进

晏　青，陈　军，梁　静，王晓飞，常喜强，冯小萍，南东亮，崔大林

(国网新疆电力公司 a. 调度控制中心； b. 电力科学研究院,新疆乌鲁木齐830011)

变压器中性点间隙零序过流保护改进

晏青a，陈军a，梁静b，王晓飞a，常喜强a，冯小萍a，南东亮b，崔大林a

(国网新疆电力公司 a. 调度控制中心； b. 电力科学研究院,新疆乌鲁木齐830011)

摘要：为了限制短路电流和满足继电保护整定需要，在220 kV变压器中性点装设放电间隙作为过电压保护。通过两起主变间隙保护动作事故，分析得出间隙击穿的原因是在单线带双变终端变电站中，线路发生单相接地故障时，零序暂态过电压会经终端站反射叠加，在变压器高频振荡作用下传导到不接地变压器中性点上形成过电压，导致间隙击穿事故。据此可在二次和系统管理方面采取措施，避免主变压器在中性点未出现危险过电压时间隙击穿导致主变跳闸，有效减少事故范围。

关键词：继电保护; 单相接地; 中性点间隙保护; 故障分析

中图分类号：TM933

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.08.003

收稿日期：2015-06-16。

作者简介：晏青(1961-)，男，高级工程师，主要研究方向为电力系统运行及管理，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

变压器是电力系统发、变、送、用环节中最重要、最昂贵的设备之一，其运行状态的安全、可靠性影响着整个电网运行链的完整性。现有的220 kV变压器，根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T 620-1997)中的相关规定[1]。在中性点一般装设有放电间隙作为过电压保护，因接地故障形成局部不接地系统，或出现危急变压器中性点绝缘的工频过电压和冲击电压时放电间隙应可靠动作，系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时放电间隙不应动作。

根据《220 kV～750 kV电网继电保护装置运行整定规程》(DL/T 559-2007)及继电保护理论[2]：中性点不直接接地的220 kV变压器，零序电压保护元件用于反映单相接地时的零序电压，其3U0定值(3U0额定值为300 V)规程要求整定为180 V和0.5 s。发生单相接地故障时，如果放电间隙不动作，则零序电压保护元件动作，经0.5 s延时切除变压器。对于中性点放电间隙零序电流保护一般整定为100 A(考虑间隙击穿时有足够的灵敏度)，保护动作后延时0.3～0.5 s，切除变压器。

2014年以来，新疆电网发生两起由于放电间隙击穿造成220 kV主变跳闸事故，在此对220 kV变压器中性点间隙保护相关问题进行分析。

1事故介绍

1.1　第一起事件分析

(1) 事故发生前的电网运行方式。

某220 kV变电站(简称为变电站A)，其一次接线图如图1所示。#2主变中性点为接地运行方式(25020、15020刀闸均合上)，#1主变中性点经放电间隙接地运行。两台主变220 kV和 110 kV侧为并列运行方式。2276线路单线运行。#1主变容量：150 MVA，#2主变容量：180 MVA。

图 1220kV变电站(A)接线图

(2)事故经过及保护动作情况。

#1主变配置A/B屏双套保护，#2276线路双套光纤保护。

2015年3月24日，01时16分51.737秒，由于距A变电站侧23.93 km(87号塔A相复合绝缘子)处鸟粪闪络，220 kV #2276线路发生A相发生瞬时性接地故障，保护装置动作时序如图2所示。

图2　保护动作时序图

图3，4为#1主变故障录波图，由图可知，间隙零序电流值达1.9 A(二次值)，超过该主变220 kV侧间隙保护定值，且#1主变220 kV侧自产零序电流、间隙零序电流和专用零序电流幅值基本相等，持续时间504 ms，达到保护整定动作延时500 ms，满足该主变220 kV侧间隙保护动作条件，图3为动作报告，动作记录波形如图4。

图3　保护装置故障报告

图4　#1主变故障录波图

1.2　第二起事件分析

(1) 事故发生前的电网运行方式。

某220 kV变电站(简称为变电站B)，其一次接线图如图5所示。#1主变中性点为接地运行方式(25010，15010刀闸均合上)，#2主变中性点经放电间隙接地运行。两台主变220 kV和 110 kV侧为并列运行方式。2275线路、2276线路双线运行。#1主变容量：180 MVA；#2主变容量：180 MVA。

图5　220 kV变电站B接线图

(2)事故经过及保护动作情况。

#2主变配置A/B屏双套保护，#2276线路双套光纤保护。

2014年4月23日08时05分17.402秒，220kV #2275线路发生A相发生永久性接地故障，保护装置动作时序如图6 (a)所示。6 s后，#2276线路发生A相发生永久性接地故障，保护装置动作时序如图6 (b)所示。

图6　保护动作时序图

第二起事件#2主变保护间隙动作情况与第一起事件基本一致，在此，不再列出故障录波图。

2变压器中性点过电压计算

2.1　单相接地故障引起的中性点过电压

系统发生单相接地短路时，中性点稳态零序电压U0.g/t→∞为：

(1)

式中：Uφ为正常运行时该点的相电压；接地程度系数k为系统中零序与正序入口阻抗之比X0/X1。可见k值越大，中性点稳态过电压就越大。

在故障发生前，故障点零序电压起始值U0.g/t→0=0。因此，中性点的暂态电压最大值为：

(2)

式中：γ为变压器振荡衰减系数(式中γ取值0.5～0.8，其中0.5适用于纠结式绕组，0.8适用于连续式绕组)。

由上述公式推导，可得中性点电位的暂态最大值一般为：

(3)

在单相接地故障发生后，不接地中性点电压将经过一个高频振荡过渡到稳态电压，即在故障点上将有一个从U0.g/t→0到U0.g/t→∞的过渡过程。

在线路发生单相接地故障的瞬间，故障处出现的零序暂态过电压将以行波形式沿线路向两端进行传播，形成系统暂态过电压并衰减到稳态水平。若为中间变电站，则零序暂态过电压行波到达变电站母线时不发生反射，其幅值仍为U0.g/t→0。但是，对于单线终端变电站，暂态过电压行波到达时没有继续传播的通道，就会出现波反射现象，反射波与后续行波叠加，母线零序过电压暂态幅值会达到2U0m.g/t→0，能够造成变压器中性点间隙击穿，之后暂态过电压行波在故障点与变电站之间发生多次反射，行波逐渐衰减而进入稳态值U0.g/t→∞。虽然暂态过程迅速衰减至稳态水平(从故障录波图上看，不到1/4个周波)，但由于棒间隙本身自熄弧能力差，稳态零序电压仍然能够使间隙继续保持击穿状态，直到零序电压消失。

2.2　中性点不接地方式下的单相接地故障

中性点不接地系统发生单相接地故障时，变压器中性点最大稳态电压值为Uφ，与避雷器的工频额定电压接近[3，4]，间隙动作与否则取决于其距离大小以及故障时的运行工况(包括天气、温度等因素)。

若间隙不能可靠动作，则变压器零序电压保护将会动作，断开变压器三相开关。

3事故分析

3.1　过程推断

(1)第一起事件过程推断

若由于雷电原因，导致间隙放电，中性点所安装的避雷器Y1W-146/320应有动作计数。事实上，当时没有雷电发生，避雷器也无动作计数。此时，可以肯定线路单相接地故障是导致间隙放电的直接原因，从而引起主变跳闸，理由是：

a.从#1主变故障录波图可知，间隙零序电流和零序电压的产生均由A相电压变化引起，且间隙零序CT的电流波形和变压器中性点零序CT的电流波形一致，可以断定主变跳闸和系统故障有关联。

b.在线路发生故障后504 ms，主变间隙零序保护过流动作，#1主变三侧开关跳开，变压器中性点的间隙有被击穿的放电灼烧痕迹，推测是由于#2276线路A相单相瞬时性接地短路时，暂态过电压导致间隙击穿，由于暂态过程持续时间约3 ms，间隙击穿后重合闸1 s之后才会动作，在220 kV #2276线路两侧A相断路器跳闸但未重合前，线路故障点已隔离，该线路处于非全相运行状态，此期间220 kV变电站A中220 kV系统存在零序电压及零序电流，即工频过电压的稳态分量依然存在，导致间隙在500 ms内不能灭弧，继而引发#1主变在504 ms后间隙零序过流动作(保护时间定值500 ms)。

(2)第二起事件过程推断

两次事件的主要区别为事件一中变电站A为单线运行，变电站B为双线运行。变电站B在#2275线路发生单相永久性接地故障后，单跳重合后发展为三跳，成为单线运行方式，与事件一中变电站A运行方式一致，#2275线路切除6 s后，当#2276线路发生故障后505 ms，主变间隙零序过流保护动作，#2主变三侧开关跳开，变压器中性点的间隙有被击穿的放电灼烧痕迹，应该与第一起事件的变压器间隙零序过流保护动作原因相同。

3.2　实际中性点电压计算

(1)变电站A中性点过电压计算[5，6]

变电站A母线处k值为1.29，理论计算按照母线处发生单相接地故障时，由公式(3)可得中性点的暂态电压最大值计算结果为：

110～132kV

由于变电站A为终端变电站，零序过电压暂态幅值会达到2U0m.g/t→0。因此变电站A的#1主变中性点零序过电压暂态幅值约为220～264 kV之间。

根据#1主变故障录波图，系统单相接地故障时，#1主变220 kV侧母线3U0(二次值)最大峰值为182.84 V。此时 220 kV母线上3U0(一次值)最大峰值为：

#1主变中性点处电压为U0(一次值)最大峰值为77.41 kV。同理，#1主变220 kV侧母线3U0(二次值)稳态值为75.98 V，则#1主变中性点处电压为U0(一次值)稳态值为32.17 kV。

(2) 变电站B中性点过电压计算

变电站B母线处k值为1.312，同理，当变电站B为终端变电站时，理论计算按照母线处发生单相接地故障时，变电站B的#2主变中性点零序过电压暂态幅值约为224～268 kV之间。

根据故障录波，#2主变中性点零序电压最大峰值为82.12 kV，稳态有效值为34.14 kV。

3.3　具体分析

变电站A和变电站B主变间隙设备型号均为BJX-110型，经过现场检测，间隙距离为290 mm，工频击穿电压为94 kV。

第一起事件接地故障发生时#1主变中性点零序电压最大峰值为77.41 kV，稳态有效值为32.17 kV，并未达到间隙工频击穿电压。第二起事件接地故障发生时#2主变中性点零序电压最大峰值为82.12 kV，稳态有效值为34.14 kV，都未达到间隙工频击穿电压。根据3.2节的计算结果可知，零序过电压暂态幅值约为224～268 kV之间，远远超过300 mm棒间隙50%操作冲击击穿电压179.7 kV。因此可以确定间隙是由于暂态过电压击穿。

通过两起事故的故障录波图计算分析可知，采样零序电压最大峰值比理论计算值差距很大，这是因为故障录波器采样频率为每周波24点，采样间隔0.833 ms，不接地中性点电压的高频振荡过程中产生的零序暂态过电压无法捕捉，因此，再此考虑理论计算值。

另外，变电站B在2014年9月6日，23时53分55秒，由于雷雨天气，220 kV #2276线路发生A相发生瞬时性接地故障，保护装置动作跳开两侧断路器，重合成功。与前面所述变电站B的第二起事件区别在于，此时变电站B为双线运行，单线发生接地故障时，变压器中性点间隙并没有击穿。

通过上述分析，认定两次间隙击穿事件的主要原因是单线带双变终端站，线路发生的单相接地故障暂态过电压经终端站反射叠加，在变压器高频振荡作用下传导到不接地变压器中性点上形成的过电压超过了间隙操作冲击击穿电压，最终导致间隙击穿。

4建议与措施

根据上述分析，以目前保护配置，双变终端站仅有单条进线，线路侧发生单相接地故障时，不接地主变中性点间隙击穿动作很难避免。根据国网公司变压器技术条件规定：220 kV三绕组变压器高压侧中性点短时工频电压耐受水平为200 kV，而220 kV变压器中性点间隙工频击穿电压约为90 kV，两者之间存在较大差距。因此，是否可考虑增大间隙距离或延长动作时间，以提高击穿电压或躲过重合闸时间，避免主变跳闸，以下对可行方案进行探讨。

4.1　增大间隙距离方案讨论

根据DL/T 620-1997，因接地故障形成局部不接地系统时间隙应动作，则间隙最大距离由不接地系统单相接地故障时主变压器中性点工频稳态电压升高值决定，即由系统正常运行相电压(220 kV系统的相电压为127 kV)决定。按间隙工频放电电压Ucp+3δ核算，220 kV中性点间隙最大距离不应大于295 mm。如果在295 mm基础上增大间隙距离，当系统发生单相故障局部失地时则不能保证放电间隙可靠动作，当线路保护拒动或中性点存在绝缘缺陷时，主变压器可能损坏。间隙增大会使动作电压提高，间隙击穿后很有可能产生高幅值有害截波。另外，即使最大限度增大间隙距离至330 mm，间隙放电概率减小，但仍不能完全解决间隙误动问题。因此，不宜增大主变压器中性点间隙距离。

4.2　延长间隙过流保护动作时间方案讨论

目前间隙过流保护整定时间是0.5 s，而220 kV线路重合闸时间是1 s。若延长间隙动作时限到1.2 s，躲开线路重合闸，则可避免主变压器误跳。

通过第一起事件故障录波可知，变电站A中#2主变接地运行的中性点零序电流峰值为1 428 A大于#1主变不接地中性点间隙零序电流(峰值1 152 A)，可见,无论变压器中性点是否接地运行均可以承受较大零序电流[7，8]。一般间隙击穿第一周波出现危险的零序电流，延长间隙保护动作时限只使主变压器承受稳态零序电流的时间稍有增加，对主变压器影响需要继续研究讨论。加之，线路单相接地故障90%以上为瞬时性故障，且有极高的重合成功率，在故障切除后再延长动作时限对变压器和间隙损害是最小的，因此，对延长保护动作时限应该加以限制，不能无条件的延长至1.2 s。

4.3　基于热效应法改进的间隙过流保护

为防止单相瞬时性接地故障时线路保护拒动无法切除故障，导致变压器中性点及间隙长时间的流过近kA的零序电流，此时要求间隙零序过流保护仍然要在0.5 s内切除故障，若线路保护正确动作，按照线路保护整定时限，100 ms内故障完全能够切除，因此，间隙零序保护的逻辑可以进行改进，普通间隙过流保护对间隙击穿后故障电流持续时间无灵敏性，本文针对此问题提出新方法，当间隙零序电流大于一定门槛值(可整定)，开始累计此电流的持续时间，并对电流开始进行积分，实时积分值为

式中：It为开始计时后的电流实时采用值。

如果在200 ms内ISUM大于ISET说明达到间隙热过负荷限制，保护动作，切除变压器，若电流积分值小于整定值的1/2，则清除保护启动信号，重新开始计时并对电流开始积分。若500 ms内没有出现ISUM大于ISET，则将间隙零序过流时限延长至1.2 s出口，这样可躲开线路重合闸，避免主变压器误跳。图7为改进间隙过流保护与普通间隙过流保护的保护启动信号比较图。

图7　改进保护与普通保护动作比较图

5结论

(1) 通过理论计算分析总结出，单线带双变终端变电站线路发生的单相接地时，故障暂态过电压会导致变压器中性点间隙击穿，应对电网中此类变电站进行专项分析和排查，对这类站点的进线长度、间隙距离、避雷器动作计数情况进行备案，加强线路的巡视尽量减少单相接地事故的发生，同时对这类事故作积累经验，进行必要的比较和分析。

(2) 从两起事件的原因分析和间隙距离整定要求可知，主变压器中性点间隙保护在一次方面存在局限性，可在二次方面采取措施，开发有闭锁条件的保护动作时限延长判据，判断出在线路故障切除后方可进行时限延长，躲开线路重合闸，可避免主变压器误跳。

(3) 对于单线双变终端站，一方面应合理控制和分配负荷，避免线路单相故障时一台主变跳闸，另一台主变出现过载情况，另一方面目前可使用4.2节所述的改进保护方式。最终，应加快建设另一条进线，从系统方式上杜绝此类跳闸故障的发生。

参考文献:

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[2]DL/T 620-1997, 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].

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[8]平绍勋，周玉芳. 电力系统中性点接地方式及运行分析[M].北京：中国电力出版社，2010.

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)