220kV变压器中性点间隙过电压保护与中性点间隙距离的配合分析

翟保豫 马 涛 李开鑫

（国网新疆电力公司电力科学研究院、乌鲁木齐 830000）

电力系统中的中性点不接地运行的变压器因为系统接地故障、雷击、非全相、操作等原因造成中性点电压升高。当电压升高至一定值时将危及中性点绝缘安全，需要装设变压器中性点间隙等保护，在中性点的电压升高到一定值时，间隙击穿，从而将变压器中性点的电压限制在不损坏中性点绝缘的值以内，以至于满足保护变压器的目的。又因为间隙的击穿电压与间隙距离有关，因此变压器中性点间隙距离整定的正确与否关系到变压器中性点绝缘安全，需要整定一个合适的间隙距离。同时，在中性点电压到达一个足够高的电压值时，间隙没有被击穿，为保护变压器则需要通过继电保护装置的间隙过电压保护动作，将变压器退出运行，因此继电保护过电压保护定值的正确与否对变压器的中性点绝缘安全也有重要关系。为达到保护变压器的目的，选择合适的间隙距离、间隙过电压保护定值及实现两者的协调配合是非常必要的。

1 中性点零序电压相量分析

在220kV中性点接地系统中，正常运行情况，电压向量图如图1所示。

零序电压3U0为

式中，UA为系统A相相电压；UB为系统B相相电压；UC为系统C相相电压。

图1 正常运行时电压相量图

为了限制在系统发生单相接地故障时的短路电流不大于三相短路故障时的短路电流值及继电保护的整定配合等要求，通常会根据系统零序阻抗和正序阻抗的比值，合理安排系统中变压器接地运行方式，即所有变压器中性点不会同时接地，当同一变电站有多台变压器正常运行时，安排其中一台变压器中性点接地运行，其他的变压器中性点不接地运行。当中性点接地运行的变压器因故障退出运行时，电力系统可能会发生失去中性点并且发生单相接地的故障情况，则中性点发生偏移，极端情况下，中性点电压偏移至接地相电压，即理论中性点最高电压3U0升至3倍相电压。假设A相发生接地故障，B相、C相电压升至线电压，则电压相量图如图 2所示。

图2 单相故障时电压相量图

零序电压3U0如式（2）所示。

式中，U为系统正常运行时的相电压；UBA为A相接地时的BA相线电压；UCA为A相接地时的 CA相线电压。

在系统发生单相接地这种不对称故障后，系统的对称性受到破坏而成为不对称系统，采用对称分量法分析计算系统单相接地，则中性点不接地变压器的中性点电压为

式中，I0为变压器中性点零序电流；U10为变压器中性点零序电压一次值；X1为系统正序阻抗；X2为系统负序阻抗；X0为系统零序阻抗；U1为系统额定相电压一次值。

2 继电保护间隙保护定值整定原则

当变压器所接的电力网失去接地中性点，又发生单相接地故障时，根据GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》规定：零序电流保护或零序过电压保护即零序间隙保护应动作，经0.5s的延迟保护出口跳开变压器各侧断路器，为保护变压器正确的时刻退出运行，需要整定合适的零序过电压定值。

220kV系统中性点应采用有效接地方式，在各种条件下系统的零序阻抗与正序阻抗比值K应为正值且不应大于 3。因此，在有效接地系统中，K值一般小于3，当K=3时，变压器中性点过电压最为严重，因此继电保护按K=3时整定零序间隙电压定值，将K=3时，代入式（3），得U10=0.6U1。

2.1 外接零序电压间隙保护间隙电压定值

2.2 自产零序电压隙保护间隙电压定值

式中，K1为系统最高运行电压倍数，K2为可靠系数，U2为PT星型绕组二次额定电压。

为防止因 PT断线误动，K1取为 1.1倍，K2取1.05，U2为57.74V，将数据代入式（4）中，则3U20为 120.04V，继电保护自产零序电压间隙电压定值为120V。

对于常规数字化保护装置采用外接零序电压，间隙过电压定值整定为180V，间隙过流一次值整定为100A；智能站保护装置采用自产零序电压，过电压定值整定为 120V，间隙过流一次值为 100A。两种类型保护装置高压侧1个时限，跳变压器各侧断路器，中压侧2个延时，先跳小电源（减少停电范围），再跳变压器各侧断路器。

3 变压器中性点间隙距离的选择

当系统以有效接地的方式运行且发生单相接地故障时，变压器中性点绝缘水平应可以耐受系统发生单相接地产生的过电压，中性点间隙不应被击穿，并且不应跳开中性点不接地的变压器。中性点棒间隙的工频击穿电压有效值应满足式（5）要求：

式中，Ubg为棒-棒空气（标准气象条件下）间隙的工频击穿电压有效值；σ 为空气间隙工频击穿电压的分散系数；K3为安全系数；K4为气象修正系数；U0为中性点电压一次有效值。

系统标称电压为220kV电压等级设备最高运行电压取252kV，代入式（3）得

将σ 一般取0.03，K3取值1.05倍，K4取1.05，U0为87.3kV，将数据代入式（5）得

则计算的最小工频击穿电压 Ubg有效值为105.8kV，根据图3，查棒-棒空气间隙的工频击穿电压曲线的间隙距离d应大于260mm。

图3 棒-棒间隙的工频放电电压和间隙距离的关系

在系统失去部分接地中性点且发生单相接地故障的情况下，如图2所示，极端情况下，不接地运行的变压器中性点上将承受系统的相电压，为限制变压器中性点电压，需要确保变压器中性点间隙的工频击穿电压小于规程要求的变压器中性点短时工频耐受电压值，间隙工频击穿电压有效值应满足式（8）要求：

式中，Uog为变压器中性点短时工频耐受电压有效值（kV）。

220kV电压等级的变压器中性点短时工频耐受电压有效值为200kV[8]，则根据式（8）得

根据计算结果为 166.4kV，根据图 3，查棒-棒空气间隙的工频击穿电压曲线的间隙距离d应小于380mm。

当雷电波侵入变压器时，在变压器中性点将产生一个雷电过电压，过电压峰值可能会超过变压器耐受电压峰值，为了保护变压器，间隙的冲击击穿电压应低于变压器中性点的冲击绝缘水平，间隙冲击击穿电压值应满足式（9）要求：

式中，UbL为棒-棒间隙的 50%雷电波冲击击穿电压峰值，UoL为变压器中性点的雷电全波和截波耐受电压。

220kV电压等级的变压器中性点雷电冲击耐受电压（峰值）为400kV[8]，则根据式（9）得

根据式（5）得到间隙距离 d应大于 260mm，根据式（8）得到的间隙距离 d应小于 380mm，则确定间隙距离取320mm，根据图4所示，50%冲击击穿电压曲线查得 320mm间隙的负极性 50%冲击击穿电压UbL约为275kV，小于式（7）计算得出的332kV变压器中性点的雷电全波和截波耐受电压，表明中性点间隙取 320mm可以满足变压器中性点绝缘安全，保护间隙不会出现“误动”和“拒动”问题。

4 结论

对于实际运行的变压器，变压器间隙保护电压定值应根据系统零序阻抗X0与X1的比值K进行整定，并根据年度运行方式对变压器间隙保护电压定值进行校核，避免或减少在系统发生单相接地时变压器中性点间隙保护误动作和中性点间隙频繁击穿。对新安装变压器考虑海拔高度和空气湿度的影响，两根棒间隙安装位置水平且在一条轴线上，应对中性点间隙距离进行试验，验证间隙距离整定的正确性及间隙距离安装的工艺水平，以满足安全稳定运行要求。

图4 棒-棒间隙的冲击（1.5/40μs）50%放电电压和间隙距离的关系

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