110kV变压器中性点间隙保护的配置与整定

杨帛润 邵梦宇

（中国石油大庆炼化公司电仪运行中心电气三车间）

某炼化变110kV的1#、2#、4#主变压器为分级绝缘， 中性点采用接地刀闸并联避雷器的保护方式， 这种方式仅能对雷电冲击产生的高电压进行保护，对于电力系统中单相接地、非全相操作过电压等造成的中性点过电压起不到保护作用［1］。 当中性点电压升高至一定程度时，将严重威胁中性点绝缘的安全， 无法实现保护变压器的目的。

《国家电网公司十八项电网反事故措施》规定： 为防止有效接地系统中出现孤立不接地系统， 并产生较高工频过电压的异常工况，110～220kV不接地变压器中性点过电压保护应采用间隙保护方式。对于110kV变压器，当中性点绝缘的冲击耐受电压小于185kV时， 还应在间隙旁并联金属氧化物避雷器。

DL/T 620—1997 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定：应避免在110kV及220kV有效接地系统中偶然形成局部不接地，并产生较高的工频过电压。 对可能形成这种局部系统、低压侧有电源的110kV及220kV变压器不接地的中性点应装设间隙。

因此，为了保护变压器中性点绝缘不被过电压击穿，应选择合适的间隙保护并联避雷器的保护方式。

1 变压器中性点间隙保护的配置

变压器中性点间隙保护结构原理如图1所示，放电间隙、避雷器和接地隔离开关并联配置。接地隔离开关可根据电力调度要求投用或退出，投用表示变压器中性点采用直接接地方式，此时变压器中性点与大地接通， 放电间隙被旁路，构成了电力系统零序电流的流通回路，可根据变压器中性点处电流互感器配置零序过电流保护。 退出表示变压器中性点采用间隙接地方式，此时变压器中性点与大地之间不构成零序电流通路，在系统发生接地故障不失地时，零序电压或放电间隙电流达到整定值，间隙保护动作退出变压器运行。 当变压器遭受雷电高电压时，中性点避雷器可靠动作保护绝缘不受损坏。

图1 变压器中性点间隙保护结构原理

2 变压器中性点间隙保护整定原则

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，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，为保护变压器在正确的时刻退出运行，需要整定合适的零序过电压定值。

2.1 单相接地故障时中性点零序电压向量分析

某炼化110kV电力系统为中性点有效接地系统，正常运行时零序电压为A、B、C三相相电压向量和：

某炼化110kV变电所现有4台主变，运行规程要求选择其中1台主变中性点直接接地，其他3台主变中性点不接地。 只选择1台主变中性点接地而非所有变压器中性点均接地运行，是为了降低系统的零序阻抗，限制系统在发生单相接地故障时的短路电流， 小于三相短路故障时的短路电流，满足继电保护配合整定的要求。

当中性点接地运行的变压器因故障退出运行时，发生单相接地而破坏系统的对称性，接地相电压为0，非接地两相电压升至线电压，则零序电压为3倍相电压：

中性点不接地变压器的中性点电压为：

其中，U0为变压器中性点零序电压一次值；I0为变压器中性点零序电流一次值；X0、X1、X2分别为系统的零序、正序、负序阻抗；U1为系统额定相电压一次值。

可以看出，变压器中性点零序电压受系统零序阻抗与正序阻抗比值的影响，该比值不应大于3，在比值为3时中性点过电压最为严重，得到U0=0.6U1。

2.2 炼化变间隙保护定值整定

3 间隙保护距离的确定和避雷器的配合

3.1 放电间隙的最小工频击穿电压

当电力系统发生单相接地故障时，变压器中性点绝缘水平应能承受住单相接地产生的过电压，如果间隙距离过小被击穿，间隙过电流保护误动造成变压器跳闸。 中性点间隙的工频击穿最小电压有效值应满足：

其中，Ubg为放电间隙工频击穿电压有效值；K1为安全系数；K2为气象修正系数；σ为空气间隙工频击穿电压的分散系数。

根据式（3）求得110kV变压器中性点的零序电压为：

σ取0.025，K1取1.05，K2取1.05，U0取43.65kV，代入式（4）可得：

则计算的放电间隙工频击穿电压值最小为52.03kV， 依据图2棒-棒间隙的工频击穿电压曲线和平均击穿场强6kV/10mm的数据，得出间隙距离d应大于86mm。

图2 棒-棒间隙的工频击穿电压和间隙距离的关系

3.2 放电间隙的最大工频击穿电压

炼化变主变中性点绝缘水平为LI250AC95，表示全波冲击电压250kV，工频耐受电压95kV。放电间隙的最大工频击穿电压应小于变压器中性点工频耐受电压，即放电间隙工频击穿电压有效值应满足：

其中，Uog为变压器中性点工频耐受电压。

炼化变110kV变压器中性点间隙工频击穿电压有效值为：

根据计算结果80.16kV， 依据图2棒-棒空气间隙的工频击穿电压曲线和平均击穿场强6kV/10mm的数据，得出间隙距离d应小于134mm。

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：

其中，UbL为间隙的50%雷电波冲击击穿电压峰值；UoL为变压器中性点全波冲击电压。

将变压器中性点全波冲击电压250kV代入式（9）可得：

3.3 放电间隙与避雷器的配合

如图1所示， 变压器中性点放电间隙与避雷器并联，避雷器的型号Y1.5W-72/186，标示避雷器的额定电压为72kV，雷电冲击电流残压186kV。如果中性点出现超过72kV稳定的工频过电压，避雷器在该电压下长时间运行有可能烧毁。 因此，从保护避雷器的角度，要求间隙动作的最大工频击穿电压应小于避雷器额定电压。

3.4 放电间隙距离的计算

依据上述计算结果，放电间隙的工频击穿电压应该大于变压器中性点的零序电压52.03kV，小于避雷器额定电压72kV。 根据平均击穿场强6kV/10mm 的数据， 放电间隙距离应该在86～120mm，最终确定放电间隙距离为110mm。

3.5 放电间隙冲击放电电压的估算

变压器中性点间隙保护在50%雷电波冲击击穿电压下也可以起到保护作用，根据相关试验数据，棒-棒放电间隙50%雷电波冲击击穿电压与间隙距离有较好的线性关系，估算公式如下：

根据上述确定的放电间隙距离110mm，计算50%雷电波冲击击穿电压为96.5kV， 小于变压器中性点全波冲击电压210.94kV，在雷电类冲击过电压下，间隙保护也能对变压器中性点绝缘起到保护作用。

4 结束语

依据变压器中性点绝缘等级和避雷器的技术参数， 计算了间隙保护最大距离和最小距离，最终确定了炼化变110kV变压器中性点间隙距离为110mm，不仅满足了变压器中性点和避雷器的绝缘安全，也避免了保护装置可能会出现的“误动”和“拒动”问题。依据炼化变110kV电压等级PT的辅助绕组的变比，整定变压器后备保护装置间隙保护定值为：零序电压180V，间隙过流一次值100A， 保护时限0.5s跳变压器高压和低压两侧断路器。

本次改造安装的变压器中性点间隙保护成套设备，通过后台自动化系统的组态、控制柜测控装置的遥控，实现了中性点接地隔离开关远方控制功能。 当运行人员倒闸操作变压器接隔离开关时，不用到现场手动操作，在主控室后台自动化系统就可实现分合刀闸的远程操作，避免了人员触电的风险，提高了工作效率。