变压器中性点保护中避雷器和间隙伏秒特性的配合

刘军伟　曾晓毅　黄　燕

[摘要]在我国11 OkV的电力系统中，变压器的中性点是采用非直接接地的运行方式。变压器中性点保护采用的主要方式是将避雷器和保护间隙并联起来，间隙保护主要作用于工频过电压和操作过电压，而避雷器则主要动作于雷电过电压。工频过电压相对于雷电过电压的作用时间长而幅值较小，应用这一特点，提出了保护间隙和避雷器的伏秒特性的配合问题。

[关键词]避雷器保护间隙伏秒特性

1概述

35～60kV变压器的中性点不接地或经消弧线圈接地，在结构上是全绝缘的。变压器绕组的端部有避雷器加以保护，当三相来波的时候，中性点的电位由于全反射可能会升高到来波电压的两倍左右，这是十分危险的，但是根据实际运行经验，中性点可以不接保护装置而仍然能够安全运行，原因在于：

(1)流过端部的雷电流一般只在2kA以下，故其残压要比预定的5kA时的残压减小20％左右；

(2)大多数的来波是从较远处袭来，陡度较小；

(3)据统计，三相来波的概率很小，只有10％左右，平均15年才有一次。

因此《交流电气设备过电压保护和绝缘配合》(DL／T620—1997)规定，不接地、经消弧线圈接地和公共电阻系统中的变压器中性点，一般不配保护装置。

110～220kV系统属于有效接地系统，其中一部分中性点直接接地，同时为了限制单相接地电流和满足继电保护的需要，一部分变压器的中性点是不直接接地的。这种系统中的变压器分两种情况，其一是中性点全绝缘，此时中性点一般不会加保护措施；其二是中性点半绝缘(新制变压器均是如此)，具体地说，110kV的变压器中性点是35kV的绝缘水平，220kV的变压器中性点则是110kV级的绝缘水平。规程规定有效接地系统中的变压器中性点保护一般应采用间隙保护和避雷器保护相并联的保护方式。其接线方式如图l所示。

2中性点保护间隙与过电压保护

2.1单相接地过电压

有效接地系统的单相接地时，计算不接地变压器中性点电位时一般是以Xo／X1小于3为界，但是实际上不同地区的电网及变电所的Xo／X1的值相差很大。变压器的中性点处的过电压水平也自然不一样，所以在一般的文章中推荐按照1，15倍的过电压值和Xo／X1=3时取其中的最大值作为最高运行电压Umax，例如在1 10kV系统中最高运行线电压为126kV，中性点的过电压计算公式为：

Uo=Umax×K／(K+2)式中：K——Xo／X1的值；

Xo——零序阻抗；

X1——正序阻抗。

当K=3时Uo=0.6Umax，即单相接地故障时110kV主变压器中性点出现的最高电压稳态值为43.6。

如果系统单相接地时接地变压器侧断路器跳闸，不接地变压器侧断路器拒动，则系统形成局部不接地系统，此时的中性点过电压值更高，其值近似为相电压值，如在110kV变压器中表现的中性点电位的稳态值为73(此时继电保护应动作)。

2.2雷电过电压

在雷雨季节，直接击中变电站或沿线路传到发电厂、变电站的高幅值雷电波造成变压器中性点电位升高，出现较高的雷击过电压，危及电气设备的安全。变压器中性点上出现的最大雷击过电压主要取决于变压器入口处的避雷器残压和变压器的特性。一般雷击过电压计算如下：

Um=n／3(1+r)Us

式中：n——侵入雷电波相数；

r——变压器振荡衰减系数，纠结式绕组取0.5，连续式绕组取O.8；

U5——变压器入口处避雷器上的残压。

以上简单叙述了几种过电压的形式，对变压器绝缘和保护装置的作用，取决于过电压的波形、幅值和持续时间。标准雷电波形并不一定是由雷电引出，例如，当单相接地时，可在非接地相上产生接近于雷电过电压的短波前。

2.3放电间隙的保护作用

采用放电间隙保护的原理是在间隙回路中串入零序电流互感器，利用间隙的放电特性，使其在雷电过电压时放电以保护中性点绝缘。在系统发生故障后，变压器中性点工频电位升高至一定值，零序电流保护动作，切除该不接地变压器，以避免出现中性点接地带故障运行。中性点零序电流保护先以较短的时限切除低压侧的电厂联络线，再以略长的时限跳开变压器各侧的开关。

2.4避雷器的保护作用

无论作为无间隙的氧化锌避雷器还是有间隙的普通阀式避雷器，选择使用的一个共同原则是，使避雷器额定电压不低于避雷器安装点的暂时过电压。JB／T5894-91《交流无间隙金属氧化物避雷器使用导则》指出，中性点有效接地系统中分级绝缘的变压器，当其中性点未接地时，中性点避雷器的额定电压应不低于变压器的最高相电压(并具体提出中性点的标准冲击绝缘水平为1 85kV时，氧化锌避雷器的额定电压为60kV)。

3保护间隙与避雷器伏秒特性的配合

3.1保护装置伏秒特性配合的基本要求

(1)为了使电气设备得到可靠保护，保护装置应该满足以下基本要求：

保护装置的冲击放电电压Ub(i)应该低于被保护设备的冲击耐压值。以变压器为例，其冲击耐压值通常取其多次截波耐压值Uid，所以Ub(i)应满足下式要求：

Ub(i)

(2)放电间隙应该有平坦的伏秒特性曲线和尽可能高的灭弧能力。图2中曲线1为绝缘的伏秒特性，避雷器和保护间隙要能起到保护作用，其放电间隙的伏秒特性曲线2应始终低于曲线1，并留一定的间隔。显然，放电间隙的伏秒特性越平坦越好，如果伏秒特性很陡，如图3所示，则可能与绝缘的伏秒特性相交，以致在较短放电的时间范围内不能保护设备。同时由于放电的分散性，间隙和被保护设备的伏秒特性实际上处在一个带状的范围内，因此，要求保护设备伏秒特性的上包络线低于被保护设备伏秒特性的下包络线，如图4所示。

3.2保护间隙的放电特性及伏秒特性

均匀电场间隙在稳态电压下的击穿特性：严格说来，均匀场只有一种，即无限大平行板电极间的电场，这在工程中是无法实现的。工程上所使用的平行板电极一般都是采用了消除电极边缘效应的措施(比如将板电极的边缘弯曲成曲率半径比较大的圆弧形，像高压静电电压表的两个电极就是如此处理的)，这时两平行板电极间的距离相对于电极尺寸比较h，就可以将这两个电极间的电场视为均匀场。由于均匀场的两个平行板的形状完全相同，而且平行布置，因而气隙的放电不存在极性效应，而且也不存在电晕现象。一旦气隙放电就会引起整个气隙的击穿，所以其直流、工频交流和冲击放电电压作用下的击穿电压相同，放电的分散性也小，击穿电压与电压作用时间无关。稍不均匀场气隙的击穿特性与均匀场下的击穿特性基本相同。其伏秒特性见图5。

在极不均匀电场中，“棒一棒”间隙和“棒一

板”间隙具有典型意义。前者具有完全对称性，后者具有最大的不完全对称性，其他类型的极不均匀电场的气隙击穿特性介于两种典型气隙的击穿特性之间。由实验得出的结论是，不均匀场的放电具有明显的极性效应，而且随着气隙长度的增加，气隙的平均击穿场强明显降低，即存在“饱和”现象。其伏秒特性如图5所示。

由图5中可以看出在岛前的一段时间内均匀电场的击穿特性(也就是在冲击电压下的击穿特性)较陡峭，也就是说在t

其中t1为电压上升时间，to为统计时延，ta为放电发展时间，tb是以上三个参数的和，它是放电所需时间。tb在数值上小于to，所以说间隙在短时间内的放电特性是与放电发展时间有关的，要在这极短的时间内放电，间它的伏秒特性曲线如图7所示。

3.4保护间隙与避雷器的伏秒特性配合

(1)对放电间隙的要求：一是对工频来说，从系统运行的要求，当Xo／X1值小于3时，单相接地时放电间隙不应动作，放电电压应大于43.6kV(有效值，峰值电压为61.7kV)；当系统形成局部不接地系统，此时的中性点过电压值更高，其值近似为相电压值，如在110kV变压器中表现的中性点电位的稳态值为73kV，单相接地间隙应动作，启动继电保护切除故障，即放电间隙放电电压应小于73kV(有效值，峰值电压为103.2kV)；二是间隙在雷电过电压和系统单相接地瞬态过电压下均不应动作。隙的击穿电压是非常大的。

3.3避雷器的放电特性

在目前变压器中性点保护中，选用的主流避雷器的是金属氧化物避雷器MOA。MOA阀片具有优异的非线性伏安特性；它没有火花间隙，一旦作用电压开始升高，阀片立即开始吸收过电压的能量，抑制过电压的发展；没有间隙的放电时延，因而有良好的冲击响应特性。无续流、动作负载轻、能重复动作实施保护；只吸收过电压的能量，而不吸收续流能量，因而动作负载轻。目前110kV使用的避雷器参数(以抚顺海岳电气制造有限公司生产的避雷器为例)见表1。

(2)对避雷器的要求：一是避雷器在工频过电压和操作过电压下不应动作，但在雷电和系统单相接地瞬态过电压下应动作；二是避雷器的放电电压和残压应该小于153kV(变压器绝缘耐操作波强度75.5×√2×1.4=153kV)；三是避雷器工频放电电压和灭弧电压应大于73kV(间隙控制电压有效值，峰值为103.2kV)。

(3)放电间隙和避雷器的配合要求(当工频过电压和高频过电压相继出现时，避雷器先动作，然后间隙动作，以保证避雷器的正常工作，这样就没有避雷器爆炸的可能性了)：

一是避雷器的灭弧电压应高于间隙最高工频放电电压，这样避雷器在间隙的保护下不致灭不了弧而爆炸；二是避雷器的冲击放电电压低，保证在高频瞬态过电压下由避雷器动作，避免正常系统运行中发生单相接地故障时放电间隙动作，造成零序电流分量，使间隙零序电流误动作；三是间隙最高工频放电电压应比最低相电压低，从而保证能切除形成不接地系统单相接地等不对称故障；四是正常运行时电力系统Xo／x1值应小于3，当Xo／x1值大于3时，运行系统发生单相接地时，放电间隙应动作。

(4)具体的配合曲线如图8所示。

对曲线的解释如下：

图8中1为避雷器的伏秒特性；2为保护间隙伏秒特性(为了使保护间隙有更好的伏秒特性和较小的放电分散性，间隙保护采用平行板电极，它的伏秒特性在相当长的一段时间内是一条直线)。

由上面的分析知，避雷器的最低放电电压值应大干103.2kV，保护间隙的最低放电电压应大于61.7kV，最高放电电压应小于103.2kV。

t在小于to的时候是避雷器和间隙配合的关键，我们正是利用了间隙放电的放电时延(一般为几十毫秒)和金属氧化物避雷器无放电时延的特性解决了他们之间的配合问题。

4结束语

(1)气体的放电特性随着电场的均匀程度的改变而改变，均匀电场中气体的击穿电压稳定，总体的伏秒特性较平坦，但是在较短的时间内存在放电时延的问题。

(2)金属氧化物避雷器的MOA阀片具有优异的非线性伏安特性；它没有火花间隙，一旦作用电压开始升高，阀片立即开始吸收过电压的能量，抑制过电压的发展；没有间隙的放电时延，因而有良好的冲击响应特性。

(3)合理地应用保护间隙和避雷器的伏秒特性配合曲线，并在实验条件下加以校验，使他们能够在各自的规定条件下放电进而发挥各自的作用是很有现实意义的。