试论变压器中性点保护与零序保护的优化方案

刘 勇 张海亮 巩鲁洪 蒋 磊

（郑州祥和集团电力安装有限公司，河南 郑州 450053）

1 变压器零序保护原设计存在的问题

两座变电站每站均设有2台双卷主变，110KV侧为单母线分段接线方式，其中两个站4台主变110KV侧中性点未装设保护间隙，零序保护仅设置零序电流电压保护，以互跳方式短时限跳分段开关及中性点不接地变两侧开关，以较长时限跳中性点接地变两侧开关。另有两个站主变110KV侧中性点虽然装设了保护间隙，在配置零序电流电压互跳保护的同时，也配置了零序过压和间隙过流保护，但此套保护与互跳保护回路共用一个跳闸时间继电器及跳闸回路，并通过切换压板选择其中一套，通常将零序过压和间隙过流保护退出备用，实属虚设。

图2

零序保护存在明显的缺点：（1）；有选择性切除故障的概率只有50%。如图1 所示，2台主变并列运行，仅1#变中性点接地。当接地故障发生在K1点时，1#主变零序电流电压保护动作第一时限跳开分段开关及2#主变后，K1 故障点依然存在，该保护再以第二时限跳本变压器，扩大停电范围。（2）零序电流电压保护时限整定必须和主变其它保护配合，对保护整定配合不利。（3）采用这种接线方式，回路相互交错，比较复杂，互跳试验必须在2台变压器同时停运时才能运行。

2 变压器110KV中性点加装保护间隙

在中性点有效接地系统中，为了限制单相接地短路电流，同时保证系统中零序电流的大小和分布情况尽量不受运行方式变化的影响，以利于保护整定配置等要求，在变电站中仅使并列运行变压器的部分中性点接地运行。上述主变110KV侧中性点均为分级绝缘，故选用氧化锌避雷器作为冲击过电压保护，同时应加装并联棒间隙，在变压器变成带单相接地的中性点不接地系统（中性点接地的变压器已全部断开之后）和开关非全相运行时，变压器中性点将产生工频过电压的保护。为此，棒间隙的冲击放电电压应高于避雷器的冲击放电电压，棒间隙的工频放电电压应低于避雷器的工频放电电压，而且棒间隙在单相接地短路暂态过电压下不应动作，以免影响继电保护正确动作，棒间隙值取110mm。110KV变压器中性点为全绝缘时，一般可以不专设避雷器保护，但宜采用棒间隙保护，间隙值取115mm。棒间隙的材料宜采用镀锌圆钢，直径ф12～ф14mm，端部为半球形，球面应刨光镀锌。棒尾部留有15～20mm 螺纹，并应由锁定抵丝，以便调节和固定间隙值。棒间隙安装应与周围的接地体距离电力安装规范要求。

3 变压器零序保护的优化配置

3.1 变压器零序保护配置

为了克服零序互跳的上述缺点，在保留零序电流保护的基础上，我们将零序互跳保护改为间隙保护。间隙保护采用的方法是在变压器中性点加装间隙电流互感器形成间隙过流保护，并与母线VT开口三角零序过电压保护共同组成，并带有0.5秒的时限。

如图1 所示，2台主变110KV侧并列运行，为限制短路电流，10KV侧100母联开关断开，1#主变中性点接地。当K2点接地故障时，1#主变中性点零序电流保护第一时限跳110母分开关，I段母线与故障点隔离，1#主变恢复正常运行。110母分开关跳闸后，K2 故障点仍存在，由2#主变中性点间隙过流保护或零序过电压保护动作跳本变压器，实现故障隔离。同样，当K1点接地故障时，1#主变中性点零序电流保护第一时限跳开110母联开关，2#主变与故障点隔离，可以继续运行。但K1故障点仍存在，1#主变零序电流保护第二时限继续跳开本变压器，消除故障。当故障主变被切除后，其原带的一段母线的负荷，通过10KV母分备自投，由另一台主变提供电源。可见，采用间隙保护明显的优点是：（1）作为变压器本体的设备保护，无需和其他保护配合，整定简单。（2）动作过程具有选择性，只隔离故障部分，不会扩大停电范围。

对于内桥接线的变电站，如图2所示，在正常运行方式下，若110桥开关作为111和112线路的联络元件，则零序电流保护与间隙保护的动作配合情况与单母线分段接线变电站情况类似。如果110 桥开关不作为111和112线路的联络元件，在1条线路带2台主变运行方式下，2台主变只要有1台中性点接地即可，则应当选择靠110KV供电线路侧的变压器中性点接地运行，否则将无法保证零序电流保护短时限动作首先切除的是中性点不接地的变压器。

3.2 对间隙保护动作情况的分析

配置间隙保护的目的，是为了防止非有效接地系统中零序电压升高对变压器绝缘造成的危害。在正常运行方式时，放电间隙无电流流过，所以间隙过流保护动作电流允许整定得灵敏些，取整定值≤100A（一次电流）。

当系统失去接地中性点而发生单相接地故障时，VT开口三角绕组的电压最大值，理论上为 3Uo＝3×100＝300V，而实际上由于电压互感器在系统电压升高时铁芯将会饱和，故电压不能完全按变比转变至二次侧，经验电压约为220～230V。取零序过电压保护整定值为180V，当母线发生接地故障时，其保护灵敏度为K1m＝220／180＝1.22。为了防止区外故障保护误动，电压定值不宜低于180V，也不宜比180V更高，否则难以保证有足够灵敏度。

放电间隙击穿后，可降低变压器中性点的过电压值，由于放电间隙较粗糙，放电时容易烧坏，并且受大气条件、放电次数等因素的影响，间隙放电电压存在一定的分散性和偶然性，尤其是当间歇性击穿时，放电电流无法持续，间隙过流保护可能失去作用。放电间隙也不允许长时间通过电流。因此，从保护变压器中性点绝缘而言，零序过电压保护比间隙过流保护更重要，通常两者一起共同构成变压器中性点绝缘保护。

从接地故障复合序网可知，单相接地故障时，故障点稳态零序电压为Uo＝（Zo／Z1）／（Zo／Z1＋2）Uo1（Uo1为系统最大运行相电压）。在110KV系统中，只要保证电源端变压器中性点有效接地，那么在各种条件下，零序阻抗Zo 与正序阻抗Z1 之比一定小于3。在Zo／Z1＝3的极限情况下：

Uo＝0.6 Uo1＝0.6×1.15×110／√3＝43.8（KV）

因此，在110KV有效接地系统中，主变高压侧单相接地时，不接地变压器中性点最大对地偏移电压不超过43.8KV。对于分级绝缘变压器，如中性点为35KV级绝缘水平，其1min 工频耐压为85KV，若取老化积累系数为0.9，则绝缘的工频耐受保证强度为76.5KV有效值，高于中性点可能出现的最大偏移电压，对于变压器是安全的。此时间隙保护不会动作，也不该动作，故障点的切除显然仍由主变差动保护、母差保护或线路保护等来实现。只有在电源端变压器接地中性点全部丧失的情况下，上述反映短路电流的保护均无法动作，本终端变压器中性点接地的变压器零序电流保护动作，第一时限跳开母分开关，然后再根据故障点所处位置，决定由间隙保护动作跳中性点不接地主变，或由零序电流保护第二时限跳中性点接地主变，实现故障隔离。

[1] 陈伟林.110KV变压器的安装技术分析[J].中国新技术新产品，2012-01-25.

[2] 张建学，孙红梅，等.110kV变压器中性点过电压保护的应用探讨[J].山西电力，2010-08-15.