变压器中性点过电压一次保护与二次保护分析
2012-11-14曹树江赵春雷陈春鹰苏红梅
曹树江,赵春雷,陈春鹰,苏红梅
(1.河北省电力公司,石家庄 050021;2.河北省电力研究院,石家庄 050021)
近年来,由于线路单相接地、系统非全相运行等故障,引起中性点间隙异常击穿和短时过电压,导致变压器跳闸、停电的事件时有发生。为了防范该类故障,不仅应解决变压器中性点间隙异常击穿的问题,而且应从变压器中性点二次保护方面采取补救措施。
1 中性点过电压的保护措施
在110 kV、220 kV变电站中,为限制单相接地短路电流,满足零序电流保护整定配置的需要,部分变压器采用中性点不接地的运行方式。在该运行方式下,雷击、单相接地短路等故障可能会造成变压器中性点过电压,对中性点的绝缘造成威胁,需要对其引入保护设备,防止变压器绝缘故障的发生。
对变压器中性点的过电压保护,应根据具体情况选择合理的保护方式,而且应与二次保护设备相互配合。通常,中性点保护包括一次过电压保护和二次继电保护,其中,一次过电压保护分为避雷器保护、间隙保护、避雷器与间隙联合保护;二次继电保护分为母线3U0过电压、间隙零序过电流、直接接地零序过电流保护。变压器中性点直接接地运行时,零序电流保护起作用。变压器中性点不接地运行时,在大气过电压或系统接地故障瞬态过电压时,避雷器动作,棒间隙不应击穿;在系统故障引起工频过电压时,棒间隙放电,同时间隙零序电流保护动作切除变压器,间隙过电压保护作为后备保护。
2 中性点工频过电压的计算分析[1]
2.1 单相接地故障
根据节点电压法和电力系统故障分析的等值序网络理论,单相接地故障时,非接地运行变压器中性点对地电压即为所在母线的零序电压,而且故障点处的零序电压最高。因此,在变电站母线处接地故障时,变压器中性点工频过电压UG最高,其值为:
(1)
2.2 系统非全相运行
断路器非全相分合闸,造成中性点过电压,当系统一相开关合上或处于分位的断路器一相断口击穿时,变压器中性点工频过电压UG的数值近似为相电压:
UG≈Ue
(2)
系统单相运行相当于变压器电感与线路线间电容并联后再与线地间零序电容构成回路,如果参数匹配就会产生铁磁谐振,在中性点上产生较高过电压。如果是双电源而且2个电源的电压反相,则中性点的电压为2倍相电压,此为小概率事件。几种情况下变压器中性点工频过电压值,见表1。
表1 变压器中性点工频过电压 kV
主变压器电压等级中性点工频过电压值有效接地系统单相接地故障局部不接地系统单相接地单电源非全相双电源非全相11040737314622080146146292
3 中性点间隙异常击穿典型实例分析
由于存在变压器中性点间隙一次保护与避雷器动作特性配合困难等技术局限性,以及电网负荷固有反馈效应的影响,在一次系统故障时,变压器中性点间隙异常击穿、短时工频过电压的情况偶有发生。第1种情况是接地故障中220 kV或者110 kV变压器中性点间隙异常击穿;第2种情况是110 kV系统发生接地故障,系统侧跳开后,负荷侧反馈效应形成110 kV变压器中性点短时工频过电压。这2种情况将分别造成中性点不接地运行变压器的间隙过电流、过电压保护动作,变压器不必要跳闸,甚至负荷损失,可能使系统零序后备误动作。
2002年5月11日,某电厂带电误挂地线,造成110 kV 1号母线故障跳闸,同时,3座变电站6台110 kV变压器中性点间隙误击穿,1条线路零序保护误动作。利用式(1)进行计算,可得故障时110 kV母线接地系数k=X0/X1=3.52,变压器110 kV中性点工频过电压为40.5 kV,小于变压器中性点间隙115 mm的工频击穿电压52~53 kV。2009年8月27日,某220 kV变电站双回线相继故障,3号变压器高压侧中性点间隙误击穿,间隙过流保护动作,跳开变压器三侧断路器。利用式(1)进行计算,可得故障时220 kV母线接地系数k=X0/X1=1.87,变压器220 kV中性点工频过电压为64.2 kV,小于变压器中性点间隙300 mm的工频击穿电压117.1 kV。以上2起变压器中性点间隙误击穿事件中,中性点工频电压均未达到间隙的工频电压击穿数值,均属第1种异常击穿情况。
电厂故障中,其中一座变电站变压器中性点间隙的负极性50%雷电放电电压U50%为108 kV、避雷器的U50%为128 kV,在估算出的122 kV暂态电压作用下,避雷器不动作而间隙击穿放电,因此可确定所选避雷器的U50%=128 kV,电压过高与间隙参数不匹配;另一座变电站变压器中性点间隙的U50%为97 kV,避雷器的U1 mA不小于103 kV,在122 kV电压作用下,变压器中性点间隙先击穿放电而避雷器由于U1 mA过高不动作;还有一座变电站变压器中性点间隙整定距离过小。几种情况均属于暂态电压波造成的间隙误击穿。
变电站故障中,存在线路遭遇雷电波沿导线侵入变电站,变压器绕组在冲击电压作用下产生过电压(主要是由绕组内部的自由振荡过程和绕组之间的静电或电磁感应过程所引起),导致3号变压器高压侧中性点电压超过避雷器放电电压,在避雷器动作过程中,避雷器两端残压超过间隙击穿电压。
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线路接地故障或者雷击线路造成变电站变压器中性点间隙误击穿的情况在其它电网也有发生。末端变电站发生间隙误击穿的概率相对较大,与雷电波和暂态电压波不能被分流、反射波幅值较大有关。
4 中性点间隙继电保护动作时限调整策略
从电网运行实践看,系统发生接地故障时,变压器中性点间隙异常击穿,以及负荷侧反馈造成的变压器中性点短时工频过电压无法彻底避免。在保证变压器中性点工频过电压绝缘安全和过电流热稳定安全的前提下,有必要在二次保护方面采取补救措施,适当延长间隙过电流保护动作时限,解决变压器不必要跳闸的问题。间隙过电压保护通过母线零序电压间接反映不接地变压器中性点的工频稳态电压,不受中性点暂态过电压和间隙误击穿的影响,动作时限不需要进行调整。
4.1 现行中性点间隙继电保护整定原则
中性点间隙保护的动作时限不需要与系统其它保护配合。过电压保护的时限是为了躲过接地故障暂态过程的影响,间隙过电流保护动作后,则希望尽快地将间隙击穿的变压器从系统中切除。
中性点不直接接地的220 kV变压器,将其中性点间隙零序电流保护的启动电流整定为间隙击穿时有足够的灵敏度,一次电流一般取100~120 A,保护动作后延时0.3~0.5 s跳开变压器各侧断路器;中性点经放电间隙接地的220 kV变压器的零序电压保护,其3U0定值(3U0额定值为300 V )一般整定为180 V,0.5 s。
变压器110 kV中性点间隙零序电流保护的一次电流定值一般整定为40~100 A,保护动作后延时0.5 s跳开变压器各侧断路器;零序电压保护,其3U0定值(3U0额定值为300 V )一般整定为150~180 V,保护动作后延时0.3~ 0.5 s跳开变压器各侧断路器。低压侧有小电源并网的变电站,0.2 s跳开并网电源线路,0.5 s跳开变压器。
国家电网公司企业标准Q/GDW 175-2008《变压器、高压并联电抗器和母线保护及辅助装置标准化设计规范》中220 kV变压器零序电压保护的零序电压定值3U0定值固定为180 V,时间固定为0.5 s,间隙电流保护的电流定值固定为一次电流100 A。
4.2 220 kV变压器间隙继电保护动作时限
将变压器220 kV、110 kV侧中性点间隙过电流保护时限延长至1.5 s,考虑到220 kV线路单相故障两侧断路器单相跳开、非全相运行期间,负荷性的零序电流可能继续维持变压器中性点间隙击穿状态,该时限应躲过220 kV线路单相重合闸时间(0.8 s)。间隙过压保护仍然取0.5 s。
4.3 110 kV变压器间隙继电保护动作时限
a. 中低压侧没有电源上网的系统。间隙零序电流保护动作时间整定为1.5 s,具体动作时间可按照该变电站110 kV线路上一级接地故障保护二段(末端有灵敏度段)保护动作时间,并留有一定裕度进行整定;间隙过压保护动作后延时1.5 s,该时限考虑了负荷反馈效应衰减、短时过压返回的可能性。相应供电线路保护重合闸时间应大于该动作时限,可取2.0 s。
b. 中压或低压侧有电源上网的系统。间隙零序电流保护延时0.2 s跳开中低压并网电源线,延时1.5 s跳开变压器各侧断路器;零序过压保护0.2 s跳并网电源线路,1.5 s跳开变压器各侧断路器。
4.4 调整变压器间隙保护时限的范围
由于变压器中性点间隙异常击穿和短时工频过电压情况不具有普遍性,延长间隙保护动作时限的措施考虑在发生过间隙异常击穿或发生过短时过电压的变压器,以及经过分析存在误间隙击穿风险的变压器上实施。如,220 kV母线接地系数大于2.0,可能形成末端的220 kV变电站;110 kV接地系数大于2.5的110 kV变电站。如果考虑不稳定击穿的情况,由于间隙零序过电流和间隙零序过电压将交替出现,则间隙保护需要采用间隙零序过电流与间隙零序过电压元件动作后相互保持的方式,间隙过电压保护则需要按照间隙过电流的时限整定。
4.5 延长间隙零序电流保护动作时限的影响
a. 对变压器热稳定的影响。对于220 kV变压器,间隙过电流保护的动作时限由0.5 s延长至1.5 s,如果间隙在单相接地瞬间击穿,由于线路全线速动保护动作,故障切除前,在稳态电压下将维持较大工频续流约3个周波左右,故障切除后,变压器的零序电流与负荷电流相当。延长间隙保护动作时限,将增加变压器承受线路重合闸周期内(0.8 s)负荷性零序电流和重合到永久故障的短时(3个周波左右)故障零序电流的冲击。变压器对称短路时的热稳定时间指标为2 s,因此间隙过流保护动作时限为1.5 s时,短时零序电流对变压器热稳定的影响没有超限。
b. 对变压器中性点间隙重复击穿的影响。中性点间隙击穿后,可能由于非全相运行期间负荷性的零序电流不能维持间隙电流而熄弧,也可能重复击穿。但重复击穿一般发生在中性点工频过电压作用下,单相接地故障切除后非全相运行时中性点工频仅为1/3相电压,并且间隙保护动作时间延长有限,不太可能显著增大间隙重复击穿的发生概率。
c. 对变压器中性点绝缘的影响。即使考虑上述间隙不稳定击穿的情况,间隙过压保护如上所述按照间隙过电流的时限整定,结果是中性点稳态过电压而间隙又不击穿时,变压器中性点承受过电压的时间由原来的0.5 s延长至1.5 s,而变压器及中性点工频耐受电压时间指标为1 min,延时增加1 s对绝缘的影响可以忽略。
5 结论
a. 河北省南部电网变压器中性点运行方式选择合理,接地系数满足大电流接地系统的规定,工频稳态过电压水平没有超过现有变压器间隙的承受能力。
b. 间隙误击穿是由于暂态电压波或者雷电波的作用下间隙与避雷器动作特性配合困难所致。
c. 由于变压器中性点一次保护方面存在局限性,以及负荷反馈形成变压器中性点短时过电压的存在,可以通过延长间隙过电流保护动作的动作时限,解决变压器不必要跳闸的问题。
参考文献:
[1] 秦家远,阮江军. 变压器中性点过电压保护综述[J],华中电力,2006,19(1):17-20.