110kV主变中性点过电压保护配置的探讨

吴斌

摘 要：文章介绍了110kV主变压器中性点过电压的各种可能情况，对各类过电压保护方式作了分析和对比，介绍了110kV主变中性点过电压保护配置的相关原则。

关键词：中性点；过电压；放电间隙；绝缘水平

1 引言

110kV系统属于中性点有效接地的大接地电流系统。为防止通信干扰，满足继电保护配置要求，并考虑到单相短路时的短路电流以及零序电压水平，通常只让部分110kV变压器中性点直接接地，而多数110kV变压器的中性点并不直接接地运行。不接地变压器的中性点在运行过程中可能会受到雷电、操作、工频等各类过电压的影响。另外，110kV及以上变压器一般使用分级绝缘，中性点处的绝缘水平往往比较薄弱。因此在实际运行中，常常需要对不接地变压器的中性点进行过电压保护措施。本文分析了变压器中性点过电压现象及相关保护方式，讨论了主变中性点过电压保护相关配置原则。

2 中性点的过压情况分析

电力系统的过电压现象一般可分为三种情况：（1）雷电过电压；（2）操作过电压；（3）暂时过电压，即工频过电压或谐振过电压。

中性点不接地的变压器，在雷电波从线路到达变压器中不接的地中性点时，雷电波可能在中性点发生全反射，并产生幅值很高的雷电过电压，危及变压器中性点绝缘。标准的雷电波形并不一定都是由雷电发出，比如，单相接地时，可能在非接地相上产生出近似于雷电过电压的短波前。对中性点雷击过电压，可以采用避雷器保护，一般按照变压器的标准雷电波耐受水平，并考虑绝缘老化的累计效应乘以系数0.85，得到的实际绝缘耐受水平大于避雷器的标称雷电冲击放电电压或残压。

暂时过电压主要由单相接地故障和谐振等造成。在我国的标准中性点接地系统中，在不失去有效接地的情况下，一般单相接地故障的非故障相工频过电压不会超出线电压的80%。但在110kV终端站中，不接地变压器实际上形成了一个局部不接地系统，若单相间歇性电弧接地故障发生，按最高电压126kV计算，主变中性点稳态过电压能达到73kV，暂态电压则能达到132kV。

操作过电压一般是因为继电保护误动或运行人员误操作，使系统成为带单相接地的中性点不接地系统，造成变压器中性点的稳定电压升高至相电压。操作过电压主要发生在空载线路以及变压器的开断、重合等情况，包括当成功和非成功的重合前线路曾经发生单相接地时110kV线路的重合闸；开断空载变压器使断路器强制熄弧截流产生的过电压；隔离开关，尤其是操作GIS变电站空载母线时发生的重击穿时产生的过电压。以上情况都可能发生严重的过电压，尤其是在双侧电源环境的断路器非全相重合中性点不接地变压器中，严重时中性点稳态电压将达到126kV。

3 过压保护配置方式

3.1 单独采用间隙保护

棒-棒放电间隙属于极不均匀电场，从图1的下面的特性曲线中可以看出，放电间隙在雷电过电压、操作过电压及工频过电压情况下都能对变压器进行保护。另外，采用放电间隙保护的方法具有结构简单可靠、运行维护量小的优点。在110kV有效接地系统中可能形成局部不接地系统，且有可能产生较高的工频过电压，这时，应该在变压器不接地的中性点应装设间隙。

对变压器中性点的过电压情况单独采用棒间隙保护是允许的，也在一些实际方案中得到了采用。但是这种方法在绝缘配合以及躲避单相接地的暂态过电压问题时矛盾较为突出。而且放电间隙保护存在参数确定较为困难，放电分散性大，工频续流较大以及灭弧能力较差等缺点。对于放电电压分散性较大，放电后无法熄灭中性点持续工频电弧等情况，通常要在经过放电间隙的接地回路中连上零序电流保护，依靠断路器跳闸来灭弧，但这会造成跳闸停电的问题。放电间隙在持续时间很短的雷电过电压作用时，放电电压要比作用时间较长的工频放电电压要高的多，因此与变压器存在着伏秒特性配合较难的问题。由于放电间隙放电的弧电阻很小，其放电后形成截波的波尾极陡，对变压器的线圈纵绝缘有较大的威胁，所以在变压器中性点中一般不宜单独使用放电间隙。另外，不对称接地短路故障情况下，靠继电保护切除故障时，存在工频零序电流冲击主变，其间隙放电的截波对主变的纵绝缘也会产生影响。

3.2 单独采用避雷器保护

安装在主变中性点的避雷器，主要能保护雷电过电压和操作过电压，对部分工频过电压能也有一定的限制作用。避雷器具有优异的非线性伏安特性，陡波响应特性较好，残压随冲击电流波头的时变特性平稳，不存在间隙的击穿和灭弧问题，而且避雷器通流容量大、无续流、动作迅速、对主变冲击小。但避雷器不能防护工频过电压，在较高的工频过电压下，常常自身难保；对于持续时间较长，超过其额定电压的暂时过电压（如工频过电压和谐振过电压）也无能为力；另外避雷器保护需进行定期的预防性试验，造成维护工作量大。

避雷器保护使用的主要有无间隙的氧化锌避雷器和有间隙的普阀避雷器。氧化锌避雷器与普阀避雷器相比有更多多优点，更适合用于中性点非直接接地的主变中性点。不管使用哪一种避雷器都要求其额定电压不低于避雷器安装点的暂时过电压，而终端站110kV变压器中性点避雷器的额定电压则一般不应低于72.7kV。如果避雷器的额定电压过低，在线路单相接地，主变失去中性点的过电压出现后，阀式避雷器将无法灭弧而爆炸；氧化锌避雷器也会因为在一次过电压下吸收能量过多而劣化损坏。如果额定电压过高，相应的冲击放电电压和残压将会增大，会使保护设备的限压效果变坏。

3.3 采用避雷器并联间隙保护

由前面的分析可知，单独采用放电间隙或者单独采用避雷器来保护主变中性点绝缘是不可取的，应该充分利用各自的优势，扬长避短来进行保护。避雷器并联间隙保护是一种行之有效的方法。在该方法中，工频过电压和操作过电压由间隙承担，雷电过电压和暂态过电压由避雷器承担，采用间隙来限制避雷器上可能出现的幅值过高的工频过电压以及过高的残压。这种方式既能对变压器的中性点起到保护作用，又能使间隙和避雷器形成相互保护。但避雷器并联间隙保护方案在间隙与避雷器配合时，间隙的距离不大容易控制。距离既不能太小，以防在接地暂态过电压下，造成保护装置过多的动作；也不能太大，否则将起不到限制工频过电压及保护避雷器的效果。

避雷器并联间隙的选择一般要满足下面两式的要求：

避雷器并联间隙的选择方法如下：

首先，根据被保护变压器的中性点的耐受雷电电压水平Uln值，由式（1）选择出合适的避雷器，从而确定避雷器的峰值等效电压值Uk的大小。

然后根据式（1）选择适当距离的间隙，从而确定了间隙的负极性的50%雷电放电电压-U50%，然后检查Uln，<-U50%的条件是否被满足并具有一定的裕度。

4 结束语

本文简要介绍了110kV变压器中性点不接地时可能出现的过电压形式，分析了单用棒间隙保护和单用避雷器保护变压器中性点的优势和不足，讨论了避雷器并联间隙保护的配置方案及其实施方式。对局部不接地情况下110kV变压器及220kV变压器的中性点保护配置具有一定的参考价值。

参考文献

[1]张建学，孙红梅，王永新.110kV变压器中性点过电压保护的应用探讨[J].山西电力.2010（04）.

[2]许和明，吕泽承.110kV主变压器中性点过电压保护方式的探讨[J].广西电力.2005（02）.