110kV电力系统中变压器中性点接地方式分析

徐粤赣

摘 要：在我国，110 kV和电压等级更高的电网普遍采用中性点有效接地方式，当单相接地故障事故发生时，继电保护迅速跳闸解除故障。介绍了110 kV变压器中性点接地方式及其保护配置，并结合实例分析了保护配置的必要性。

关键词：变压器中性点；避雷器；零序保护；单相接地电流

中图分类号：TM862 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.05.145

随着我国经济的不断增长，电力系统的建设越来越快，在110 kV和更高电压等级的电网系统中，变压器是生产电力的主要设备，具有中性点的绝缘水平比三相端部出线电压等级低的特点。但在一些变压器中性点接地的电力系统中，接地短路故障时有发生，严重影响了变压器的中性点绝缘。因此，如何对大型变压器实施中性点保护已成为人们需要解决的问题。

1 变压器中性点接地方式

1.1 变压器中性点接地系统的优缺点

对于电源中性点接地系统，如果发生某单相接地，另两相电压不变，这样会使整个系统的绝缘水平降低，此外，单相接地还会产生较大的短路电流，使保护装置迅速准确动作，从而提高保护的可靠性；电源中性点接地系统的缺点是单相短路电流很大，且还能造成系统不稳定和干扰通讯线路等，因此，要选择容量较大的开关和电气设备等。

1.2 变压器中性点不接地系统的优缺点

对于变压器中性点不接地系统，由于限制了单相接地电流，所以，通讯的干扰较小，提高了供电的可靠性；变压器中性点不接地系统的缺点是，当一相接地时，另两相对地电压升高1倍，易使绝缘薄弱地方击穿，进而造成两相接地短路。

1.3 我国110 kV变压器中性点接地的方式

为了限制单相接地短路电流，满足防止通讯干扰和继电保护的整定配置等要求，我国110 kV系统普遍采用1台变压器中性点直接接地，其余变压器的中性点以不接地的运行方式，即整体采用部分变压器中性点接地方式。

2 变压器中性点过电压及其保护

2.1 变压器中性点过电压

2.1.1 工频过电压

在操作系统或发生接地故障时，频率等于工频或接近工频的高于系统最高工作电压的过电压。

2.1.2 谐振过电压

在电力系统中，一些电感、电容元件在进行操作或发生故障时，会形成各种振荡回路，加之在一定的能源作用下，会产生串联谐振现象，导致系统某些元件出现严重的过电压。

2.1.3 操作过电压

产生操作过电压的原因是电力系统中的多数设备都是储能元件，在断路器或隔离开关开断的过程中，储存在电感中的磁能和储存在电容中的静电场能量发生了转换、过渡的振荡过程，进而因振荡而引起过电压。操作过电压的特点是持续时间通常比雷电过电压长，但比暂态过电压短，一般在数百微秒到100 ms之间。

2.2 变压器中性点保护的方式

变压器中性点保护可采用间隙、避雷器和避雷器并联间隙三种方式。采用避雷器并联间隙的方式较为常见。避雷器并联间隙的保护分工为：工频、谐振和操作过电压由间隙承担，雷电过电压由避雷器承担，并用间隙限制避雷器上可能出现的过高幅值的工频过电压和过高的残压，避免发生危险。这种方式既可对变压器中性点进行保护，又能起到互为保护的作用。

2.3 变压器中性点继电保护的配置

2.3.1 不接地零序

为了限制分级绝缘变压器中性点不接地运行时可能出现的中性点过电压，应在变压器中性点装设用于中性点直接接地和经放电间隙接地的2套零序过电流保护。此外，还应增设零序过电压保护，用于经间隙接地的变压器，并装设反应间隙放电的零序电流保护和零序过电压保护。

2.3.2 接地零序

在中性点直接接地的电网中，如果变压器中性点直接接地运行，会引起变压器过电流。因此，应装设零序过电流保护，保护可由2段组成，其动作电流与相关线路零序过电流保护相配合。每段保护可设2个时限，并以较短时限动作于缩小故障的影响范围，或动作于本侧断路器；以较长时限动作于断开变压器各侧的断路器。具体保护过程如图1所示。

3 案例分析

3.1 系统的运行方式

该油田地区110 kV系统接线以放射状为主，以220 kV变电站为电源点，通过110 kV线路向各终端变电站辐射，低压侧无电源。该变电站的上级220 kV变电站为直接接地系统，且要求下级系统为不接地系统运行。该变电站采用避雷器并联放电间隙保护。

110 kV变电站的电源由上级220 kV变电站通过151线路提供，且与另外一座110 kV变电站有一联络线152，采用开环运行。站内2台主变并列运行。

主变110 kV侧间隙零序定值为间隙CT300/51.2 A/0.5 s跳主变三侧开关。

3.2 保护动作

根据上级220 kV变电站录波记录显示，151线路接地距离动作开关0 s跳闸，1.2 s重合闸成功，故障录波测距22.022 km，故障相为C相。

经现场勘查后发现，造成线路发生单相接地故障的原因是大型水鸟展翅使线路与横担间短路，为瞬时单相接地故障。

151线路出口跳闸后，线路故障应自动解除，1.2 s后重合闸，即可恢复正常供电。但因某种原因，151线路出口跳闸后故障依然存在，变压器中性点的零序电压引起间隙击穿，间隙电流超过保护定值，零序过电流、过电压同时动作跳闸，导致2台主变高后备动作跳三侧开关。主变跳闸后接地故障点解除后，151线路出口重合闸动作成功。

3.3 保护分析

由于该变电站以单电源供电的方式运行，且低压侧并没有并联发电机，当电源进线发生瞬时单相接地故障时，上级变电站出口跳闸后故障应自动消除，下级变压器中性点不应被击穿和保护跳闸。

值得注意的是，上级变电站将线路断开后，110 kV系统变为不接地系统，且该站进线总长为31 km，电容电流约为11 A，如果有电源存在，则故障电弧将难以自动熄灭，在短路电流过零、电弧熄灭后将重燃。由于电弧多次熄灭和重燃，导致系统对地电容多次不断地积累和重新分配，在非故障相的电感—电容回路上引起高频振荡过电压。对于架空线路，弧光过电压幅值一般可达相电压的3～3.5倍。虽然该变电站没有并联发电机，但负荷多为异步抽油电机，可通过变压器反馈电能至故障点，从而为故障点提供弧光接地短路电流。

该站变压器保护间隙距离为100 mm，放电电压约为55.4 kV，u50%=2+0.534 d（kV）。

110 kV高压绕组分级绝缘中性点的工频耐受电压为95 kV，当发生弧光接地过电压时，间隙击穿，中性点经间隙、弧光接地。间隙放电能够有效保护变压器110 kV中性点不被高电压击穿放电。

110 kV中性点间隙击穿后，单相接地短路电流增大。间隙零序电流6.6 A（CT300/5的一次电流为396 A）大于整定值（72 A），保护启动，经0.5 s的延时后，跳开主变三侧开关。

4 结束语

综上所述，变压器中性点的保护配置和保护定值可满足国家设定的标准和该电站的实际负荷情况，可在发生接地故障时，及时、可靠地保护变压器的安全和稳定，避免设备被高电压损害，从而为企业创造更多的经济和社会效益提供了保障。

参考文献

[1]曹亚旭，邵鹏.变压器中性点运行方式分析[J].电力系统保护与控制，2010，38（5）：115-118.

[2]林耀洲，陈秀娟.110 kV和220 kV不接地运行变压器中性点保护方式[J].电网技术，2012，36（4）：256-259.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： In China， 110 kV and higher voltage power grid commonly used effectively neutral grounding mode， when the single phase to ground fault at the time of the accident， quickly remove the fault relay protection tripping. This paper introduces 110 kV transformer neutral grounding and protection configuration， combined with case analysis of the necessity of protecting configuration.

Key words： neutral point of transformer； lightning arrester； zero sequence protection； single phase grounding current