变压器中性点并联保护间隙距离确定方法研究

戴何笠，刘 能，王 旭，杨 鑫，曾玲丽

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114；2.国网浙江省电力公司新昌县供电公司，浙江 新昌312500；3.国网河南省电力公司开封供电公司，河南 开封475000）

变压器中性点并联保护间隙距离确定方法研究

戴何笠1，刘 能2，王 旭3，杨 鑫1，曾玲丽1

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410114；2.国网浙江省电力公司新昌县供电公司，浙江 新昌312500；3.国网河南省电力公司开封供电公司，河南 开封475000）

变压器中性点常采用避雷器与放电间隙相并联方式来保护中性点绝缘，但由于间隙放电的分散性，使得其配合困难从而常导致间隙误放电和拒放电。为了防止误放电和拒放电，准确地确定间隙的距离是绝缘配合的关键，最好的方法是绘制伏秒特性曲线，但此曲线绘制工作量过于繁杂。因此，提出运用正态概率分布，对雷电冲击放电和工频放电数据进行分析，选取间隙距离的方法，减小了间隙误放电和拒放电的概率，提高变压器中性点绝缘保护能力和供电可靠性。并应用该方法对金属氧化物避雷器并联保护间隙装置进行放电试验对比，试验证明了该方法是准确、有效的。

变压器中性点；正态分布；间隙距离；工频放电电压；雷电冲击放电电压

0 引言

在我国110～220 kV有效接地系统中，为了防止通讯干扰，限制单相接地短路电流和满足继电保护的整定配置等要求，通常采取部分变压器中性点不接地运行[1－4]。经调研，对不接地变压器中性点绝缘的保护通常采用棒间隙与金属氧化物避雷器相并联的方式[2－6]。在该方式下，当线路遭受雷击时，通过避雷器泄放雷电冲击电流，利用避雷器的残压保护变压器中性点；当线路出现单相接地且中性点失地故障时，会产生较高的工频过电压，威胁到避雷器安全工作，此时，通过并联的棒间隙放电来保护避雷器，同时释放过电流。

在实际应用中，确定棒间隙的间距是棒间隙与金属氧化物避雷器相并联的变压器中性点保护方式的关键。文献[2-5]中，棒间隙距离按照间隙50%放电电压值对应间隙距离来选取，这种方式也是目前常用的方式。但由于间隙放电具有分散性，这样选取的距离在实际运用中往往存在比较大的偏差，常导致间隙的“误放电”和“拒放电”。

合理的间隙距离，需要同时满足雷电冲击电压和工频电压的要求。工频电压主要限制了间隙的最大距离，该指标相对容易实现，关键在于满足雷电冲击电压的要求。对雷电冲击绝缘配合，最好的方法是制作伏秒特性曲线，但该曲线的确定非常复杂，需要大量的试验[8-10]，需要一种便捷、准确的方法来实现绝缘配合。

相关规程中规定电介质击穿电压的概率分布一般符合 Weibull distribution（韦伯分布）、Normal distribution（正态分布）和 Exponential Distribution（指数分布）[11-15]。在文献[8]和[9]中杨庆、司马文霞等人，采用了Normal分布的方法来实现雷电冲击绝缘配合。因此，笔者Normal分布的方法来得到不同击穿概率的工频和雷电冲击电压值，进而确定变压器中性点并联棒间隙的间隙距离。通过对220 kV变压器中性点采用不同避雷器时，并联棒间隙的距离确定实例对该方法的可靠性和实用性进行了验证。该方法的提出为变压器的防雷保护提供了一种新方法，对提高其运行可靠性具有重要意义。

1 并联棒间隙间距的确定方法

1.1 棒间隙与避雷器的绝缘配合原则

依据DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》的有关规定，使用棒形间隙与金属氧化物避雷器并联保护方式对变压器中性点绝缘进行过电压保护时，当出现雷电冲击波，由避雷器动作保护，保护间隙不应动作。当出现超过绝缘水平的操作或工频过电压时，由保护间隙进行放电保护，避雷器不应动作。因此，间隙与避雷器应满足如下配合原则：

1）系统形成不接地系统时，需要棒间隙动作。220 kV系统中，保护间隙工频放电电压需小于失地系统单相接地故障电压（即140 kV），由此得出棒间隙的最大距离。

2）棒间隙的雷电冲击放电电压值应大于避雷器上的残压，由此得出棒间隙的最小距离。

1.2 棒间隙击穿放电试验方法

为了能够准确、方便地运用Normal概率分布的方法对保护间隙的击穿放电电压数据进行处理，设计了如下试验方法：

1.2.1 雷电冲击放电试验方法

1）设定一组间隙距离（h1，h2，…，hi）。在距离下，间隙两端试验电压由低往高增加。也就是开始时施加一个较低的电压，如果没有发生击穿，则增加5 kV电压继续进行，直到发生击穿为止，记录此时的雷电冲击击穿电压，重复试验20次，得到20次击穿电压值（U1，U2，…，U20）。

2）按上述步骤，重复试验距离 h2，h3，…，hi，得出不同距离对应的20次击穿电压值。

1.2.2 工频放电试验方法

1）设定一组间隙距离（d1，d2，…，di）。在 d1距离下，采用连续升压法，通过调压器按1.5 kV/s的速度升高间隙两端电压，直到发生放电为止，记录工频放电电压V，重复试验20次，得到20次击穿电压值（V1，V2，…，V20）。

2）按上述步骤，重复试验距离 d2，d3，…，di，得出不同距离对应的20次工频放电电压。

1.3 保护间隙距离的确定方法

因为间隙在放电时，具有延时性，存在一个击穿概率P，空气间隙击穿电压的概率符合Normal分布。因此，对多次击穿放电的试验数据，按照Normal概率分布的方法进行处理，用Matlab软件进行计算，可方便得到任意击穿放电概率的放电电压值。

对于二维参数的分布，其概率函数为

式（1）中u是随机变量，这里指间隙击穿电压值；μ为数学期望、σ2为方差。用Matlab软件采用Normal概率分布的方法对保护间隙雷电冲击放电电压和工频放电电压进行处理，分别计算得出50%概率的雷电冲击放电电压Ug50%和工频放电电压Ui50%，0.1%概率的雷电冲击放电电压Ug0.1%，99.9%概率的工频放电电压Ui99.9%。再拟合得出幂函数，绘制雷电冲击电压与间隙距离，工频放电电压与间隙距离的曲线关系图。根据Ui99.9%小于失地系统单相接地故障电压的配合原则以及Ug0.1%大于残压的配合原则选择间隙距离。

2 实例验证

2.1 实验装置

保护间隙的放电试验整体装置接线图如图1所示。此放电试验装置为确定保护间隙的距离，整个装置为水平放置，金属移动滑块套在与绝缘子连接的导体上，保护间隙固定在金属移动滑块上，金属移动滑块上有螺栓可固定位置；保护间隙两端为球型，直径为16 mm，保护间隙可调节距离范围200～500 mm；支柱绝缘子用于支撑放电装置。

图1 保护间隙放电试验装置Fig.1 Protective gap discharge test device

图1中，做雷电冲击试验时，电压发生器为1 200 kV冲击电压发生器，可以提供波前时间为1.2μs和半波峰值时间为50 μs（误差分别在30%和20%以内），其峰值范围为30～1200 kV的雷电冲击波。分压器为BHT1200 kV弱阻尼电容式分压器，变比为 1380：1。

做工频放电试验时，电压发生器为工频试验变压器，电压范围为0.38～200 kV，额定容量为200 kVA，分压器为电容式分压器，分压比200：1。

依据目前220 kV变压器中性点保护间隙大致距离，实验时棒间隙距离选择为220 mm，260 mm，300 mm，340 mm，380 mm，420 mm。

2.2 实验结果

按1.2.1节的实验方法进行实验，得到不同保护间隙距离对应的20次雷电冲击放电电压结果如图2所示。

图2 不同距离对应20次雷电冲击放电电压结果Fig.2 20 times lightning impact breakdown voltage results corresponding to each gap distance

按1.2.2节实验方法，对不同间隙距离对应的20次工频放电电压结果如图3所示。

对各个间隙下的20次工频放电电压按照Normal分布的方法进行处理，可计算对应概率的工频放电电压，结果如表2所示。

表1 不同间隙距离对应概率的雷电冲击放电电压值Table 1 Protection gap corresponding to the probability of lightning impulse discharge voltage value

图3 不同间隙距离对应的20次工频放电电压结果Fig.3 20 times power frequency breakdown voltage results corresponding to each gap distance

表2 保护间隙对应概率的工频放电电压值Table 2 Protection gap corresponding to the probability of frequency discharge voltage value

2.3 220 kV变压器中性点保护间隙距离的确定

由于间隙放电电压与间隙距离的关系符合指数函数曲线，可以拟合得出Ug0.1%雷电击穿电压与间隙距离的曲线函数为式（2）

其函数曲线图如图2所示。

由Matlab拟合的Ug50%雷电击穿电压与间隙距离的曲线函数为式（3）

其函数曲线图如图5所示。

为进行驾驶舱泄压计算，首先要建立飞机增压舱模型，对增压舱进行区域划分。飞机增压舱通常包括有驾驶舱、客舱、设备舱、货舱等，在计算中可将飞机的增压舱室划分为若干个独立的舱室。图1为某型民用飞机的增压舱室划分。其中A为驾驶舱，B为客舱，C为后货舱，D为前货舱，E为前设备舱，F为后设备舱，G舱为尾舱。

拟合的工频放电电压与间隙距离函数为式（4）

其函数曲线图形，如图6所示。

图4 Ug0.1%击穿电压与间隙距离的曲线关系图Fig.4 Ug0.1%breakdown voltage and gap distance curve

图5 Ug50%击穿电压与间隙距离的曲线关系图Fig.5 Ug50%breakdown voltage and gap distance curve diagram

图6 Ui99.9%工频放电电压与间隙距离曲线关系图Fig.6 Ui99.9%discharge power frequency voltage and gap distance curve diagram

拟合的工频放电电压与间隙距离函数为式（5）

其函数曲线图形如图7所示。

图7 Ui50%工频放电电压与间隙距离曲线关系图Fig.7 Ui50%discharge power frequency voltage and gap distance curve diagram

2.4 保护间隙最佳绝缘配合距离选择

依据有关的标准规定，在220 kV变压器中性点上所使用的避雷器额定电压不能低于79.6 kV。用于保护220 kV变压器中性点可用的金属氧化物避雷器型号有 HY5W－100/260，HY5W－108/280其参数特征见表3。

表3 不同型号避雷器参数特征Table 3 Parameter characteristics of different types of surge arrester

根据本文采用的Normal概率分布处理击穿电压，即99.9%概率的工频击穿电压Ug99.9%小于失地系统单相接地故障电压；0.1%概率的雷电冲击击穿电压Ui0.1%大于避雷器标准残压的配合原则选择间隙距离。由此，得出不同型号避雷器对应的羊角间隙距离范围如表4所示。

表4 基于Normal分布不同型号避雷器对应羊角间隙距离范围Table 4 Different types of lightning arrester corresponding horn gap distance range based on Normal distribution

根据Ui99.9%小于失地系统单相接地故障电压的配合原则，依据式（4），得出间隙的距离都应小于347 mm。根据Ug0.1%大于残压的配合原则选择间隙距离，依据式（2），对于 HY5W－100/260型号避雷器，间隙距离大于290 mm，间隙距离范围为290～347 mm；对于HY5W－108/280型号，间隙距离大于312 mm，间隙距离范围为312～347 mm。

3 实验分析

3.1 基于Normal概率分布棒间隙距离确定方法的精度分析

目前工程上大多使用50%放电电压来表征间隙的放电特性。若根据通常采用的间隙50%放电电压值选取对应的间隙距离，即50%概率的工频击穿电压Ug50%小于失地系统单相接地故障电压；50%概率的雷电冲击击穿电压Ui50%大于避雷器标准残压的配合原则选择间隙距离；得出不同型号避雷器对应的棒间隙距离范围如表5所示。

50%概率的工频放电电压Ug50%小于失地系统单相接地故障电压，依据式（5），间隙距离都应小于417mm。50%概率的雷电冲击放电电压Ui50%大于避雷器标准残压的配合原则选择间隙距离，依据式（3），对于HY5W－100/260型号，间隙距离大于271 mm，间隙距离范围为271～417 mm；对于HY5W－108/280型号避雷器，间隙距离大于293 mm，间隙距离范围为 293～417 mm。

表5 基于50%放电电压不同型号避雷器对应棒间隙距离范围Table 5 Different types of lightning arrester corresponding horn gap distance range based on 50%discharge voltage

通过基于Normal概率分布方法得出的棒间隙距离与表5中的数据相比较，距离范围平均减少66%，范围更加精确，有效地降低了间隙放电电压的分散性，减小了“误放电”和“拒放电”发生的概率。

3.2 基于Normal概率分布棒间隙距离确定方法的可靠性验证

实验验证的装置在3.1节实验装置的基础上，与连接可调保护间隙的导体上并联了要选取的避雷器，如图8所示。

图8 试验验证装置Fig.8 Test verification device

由3.3节得出的避雷器与保护间隙的配合结果，首先，选取HY5W－108/280型号避雷器并联距离调为340 mm（根据基于Normal分布的方法选择），对间隙两端施加140 kV的工频电压，结果为20次工频放电试验中，间隙均放生放电。再将并联距离调为380 mm（根据50%放电电压值选择），同样对间隙两端施加140 kV的工频电压，结果为20次工频放电试验中，间隙未发生放电次数为3次，即发生了“拒放电”3次（拒放电概率15%）。

表6 根据不同方法选取棒间隙距离试验拒放电概率Table 6 The probability of the gap reject discharge according to different methods

然后，选取HY5W－100/260型号避雷器并联距离调为330 mm（根据基于Normal分布的方法选择），施加峰值为280 kV的标准雷电冲击电压，进行20次放电试验，间隙均未放生击穿。再将间隙距离调为280 mm（根据50%击穿电压值选择），同样施加峰值为280 kV的标准雷电冲击电压，进行20次放电试验，间隙放生击穿2次，即发生了“误放电”2次（误放电概率10%）。

表7 根据不同方法选取棒间隙距离试验误放电概率Table 7 The probability of the gap mischarging according to different methods

试验说明采用50%放电值选择的间隙距离，由于其距离范围过大，导致距离选择时精度不高，间隙放电分散性过大，间隙均发生拒放电和误放电。而通过基于Normal分布的方法选择的距离范围明显减少，精度提高，降低了间隙的放电分散性，间隙未出现拒放电和误放电。这说明基于Normal分布的避雷器与并联保护间隙的雷电冲击绝缘配合方法是准确有效的。

4 结论

1）系统分析了基于Normal分布的金属氧化物避雷器与并联保护间隙的雷电冲击绝缘配合方法。该方法具有简单、易实施的特点，可以准确方便地确定保护间隙的间隙距离，并且减少了间隙误动和拒动的概率，对于变压器中性点保护和提高供电可靠性具有重要的意义。

2）针对220 kV变压器中性点常使用的金属氧化物避雷器进行试验分析，试验证明了基于Normal分布的金属氧化物避雷器与并联保护间隙的雷电冲击绝缘配合方法其准确性。

3）基于Normal分布的避雷器与并联保护间隙的绝缘配合方法还可以运用到其他电压等级的变压器上，为其选择间隙距离提供依据和方法。

[1]DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京：中国标准出版社，1997.DL/T620－1997.Overvoltage protection and insulation coordinationfor AC-electrical installations[S].Beijing：China StandardPublishingCompany，1997.

[2]于化鹏，陈水明.110 kV变压器中性点过电压的计算及其保护策略[J]。电网技术，2011，35（3）：152－158.YU Huapeng，CHEN Shuiming.Calculation of Over voltage on of Over voltage on NeutralPoint of 110 kV Power Transformers and CorrespondingProtectionStrategy.[J]PowerSystem，2011，35（3）：152－158.

[3]严玉婷，鲁海亮.用于110 kV变压器中性点的新型棒_板－棒组合保护间隙[J].高电压技术，2015，41（2）：699－704.YAN Yuting，LU Hailiang.A New Rod－plate－rod CombinedProtection Gap for 110 kV Transformer Neutral Point.HighVoltage Engineering，2015，41（2）：699－704.

[4]李博江，文习山.110 kV变压器中性点水流保护间隙与避雷器并联保护方式[J]。高电压技术，2014，40（3）：772－779.LI Bojiang，WEN Xishan.Protection Mode of Parallel Connection ofWaterFlow Protection Gap and Arrester forNeutral Points of 110 kV Power Transformers.[J].High Voltage.2014，40（3）；772 －779.

[5]彭飞，陈维江，李成榕，等.110，220 kV变压器中性点保护用新型复合间隙[J].高电压技术，2008，34（2）：243－246.PENG Fei，CHEN Wei－jiang，LI Cheng －rong.New Composite Gap for Protection at 110 kV and 220 kV Transformer[J].High Voltage Engineering，2008，34（2）；243－246.

[6]秦家远.雷击下金属氧化物避雷器ATP仿真模型分析[J]。电瓷避雷器，2007，6：41－44.QIN Jiayuan.ATP Simulat ion for ZnO Surge Arrester under Lighitng Stroke，Insulators and Surge Arresters，2007，6：41－44.

[7]谢施君，贺恒鑫，向念文，等.棒_棒间隙操作冲击放电过程的试验观测[J].高电压技术，2012，38（8）：2083－2090.XIE Shijun，HE Hengxin，XIANG Nianwen，et al.Experimental studyonthe discharge processes of rod－rod air gap under switchingimpulse voltage[J].High Voltage Engineering，2012，38（8）：2083－2090.

[8]杨庆，董岳，叶轩.高海拔地区500 kV输电线路用复合绝缘子与并联间隙的绝缘配合[J].高电压技术，2013，39（2）：407－413.YANGQing，DONG Yue，YE Xuan.Insulating coordinator between composite insulator and parallel gap device of 500kV transmission line at high altitude area[J].High Voltage Engineering，2013，39（2）：407－413.

[9]司马文霞，叶轩，谭威.高海拔220 kV输电线路绝缘子串与并联间隙雷电冲击绝缘配合研究[J].高电压技术，2012，32（10）：168－176.SIMA Wen Xia，YE Xuan，TAN Wei.Lighting insulating coordination between insulator string and parallel gap device of 220kV transmission line at high altitude area[J]．High Voltage Engineering，2012，32（10）：168－176．

[10]沈燕华，袁文嘉，李芳.主变间隙保护的思考[J]。电力系统保护与控制，2010，38（10）：145－146.SHEN Yanhua，YUAN Wenjia，LI Fang.Thinking of maintransformergap protection[J].Power System Protection and Control，2010，38（10）：145－146.

[11]陈季丹，刘子玉.电介质物理学[M].北京：机械工业出版社，1982.CHEN Jidan，Liu Ziyu.Dielectric physics[M].Beijing：China Machine Press，1982

[12]LI Guangjie，WANG Jue，YAN Ping.Experimental Study on Statistical Characteristics of Surface Flashover under Nanosecond Pulse in Transformer Oil[J].IEEE International Power Modulator Conference，New York，IEEE Press，2006：97－99.

[13]ELIZONDO J.M，STRUVE K.，STYGAR B.，et al.Vacuum Flashover Characteristics of Solid CL－polystyrene[A].20th International Symposium on Discharges and Electrical InsulationinVacuum，NewYork，IEEEPress，2002：650－653.

[14]WILSON M.P.，MACGREGOR S.J.，GIVEN M.J.，et al.Surface flashover of oil－immersed dielectric materials in uniform and non－uniform fields[J].IEEE Transaction Dielectric Insulation，2009，（4）：1028－1036.

[15]WILSON Mark P.，Given MARTIN J.，TIMOSHKIN Igor V.，et al.Impulse－Breakdown Characteristics of Polymers Immersed in Insulating Oil[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2010，38（10）：2611－2619.

Research on the Method of Determining the Gap Distance of Parallel Protection for Transformer Neutral Point

DAI Heli1，LIU Neng2，WANG Xu3，YANG Xin1，ZENG Lingli1
（1.Changsha University of Science and Technology，College of Electrical and Information Engineering，Changsha 410004，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Xinchang Power Supply Company，Xinchang 312500，China；3.State Grid Henan Electric Power Company Kaifeng Power Supply Company，Kaifeng 475000，China）

The discharge gap parallel arrester is often used to protect the transformer neutral point insulation.But due to the dispersion of the gap discharge，it is difficult to coordinate and often leads to gap mis－discharge or refused to discharge.To prevent the mis－discharge and refused to discharge.Accurately determine the gap distance is the key to the insulation coordination，the best method is to draw the volt－second characteristic curve，but the curve plotting workload is too multifarious.Therefore，it is proposed to use the normal probability distribution，of lightning impact discharge and power frequency discharge data are analyzed，and the gap distance selection method，the probability of gap mis－discharge and refused to discharge are reduced，the ability of transformer neutral point insulation protection and the power supply reliability are improved.The method is applied to the discharge test of metal oxide surge arrester parallel protective gap device.The method is proved to be accurate and effective.

transformer neutral point；normal distribution；gap distance；power frequency discharge；lightning impulse discharge

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.029

2016－02－29

戴何笠（1992—），男，硕士，主要研究方向为高电压绝缘技术和间隙放电特性。