220 kV 变压器中性点发热原因分析及处理

陈鑫，姜华，邢钢，张祥

（乌兰察布电业局，内蒙古 乌兰察布 012000）

1 设备概况及故障前运行方式

2021年6月，乌兰察布电业局某220 kV无人值守变电站4号主变压器140中性点处发热至130℃。该变电站共有4台主变压器，其中4号主变压器为江苏华鹏SFSZ10—240000-220型变压器，2012年12月投运，电压等级为220 kV/110 kV/35 kV，容量为240 MVA，接线方式为Y/Y/Y/Δ，140中性点直接接地，340中性点经小电阻柜接地。该主变压器110 kV侧为中性点直接接地系统，中性点由套管零序电流互感器（以下简称TA）引出后通过中性线，经140中性点隔离开关、外置零序TA后接地。该变电站较为特殊，与其他220 kV变电站相比，中性线经过一个安装在140中性点隔离开关处的零序TA。

2 现场处理过程

2.1 停电后检查

现场停电检查发现，4号主变压器140中性线外接零序TA与接地排螺栓连接紧固，拆开连接螺栓，内部接触面污秽、锈蚀较多，随即对140中性线与地进行多次直流电阻测量，测量直流电阻平均值为2.9Ω。

2.2 零序TA及其回路检查

该变电站外置零序TA位于140放电间隙架构之上，与间隙TA一左一右置于中性线两侧。保护人员对双套主变压器保护的外接零序电流回路进行了检查，发现双套保护（见图1）与故障录波器并未使用该零序TA二次零序电流，而是由主变压器本体零序TA获得。初步认为可能是TA二次直流电阻过大引起发热，打开外置零序TA二次接线盒，发现二次侧短封未使用，且连接牢固无锈蚀，排除二次回路方面的原因。

2.3 送电后检查

4号主变压器恢复送电24 h后，继续对140中性点进行多次测温观察，测量结果为中性线处零序电流3.5 A（一次值），温度29.4℃。与4号主变压器检修前中性线电流（3.36 A）相差不大，故本次发热中性线电流并非主要影响因素。对比本站同为中性点直接接地的2号主变压器120中性线，2号主变压器中性线零序电流4.1 A（一次值），测温29.3℃，与4号主变压器温度趋于一致。由此判断4号主变压器中性线接地端温度异常已消除，站内设备恢复正常运行。

3 发热原因分析

3.1 发热影响因素

4号主变压器140中性点直接接地，140中性点与地连接的回路可以等效为一个纯电阻回路，纯电阻电路发热计算公式为：

式中：Q—电阻发热量；

I—流过导体的电流；

R—导体的电阻；

t—发热时间。

为使EI准则适用于约束优化问题，文献[11]提出采用PoF作为EI权重的约束期望改进(Constrained Expected Improvement，CEI)准则，即

由式（1）可知，中性线电流I增大、电阻R增大均会引起发热。140中性线电流即为4号主变压器系统110 kV侧的零序电流，调取故障录波器采样值，中压侧零序二次电流为0.021 A（见图2），TA变比800/5，因此中性线在发热期间一次电流稳定值为3.36 A[3-5]。

图2 4号主变压器保护装置零序电流采样

当发热点电阻为2.9Ω时，发热点功率P计算如下：

连接处铜排质量按0.5 kg计算，温度由正常运行时的平均温度30℃升高至130℃，所需热量Q为：

式中：c—铜的比热容，取值0.39×103J/（kg·℃）；m—物体的质量，kg；

ΔT—温度升高变化值，℃。

忽略热量散失，估算温升至130℃所需时间t为：

进一步了解得知，该站上次测温在1周（168 h）前，140中性点温度升高但未超过70℃（超过70℃，运行人员汇报缺陷），时值6月份，天气炎热且该站负荷较大，因此温度升高并未引起运行人员的重视。调取录波分析发现，中性点发热前几日140中性线的零序电流频繁发生两至三倍的突增，致使发热进程加快。

3.2 低压侧对本次故障的影响

中性线流过的零序电流是产生发热的重要因素，而中性点电压偏移直接影响了中性线上流过的零序电流。两个月前，乌兰察布220 kV德胜变电站35 kV中性点投入消弧线圈运行后，220 kV系统中性点电压偏移至1.6 kV，退出消弧线圈后电压偏移恢复。对于中性点经消弧线圈接地系统，中性点位移电压计算公式如下：

式中：U0—中性点位移电压；

Ubd—补偿前电网的不对称电压；

V—脱谐度，描述消弧线圈的补偿程度；

d—电网阻尼率。

由式（2）可知，增大脱谐度虽可降低中性点位移电压，但会导致残流增大，不利于灭弧[4]。因此对于经消弧线圈接地的系统来说，现场一般在消弧线圈一次回路串接大功率阻尼电阻，增大阻尼率，从而降低中性点电压的幅值。

该变电站35 kV侧中性点经小电阻接地，为排除35 kV侧中性点接地方式对110 kV侧中性点电压产生影响，短时退出4号主变压器340中性点的小电阻接地，保护装置零序电流未发生明显改变，因此低压侧经小电阻接地方式对中高压侧中性点电压影响较小。

3.3 故障原因判定

综上所述，本次发热故障是由变电站外置零序TA引起，当合中性点接地刀闸时，零序TA串入中性线回路，导致中性线接地处直流电阻过大。当变电站所带负荷不平衡度增大时，零序电流增大，从而引起发热。

4 防范措施

4.1 设计阶段

（1）中性点接地回路对电网正常运行至关重要，设计时要充分考虑所在地区三相负荷不平衡时长期存在的零序电流，以及接地故障发生时零序短路电流对中性点的冲击。中性点设备选型时要充分考虑系统的热稳定及动稳定要求。

（2）可考虑在主变压器中性线TA连接处加装温度测量显示装置，将中性点零序二次电流及中性线温度信息引入测控装置，当温度超过预设值时向后台发送光字告警信息，便于更直观地监测中性点的运行情况。

（3）鉴于本次发热故障是由于中性点外置零序TA引起，建议新建220 kV变电站在初设阶段，应注重一次设备的合理配置，避免存在冗余设备，以降低系统运行的可靠性。

4.2 验收阶段

验收阶段应认真检查设备是否严格按照标准工艺安装，并关注二次回路直流电阻等测试数据是否满足标准。

4.3 运维阶段

进一步加强运维经验积累，结合设备现象与测温结果对设备发热情况作综合判断。测量温度与实际温度存在一定的偏差[7]，以点燃的烟头为测温点，环境温度为24℃时，随着距离增加所测得的温度迅速下降，在5 m处测得的温度只达实际温度的10%。因此，运行人员使用点温仪时，在保持安全距离的前提下，应尽可能缩短测温距离，以便获得更为接近实际温度的结果。

5 结束语

通过对乌兰察布电业局某220 kV变电站4号主变压器140中性点处发热原因分析，认为本次发热故障是由于该发热点位于放电间隙架构之上，位置较高，运行人员测温时距离较远，导致测量温度低于实际温度，且该220 kV变电站无人值守，测温周期较长，较低的测量温度未引起重视而导致中性点长时间发热，直至专业测温厂家测温后才发现过热隐患。如果该缺陷没有被及时发现并消除，长时间运行后，中性线接地点可能因持续过热而烧毁，使得4号主变压器中压侧140中性点失去接地，导致110 kV系统运行方式发生改变，危及整个变电站的安全稳定运行。本文针对发热原因，从设计、验收、运维方面提出了防范措施，为220 kV变电站类似问题处理提供借鉴。