110kV变压器中性点过电压保护探讨

摘　要：传统的分级绝缘变压器中性点过电压保护按氧化锌避雷器加水平棒间隙配置，在运行中未能达到满意效果。对此，结合实例进行了分析，并提出了根据实际综合考虑的分级绝缘变压器中性点过电压保护的有效方式。

国产110kV变压器一般采用分级绝缘结构，中性点绝缘有35kV，44kV，60kV电压等级，按原国标GB311—83《高压输变电设备的绝缘配合》和现行业标准DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定：雷电全波和截波耐受电压分别为180kV，250kV，325kV；短时工频耐受电压(有效值)分别为85kV，95kV，140kV。电力系统中110kV有效接地系统，为了限制单相接地短路电流、防止通信干扰和满足继电保护整定配置等要求，大部分110kV变压器分级绝缘中性点是不直接接地运行的。

　　对于中性点不接地的分级绝缘变压器，当雷电波从线路侵入变压站到达变压器中性点以及系统单相接地、非全相运行，特别是伴随产生变压器励磁电感与线路对地电容谐振时，会产生较高的雷电过电压或工频稳态过电压，对分级绝缘变压器中性点构成威胁，甚至使绝缘损坏。因此，分级绝缘变压器中性点的过电压保护通常采用避雷器或氧化锌避雷器加并联水平棒间隙的保护方式。但运行经验表明，这种保护方式未能达到满意效果，存在许多需商榷之处。本文将结合实例对该配置方式给系统运行带来的一些问题进行综合分析。

1　运行实例分析

　　雷击后，通过电力工业局雷电定位系统观测，其雷电流幅值达负极性54.3kA，回击三次，导致线路短线接地距离工段保护动作，开关跳闸、重合成功。但同时，因110kV系统瞬时单相接地及雷电波入侵环城站1号主变压器中性点，造成水平棒间隙放电击穿，并导致110kV线路零序工段保护动作，开关跳闸(重合闸保护未投)，使失压。

　　事故后调查发现，110kV主变压器中性点(不接地运行)水平棒间隙(110mm)放电击穿，中性点氧化锌避雷器(Y1W-55/140型)动作。很显然，按当时系统运行方式和故障录波图分析，110kV零序工段保护动作，是由于主变压器中性点水平棒间隙放电击穿，使系统零序阻抗参数发生改变，根据继电保护专责按事故方式下核算最大零序电流约12A，大于其整定值7A，躲不过零序故障电流而造成110kV开关跳闸。事故时，110kV站侧零序保护未投，否则，类似情况同样出现。

　　对于分级绝缘变压器中性点过电压保护，采用氧化锌避雷器加并联水平棒间隙的配置方式，其两者的配合原则是：避雷器承担雷电过电压保护，当系统发生单相接地故障及开关单相重合闸过程中水平棒间隙不应放电动作；只有当系统失地，且出现系统非全相运行或谐振故障时，水平棒间隙可靠动作，保护变压器中性点绝缘及线端设备的绝缘，防止避雷器因通流容量不够发生爆炸。但通过多年的运行实践证明，避雷器与水平棒间隙的配合相当困难，其不足之处在于：

　　a)在防雷保护时，以Y1W-55/140型氧化锌避雷器为例，其标称放电电流1kA下雷电冲击残压为109kV，按主变压器中性点最低35kA级冲击绝缘水平考虑，其绝缘保护裕度因数达1.51足够。但110mm水平棒间隙50%操作冲击放电电压(峰值)约110～120kV，事故时受雷电环境条件分散系数的影响，更接近避雷器的冲击残压水平，这就有可能使得避雷器动作的同时，水平棒间隙也放电击穿，尤其在雷击输电线路导致系统瞬时单相接地时，造成继电保护误动。根据近三年的运行事故统计，电力局类似的情况还出现六次之多。

　　b)当系统发生单相接地，分级绝缘变压器中性点出现各种暂态或稳态过电压，一般情况下，氧化锌避雷器和水平棒间隙都不应动作，运行经验表明该配合方案并未满足条件要求。110mm水平棒间隙工频放电电压约58.4kV(有效值)，而从电力局几次事故时的故障录波图分析以及过电压理论估算，实际出现在主变压器中性点处的工频过电压应低于该数值，但110mm水平棒间隙仍放电击穿。由于用作间隙的棒直径大小差异和间隙棒头未经技术老炼，其工频放电电压低于研究所得到的测量值是完全可能的，那么实际运行中也就导致了棒间隙的动作频繁以及继电保护误动的可能性增大。

2　分级绝缘变压器中性点的过电压保护方式

　　按电力行业标准DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定，对于分级绝缘变压器中性点的过电压保护方式可分为两类情况考虑：

　　a)有效接地系统中的中性点不接地的变压器，就在中性点装设雷电过压保护装置，且宜选变压器中性点金属氧化物避雷器。

　　对于中性点绝缘为60kV电压等级的变压器，选用HY1.5W5-72/186型复合外套式氧化锌避雷器或HY1C4-73/175型复合外套式串联间隙氧化锌避雷器，其雷电过电压下的安全裕度因数可达1.6左右。且由于避雷器额定工作电压较高，足以保证当系统发生单相接地故障引起工频电压升高时，避雷器不动作，避免了因通流容量不够发生爆炸的可能性。

　　对于中性点绝缘为35kV，44kV电压等级的变压器，选用HY1C4-60/134型复合外套式串联间隙氧化锌避雷器，其雷电过电压下的安全裕度因数为1.2以上，该型避雷器工频放电电压(有效值)不小于95kV，因此，可较长时间承受中性点处工频过电压而不发生误动作。

　　取消加并联水平棒间隙的保护方式，可避免因水平棒间隙频繁动作造成继电保护误动的可能性，减少了不必要的停电损失，也提高了电力系统稳定和供电可靠性。

　　b)对可能形成系统失地且低压侧有电源的分级绝缘变压器不接地的中性点应装设间隙。因接地故障形成局部不接地系统时该间隙应动作；系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时间隙时间隙不动作。间隙距离的选择除应满足上述两项要求外，还应兼顾雷电过电压下保护变压器中性点标准分级绝缘的要求。

　　分级绝缘变压器带故障失地及开关非全相操作所产生的工频过电压有可能危及变压器中性点绝缘，避雷器因通流容量不足难以限制这种工频过电压。因此，必须采用棒间隙保护。对于中性点绝缘为60kV绝缘等级，采用140mm水平棒间隙保护，其雷电冲击保护比和操作冲击保护比均有足够的裕度，且满足过电压规程的技术要求。但对于90雷暴日左右的多雷区域，雷过电压使水平棒间隙频繁动作导致主变压器失压或继电保护误动的问题得不到有效的解决。笔者认为采用HY1C4-73/175型复合外套式串联间隙氧化锌避雷器并联与之配合，能收到较好的效果。该型避雷器的工频放电电压(有效值)95kV，1.2/50μs冲击放电电压(峰值120kV)，工频耐受电压不小于(有效值)73kV，而140mm间隙的工频放电电压上限值71kV，冲击放电电压下限值129kV，足见其配合是可行的。使用水平棒间隙保护时应加装间隙零序保护，即在棒间隙接地端串有TA作为零序信号抽取，当水平棒间隙击穿放电时，带时限切断变压器开关，防止截波作用危及变压器层、匝间绝缘或其它运行设备。

　　对于中性点绝缘为35kV，44kV电压等级的变压器，其标准雷电冲击全波和截波分别为180kV，250kV，取绝缘老化累积因数0.85，则变压器中性点冲击耐受水平约153kV，若采用120mm水平棒间隙，其冲击放电电压上限值为154.7kV，因此，必须加氧化锌避雷器承担外过电压。考虑水平棒间隙动作的击穿电压值受大气环境条件的影响及其它因素，根据理论计算，选用125mm水平棒间隙与并联HY1C4-60/134型复合外套式串联间隙氧化锌避雷器配合的方式，较为适宜。棒间隙的配置，可使用φ16mm圆钢，端部半球形，表面加工细致无毛刺并安装时进行加电压技术老炼，提高运行后数据的准确性，这一点非常重要。

3　结论

　　a)以往对于分级绝缘变压器中性点过电压保护，采用避雷器与水平棒间隙的配置方式，由于参数配合困难，存在不足之处，给系统运行带来一些问题。

　　b)110kV系统不失地时，中性点不接地的分级绝缘变压器，可在中性点装设相应技术参数的氧化锌避雷器。

　　c)对可能形成系统失地且低压侧有电源的分级绝缘变压器不接地的中性点，采用合理的水平棒间隙与并联复合外套式串联间隙氧化锌避雷器配合方式较为适宜。

　　d)使用水平棒间隙保护时应加装间隙零序保护，有利于防止因间隙击穿放电的截波作用危及变压器层、匝间绝缘或其它运行设备。

这种保护方式未能达到非常满意效果，存在许多需商榷之处

                         上友电气研究所   刘文中

                             2010.6.20上海