110kV变压器中性点接地方式与保护配置分析

1 前言

   在110kV及以上电压等级电网系统中，电力变压器是电力生产的核心设备，其成本较高，为了减少成本，减小变压器的内绝缘尺寸从而使整个变压器的尺寸缩小，变压器普遍采用分级绝缘结构，其特点是中性点的绝缘水平低于三相端部出线电压等级的绝缘水平。

　　在部分变压器中性点接地的电网中，接地短路故障是较常见的故障（约占故障总数的85%以上）。当系统发生接地故障，中性点接地的变压器跳开后，电网变成不接地系统，电网零序电压升高或谐振等都会使不接地变压器中性点遭受过电压，从而危及变压器的中性点绝缘。因此，处于该系统中运行的大型变压器必须装设中性点保护。

2 变压器中性点接地方式

  2.1变压器中性点接地系统的优缺点对电源中性点接地系统，若发生某单相接地，另两相电压不升高，这样可使整个系统绝缘水平降低；另外，单相接地会产生较大的短路电流，从而使保护装置（继电器、熔断器等）迅速准确地动作，提高了保护的可靠性。电源中性点接地系统的缺点是单相短路电流很大，开关及电气设备等要选择较大容量，并且还能造成系统不稳定和干扰通讯线路等。

　　2.2变压器中性点不接地系统的优缺点对变压器中性点不接地系统，由于限制了单相接地电流，对通讯的干扰较小；另外单相接地可以运行段时间，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一倍，易使绝缘薄弱地方击穿，从而造成两相接地短路。

　　2.3我国110kV变压器中性点接地方式为了限制单相接地短路电流，防止通讯干扰和继电保护的整定配置等要求，我国110kV系统普遍采用台变压器中性点直接接地，其余变压器的中性点不接地的运行方式，即部分变压器中性点接地方式。

3变压器中性点过电压及保护

  3.1变压器中性点过电压

  3.1. 1工频过电压系统中在操作或接地故障时发生的频率等于工频（50Hz）或接近工频的高于系统最高工作电压的过电压。产生工频过电压的主要原因是：空载长线路的电容效应，不对称短路时正常相上的电压升高，系统突然甩负荷使发电机加速旋转等。

　　3.1.2谐振过电压电力系统中些电感、电容元件在系统进行操作或发生故障时可形成各种振荡回路，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。谐振过电压分为以下几种：线性谐振过电压、铁磁谐振过电压和参数谐振过电压。

　　3.1.3操作过电压产生操作过电压的原因，是由于电力系统的许多设备都是储能元件，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（电能）发生了转换、过渡的振荡过程，由振荡而引起过电压。特点是持续的时间通常比雷电过电压长，而又比暂态过电压短。一般在数百微秒到100mS之间。3.1.4雷电过电压雷电过电压与气象条件有关，由电力系统外部原因造成的，因此又称之为大气过电压或外部过电压。

　　电力系统的雷电过电压分成：直接雷击过电压、雷电反击过电压、感应雷过电压、雷电侵入波过电压。

　　3.2变压器中性点保护方式变压器中性点保护可采用间隙、避雷器及避雷器并联间隙三种方式。采用避雷器并联间隙的方式在电力系统中较为常见。避雷器并联间隙的保护分工是工频、谐振和操作过电压由间隙承担，雷电过电压由避雷器承担，同时，又用间隙来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。

　　这种方式既对变压器中性点进行保护，又起到互为保护的作用。

　　3.3变压器中性点继电保护配置在110kV中性点直接接地的电力网中，当低压侧有电源的变压器中性点可能接地运行或不接地运行时，对外部单相接地短路引起的过电流，以及对因失去接地中性点引起的变压器中性点电压升高，应按下列规定装下列保护. 

  3.3.1不接地零序为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，在变压器中性点应装设放电间隙。此时应装设用于中性点直接接地和经放电间隙接地的两套零序过电流保护。此外，还应增设零序过电压保护。用于经间隙接地的变压器，装设反应间隙放电的零序电流保护和零序过电压保护。当变压器所接的电力网失去接地中性点，又发生单相接地故障时，此电流电压保护动作，经0.3~0.5s时限动作断开变压器各侧断路器。

　　3.3.2接地零序在中性点直接接地的电网中，如变压器中性点直接接地运行，对单相接地引起的变压器过电流，应装设零序过电流保护，保护可由两段组成，其动作电流与相关线路零序过电流保护相配合。每段保护可设两个时限，并以较短时限动作于缩小故障影响范围，或动作于本侧断路器，以较长时限动作于断开变压器各侧断路器。

4案例分析

   2012年大港油田电网某变电站发生了主变110kV中性点间隙零序过流跳闸故障，这是油田电网历史以来首次发生此类型故障。

　　4.1系统运行方式大港油田地区110kV系统接线特点是以放射状为主，以220kV变电站为电源点，通过110kV线路向各终端变电站辐射，低压侧无电源。该变电站的上级220kV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。

　　110kV变电站的电源由上级220kV变电站通过151线路提供，且与另外一座110kV变电站有一联络线152，开环运行（作为备用电源）。站内两台主变并列运行。

　　主变110kV侧间隙零序定值为间隙CT 300/51.2A/0.5S跳主变三侧开关。

　　4.2保护动作

   根据上级220kV变电站录波记录显示151线路接地距离动作开关s跳闸，1.2s重合闸成功，故障录波测距22.022km，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由于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，线路故障本应解除，1.2s后重合闸即可恢复正常供电。但由于某种原因，51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（1主变间隙6.66A，2#主变间隙6.63A，均为二次值）超过保护定值，零序过流过压时限动作跳闸致使两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，51线路出口重合闸动作成功。

　　4.3保护分析由于该变电站为单电源供电方式运行，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，110kV系统成了不接地系统，且该站进线线总长31km，电容电流约为11A，如果有电源存在，故障电弧将难以自动熄灭，在短路电流过零时电弧熄灭后重燃。由于电弧多次不断的熄灭和重燃，导致系统对地电容多次不断的积累和重新再分配，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3~3.5倍相电压。

　　该变电站虽然没有并联发电机，但负荷多为异步抽油电机（200多台），可通过变压器反馈电能至故障点，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100mm的50%放电电压约为55.4kV，u50%=2+0.534d（kV）H.变压器110kV高压绕组分级绝缘中性点的工频耐受电压为95kV，当发生弧光接地过电压时，间隙击穿，中性点经间隙经弧光接地。间隙放电能够有效地保护变压器110kV中性点不被高电压击穿放电。

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

5 结论

  根据上述案例分析，该变电站变压器中性点的保护配置和保护定值不仅满足国家标准的规定，而且考虑了本站的实际负荷情况，在发生故障时可靠的保护了变压器的安全，使设备免受更大高电压冲击。

　　对于带电源或将来有可能带电源的变压器，以及带等效电源（大量电动机）时，在设计阶段就应考虑配置完整的中性点间隙保护，包括中性点零序过电流保护，中性点间隙电流保护以及母线开三角零序电压保护。

　　但间隙与避雷器配合使用时也存在一些缺点，如距离调节不准，同心度差，放电后产生的电弧烧蚀电极，容易发生要么接地故障时致使间隙误击穿，要么间隙拒动造成避雷器爆炸或设备绝缘损坏，因此在今后的新建变电站及改造时可以考虑使用新型中性点保护装置，如复合间隙、可控间隙与避雷器并联使用等.更加安全可靠的中性点保护配置还需进一步地研究。