110 kV主变中性点小电抗接地保护分析.pdf

z意 熹 黼 电力安全技术 第10卷(2008年第9期) 1 l0kv 主 变 中 性 点 小电 抗 接 地 保 护 分 析 张雪峰，平绍勋，周玉芳 ( 如皋供电公司，江苏如皋226500) 摘要在分析了110kv 系统主变中性点不接地时可能产生的雷电过电压、工频及操作过电压的基 础上，指出了目前110kv 系统主变中性点保护方式上存在的问题，提出了采用中性点小电抗接地的保护方 式加以解决，并说明了这种保护方式的优点和小电抗的参数选择方法及技术要求。 关键词 1lo kv ；变压器；过电压；小电抗；保护 变压器中性点直接接地可降低中性点的过电压 及绝缘水平，但会使系统单相短路电流增大。根据 规程规定及系统运行的需要，我国l10kv 系统中大 约有23的变压器中性点采取不接地的运行方式。 不接地的变压器在运行中会受到雷电过电压、工频 和操作过电压的作用，如果变压器中性点保护设置 不当，将会使设备保护误动，造成主变或线路停电 事故，甚至设备事故。因此，要合理选择正确的保 护方式，以保证运行主变压器和避雷器不受损害； 同时避免中性点保护异常引发的事故，确保系统正 常稳定运行。 1 变压器中性点各种过电压 11雷电过电压 当雷电波侵入变压器绕组到达中性点时，由于 中性点不接地，冲击电压会上升到高于中性点绝缘 水平，对中性点的绝缘造成威胁。 雷电波作用下的变压器中性点的过电压与雷电 波侵入的相数、振荡系数以及变压器出口处避雷器 的残压( 或放电电压)有关。其最大值发生在三相同 时侵入雷电波时，可达到变压器出口处避雷器残压 的1618倍。 不论三相，两相或单相侵入雷电波，产生的过 电压对分级绝缘变压器中性点都是有害的。虽然由 于雷电波沿线路的衰减、人口避雷器的限制、多路 出线的分流以及变压器线圈电感的作用，侵入波的 陡度和幅值都大大被削弱了，但变压器中性点还是 需要用避雷器保护。 12断路器非全相分合闸过电压 当空载线路向变压器送电时，线路的容抗愈接 近变压器的感抗，产生谐振的概率愈大，同时产生 过电压的幅值就愈高，反之则愈小。对于不同的激 发条件，产生的谐振过电压服从统计规律。 一9一 试验和运行经验表明，只要符合一定的外界激 发条件和参数，故障断线情况下可能分别发生高次 谐波、基波和分次谐波的谐振过电压。在基波谐振 条件下，由于中性点电位的频率与电源频率相同， 两者叠加的结果使得各相对地电压呈现出不平衡： 对于负载变压器来说，当回路工作在非谐振工作 点，电流呈感性，变压器的二次电压与电源电动势 同相；当回路工作在谐振工作点，电流呈容性，变 压器的二次电压与电源电动势反相。 中性点不接地变压器处于轻载或空载时，断路 器或刀闸三相非同期分合闸(包括在运行中线路发生 一相或两相断线)，在参数配合得当时，系统电容和 变压器电感会产生铁磁谐振；当变压器两端有电源 时，不接地的变压器中性点上会产生幅值高达2己0 (以。为系统最大运行相电压)的稳态过电压。 黑龙江省电力试验所曾进行过110kv 单相电源 合闸于空载变压器产生铁磁谐振的试验。当单相电 源经553km 线路合闸于75m v a 变压器，变压器 中性点上装有工放电压为72kv ( 有效值)的棒间隙 时，合闸2次，其中1次产生基波谐振，中性点间 隙放电时( 113) ，正常相过电压为173阪。当 单相电源经103km 线路合闸于8m v a 变压器时， 合闸3次，其中2次产生12次分频谐振，正常相 过电压达33玩。，中性点过电压达到21以。 若不接地变压器位于电源侧的变电站，用断路 器分别在160km 和257krn长线路条件下，对24次 重合时产生的过电压数据进行处理，电源侧不接地 的变电站中性点上过电压平均幅值为173致。，最 大可达279阪、。这种过电压是带有剩余电荷的长 线路突然接通于变压器时产生的，一部分电荷经接 地的变压器和电压互感器泄漏掉，一部分电荷对不 接地变压器电感及其中性点对地电容产生振荡。产 生的过电压的频率为300hz左右，会对设备绝缘有 第10卷(2008年第9期)电力安全技术 较大的危害。 黑龙江省电力试验所还进行了将某553km 线 路合闸于75m v a 变压器的两相接通试验，合闸2 次都产生了基波谐振；将103km 线路合闸于8m v a 变压器时，2次中只有1次产生分频谐振后又转为基 波谐振。可见，两相接通时比一相接通时激发谐振 的概率要高一些。 从两相合闸试验的数据显示，断开相电压为 28玑。，而中性点过电压只有086以。，不足断开 相电压的l3。在产生的3次谐振中，变压器的间 隙和避雷器都未能动作，证明了两相接通时中性点 上过电压比一相接通时小。 此外，如果变压器2侧有电源时，变压器中性 点上会产生2玑。的频差过电压；如果产生铁磁谐 振，则会出现更高的过电压。 13 单相接地时的工频过电压 (1)工频稳态过电压。 当系统发生单相接地故障时，变压器中性点亦 会受到工频电压升高的作用。其工频过电压的大小 取决于作用在变压器上的零序电压，并与系统结 构、运行方式、故障点位置等有关。工频过电压稳 态值最高不超过相电压73kv 。 (2)工频暂态过电压。 当系统发生单相接地故障时，进入稳态前是一 段过渡过程中，由变压器的电感和系统的电容产生 振荡，中性点上产生暂态过电压。工频暂态过电压 最大值为(1518)阪。，其峰值为1858kv 。 (3)弧光接地过电压。 中性点接地系统方式下，单相接地时产生的弧 光过电压值可按25醵。(非故障相)考虑。 2 变压器中性点保护问题的分析 21 变压器中性点保护方式 我国110kv 不接地变压器中性点的绝缘均为分 级绝缘，其绝缘水平见表1。 表1 ”0kv 变压器中性点的绝缘水平 (kv ) 器电压性点标称时耐受电耐受电压 系数为085时 等级 绝缘水平压(峰值)雷百河吾哥短开工顼 耐受电压峰值耐受电压 i 10 3518085153723 44250952125 808 603251402765 119 根据d lt620- 1997规程规定，中性点应安装 间隙及避雷器作为保护。 根华北和广东电科院对不同间隙的工频放电 z意耥 电压和负极性50雷电放电电压进行的大量测试， 间隙选择要求是：工频平均放电电压应低于中性点 的工频耐压，高于系统单相接地时中性点的最高工 频过电压；50雷电放电电压应低于中性点的雷电 冲击耐压并留有裕度，在保证保护裕度的情况下， 应尽量加大间隙，减少动作次数。避雷器选择要求 是：其冲击残压应低于中性点的雷电冲击耐压并留 有一定的裕度，等效工频电压值应不低于中性点可 能出现的最大工频过电压，否则必须并联间隙。 我国电力部门110kv 不接地变压器中性点的 保护方式均按表2配置，大多变压器中性点的保护 是采用间隙与避雷器并联的方式。 表2各绝缘等级的变压器中性点保护方式 绝缘等单独间隙单独避雷器 | 日j隙与避雷器并联 级kv譬怕m隙m距 的型号 暑隙m距m避雷器型号 禹离 4 22 间隙与避雷器并联保护存在的问题 变压器中性点保护采用间隙与避雷器并联方式 在国内已使用多年。由于间隙的放电电压多受环 境、地理和气候等因素的影响，存在很大的偏差，从 90年代起就不断发生因线路雷击后主变间隙动作致 使主变零序保护误动、非雷击线路零序保护误动( 该 线路供电的主变间隙动作致使线路零序保护误动)等 事故。 通过统计分析，变压器中性点保护采用间隙与 避雷器并联方式主要存在以下问题： ( 1) 中性点间隙放电导致绝缘薄弱的主变中性 点匝间短路； ( 2) 主变零序保护动作，导致主变跳闸甚至全 站失电； ( 3) 系统发生接地故障，使全系统中性点间隙 同时放电，非故障线路零序阻抗下降，导致非故障 线路零序保护误动，扩大故障范围； ( 4) 接地主变失地和保护间隙的距离具有分散 性，造成中性点避雷器通流能力不足而爆炸，并危 及其他设备； ( 5) 线路遭雷击后，造成主变中性点接地引下 线烧断，扩大了事故； ( 6) 不接地变压器中性点的绝缘水平要求比直 接接地时高得多，从而大幅提高了变压器的造价。 一些单位采取加大间隙的尺寸或延长零序保护 时间等措施，仍不能解决上述问题。随着电网规模 一9一 z 专题讨论 huant i taoi un 电力安全技术 第10卷(2008年第9期) 的不断增大，单相短路电流也不断增加，甚至接近 或超过断路器的遮断容量，使变压器中性点有效接 地方式出现避雷器难选、间隙难选和继电保护难整 定等问题。 3 中性点经小电抗接地的保护方式 31 中性点经小电抗接地方式的优点 ( 1) 使变压器中性点过电压大幅下降( 110kv 变 压器中性点绝缘水平由60kv级降至25kv级)。 (2)降低变压器的造价。 (3)避免变压器的失地现象，提高供电可靠性。 ( 4) 避免因间隙动作造成变压器和非故障线路 的误动作。 (5)降低系统单相短路电流，提高设备安全陛。 32接地小电抗的参数选择 变电站每台变压器的中性点都经小电抗接地 后，全站的等效零序阻抗发生变化，将会影响变压 器的单相短路电流值，进而影响系统继电保护定值 的选择。这是选择接地电抗值的前提，同时还需考 虑主变投运台数对等效零序阻抗的影响，以及确保 变压器经受的单相短路电流在其允许的范围内(2 s 热稳定) 。可采用站内等效零序阻抗不变的方式来选 择电抗值，使系统的继电保护定值保持不变。图l 为以2台变压器为例的变电站主变零序阻抗及其接 地电抗调档时的结线示意。 图12台主变中性点串联电阻的结线不意 图l中乞为变压器的零序阻抗( q 相) ，中性 点上的等值阻抗为磊3，n 为变压器的中性点；厶 为外接电抗( 厶为磊3) ，用于限制主变压器单相短 路电流；厶也为外接电抗( 厶为2zj3)。当2台主变 并联运行时，串人1个厶接地，以使变电站的等效 零序阻抗值不随变压器运行台数改变；当3台主变 并联运行时，再串入1个厶接地。不同台数变压器 运行时，通过调档开关( k k k k 。等)的投 一口一 切，可保持等效零序阻抗值不变。变压器运行台数 与调档开关的位置关系如表3所示。 表3变压器运行台数与调档开关的位置关系 变压器运行状态 1台 变压器运行厶数2台 开关状态 k：及k：分k“ i2及k2“23“) “ a ，凸za 7丁- 外加电抗 1组l i2组ll+l2 中性点等效阻抗 z。2zo 銮皇茎主丝盛董鏊里垫 刍刍 由于目前变电站都是无人值班，采用智能化自 动装置后，调档开关可按变压器运行的台数进行自 动切换。 33对小电抗的技术要求 ( 1) 具有良好的线性特性。系统发生单相接地 故障时，接地阻抗的随机性会使变压器中性点的电 压也随机，且在较大范围内变化。因此，如果接地 小电抗具有良好的线性伏安特性，能使整个系统参 数不发生随机变化。 (2)绝缘水平。110kv 主变中性点可采用35 kv 级绝缘水平，小电抗的绝缘水平也可用35kv 级，并 且由于有充分的裕度，可省去避雷器。 ( 3) 具有良好的热稳定性和动稳定性。接地小 电抗在流过接地短路电流时会产生较大的电动力， 结构设计时应考虑这一问题。变压器的热稳定时间 一般为2s，因而小电抗在流过最大单相短路电流 时，也应以2s时间来考虑其热稳定。 4结束语 110kv 主变中性点接地方式会直接影响主变及 线路的安全运行，在某些故障或操作下会受到较高 的操作暂态和工频过电压的作用。主变中性点采用 经小电抗接地的保护方式后，可以降低变压器中性 点的过电压和直