110千伏干式變壓器中性點(diǎn)接地方式及零序保護配

在分析干式變壓器零序保護配置的基礎上，對廈門(mén)電網(wǎng)110千伏干式變壓器零序保護設計中的中性點(diǎn)過(guò)電壓、接地方式的控制及安全隱患進(jìn)行了探討，并提出了消除部分中性點(diǎn)棒間隙、提高干式變壓器零序保護配合的措施。關(guān)鍵詞：干式變壓器；中性點(diǎn)；零序保護

變壓器中性點(diǎn)接地方式與零序保護匹配

黃建明(中廈門(mén)361004廈門(mén)電業(yè)局)

本文通過(guò)對變壓器零序保護的分析，對廈門(mén)地區110千伏變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓?jiǎn)?wèn)題、中性點(diǎn)接地方式控制及110千伏變壓器零序保護設計中的安全問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。提出了通過(guò)消除中性點(diǎn)間隙來(lái)提高變壓器零序保護匹配性的解決方案。Keywords:變壓器；中性點(diǎn)；零序保護

1干式變壓器零序保護配置廈門(mén)電網(wǎng)目前全部選用分級絕緣的干式變壓器。在多個(gè)干式變壓器并聯(lián)運行的變電站中，主變壓器中性點(diǎn)一般采用局部接地運行方式。對于中性點(diǎn)不接地的干式變壓器，外部故障的后備保護曾經(jīng)是零序互跳保護或中性點(diǎn)間隙保護。1.1零序互跳保護干式變壓器中性點(diǎn)零序過(guò)流動(dòng)作時(shí)，先跳中性點(diǎn)不接地的干式變壓器保護方式，稱(chēng)為零序互跳。如圖1所示，兩臺主變壓器并聯(lián)運行，1號主變壓器中性點(diǎn)接地。K2發(fā)生接地故障時(shí)，1號主變中性點(diǎn)零序過(guò)流保護動(dòng)作，2號主變高低壓側開(kāi)關(guān)較好時(shí)間跳閘，K2故障點(diǎn)被隔離，1號主變恢復正常運行。如果故障點(diǎn)在K1，當2號主變壓器在較好時(shí)限跳閘時(shí)，零序過(guò)流保護將在第二時(shí)限跳閘干式變壓器，排除故障。零序互跳保護的明顯缺點(diǎn)是：選擇性切除故障的概率只有50%；(2)母線(xiàn)故障沒(méi)有選擇性，會(huì )擴大停電范圍；零序過(guò)流保護的時(shí)間整定必須與主相之間的保護協(xié)調，不利于保護整定的協(xié)調；互跳試驗只能在兩臺干式變壓器同時(shí)停機時(shí)進(jìn)行，因為門(mén)檻苛刻，二次接線(xiàn)容易出錯。

圖1干式變壓器并聯(lián)運行示意圖

1.2干式變壓器中性點(diǎn)間隙保護為了克服上述缺點(diǎn)，福建省電力調度公司閩電繼電器[1998]165號文件要求將220 kV主變壓器110 kV側零序互跳保護改為間隙保護。間隙保護的方法是在干式變壓器中性點(diǎn)安裝放電間隙和間隙電流互感器，由母線(xiàn)電視開(kāi)三角形零序過(guò)壓保護組成。如圖1所示，仍有兩臺主變壓器并聯(lián)運行，1號主變壓器中性點(diǎn)接地。K2點(diǎn)接地時(shí)，1號主變中性點(diǎn)零序過(guò)流保護較好時(shí)間跳100母線(xiàn)開(kāi)關(guān)，I段母線(xiàn)與故障點(diǎn)隔離，1號主變恢復正常運行。100母線(xiàn)斷路器跳閘后，K2故障點(diǎn)依然存在，2號主變中性點(diǎn)間隙電流保護或零序過(guò)電壓保護跳閘干式變壓器實(shí)現故障隔離。同樣，K1點(diǎn)接地時(shí)，1號主變中性點(diǎn)零序過(guò)流保護較好時(shí)間跳閘100母線(xiàn)分支開(kāi)關(guān)，2號主變與故障點(diǎn)隔離，可繼續運行。但K1故障點(diǎn)依然存在，1號主變零序過(guò)流保護繼續在第二時(shí)限跳閘干式變壓器，排除故障。因此，采用間隙保護的明顯優(yōu)點(diǎn)是：(1)作為干式變壓器本體的設備保護，不需要與其他保護配合，整定簡(jiǎn)單；動(dòng)作過(guò)程有選擇性，只隔離故障部分，不會(huì )擴大停電范圍。本文件只要求將220 kV主變壓器110 kV側零序互跳保護改為間隙保護，但沒(méi)有規定110 kV干式變壓器零序保護的接地方式和配置。對于不同接線(xiàn)類(lèi)型的110千伏變電站，如何控制干式變壓器中性點(diǎn)接地方式——如何配置零序保護——特別是如何在110千伏系統中正確應用干式變壓器中性點(diǎn)間隙保護——以廈門(mén)電網(wǎng)110千伏系統為例，對上述問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。2廈門(mén)電網(wǎng)110千伏系統接線(xiàn)及保護配置特點(diǎn)廈門(mén)地區110千伏系統接線(xiàn)特點(diǎn)以輻射狀為主，以220千伏變電站為供電點(diǎn)，通過(guò)110千伏線(xiàn)路輻射到各終端變電站。110千伏終端變電站采用內部橋式接線(xiàn)或干式變壓器組接線(xiàn)，低壓側無(wú)電源。如圖2所示，在具有內部橋連接的變電站中，在正常操作模式下，100總線(xiàn)子開(kāi)關(guān)不被用作線(xiàn)路103和104的連接元件。因此，帶內橋接線(xiàn)的變電站通常只有兩種運行方式：一條線(xiàn)路帶兩個(gè)主變壓器或兩條線(xiàn)路帶一個(gè)干式變壓器。一線(xiàn)兩變運行方式下，兩臺主變壓器只需一個(gè)中性點(diǎn)接地，但必須通過(guò)110 kV供電線(xiàn)路側干式變壓器中性點(diǎn)接地，這一點(diǎn)非常重要。內橋接線(xiàn)變電站干式變壓器電流零序保護配置 #p#分頁(yè)標題#e#

為：中性點(diǎn)零序電流保護較好時(shí)限跳100和900母分；第二時(shí)限跳本干式變壓器；同時(shí)，干式變壓器中性點(diǎn)裝設棒間隙，但沒(méi)有配置間隙TA以及開(kāi)三角電壓保護。

圖2 內橋接線(xiàn)變電站示意圖

為了節省投資、占地，節約110 kV線(xiàn)路空中走廊等原因，新建設的110 kV變電站較多采用線(xiàn)路-干式變壓器組接線(xiàn)，而且1條線(xiàn)路可“T”接2臺甚至3臺干式變壓器，干式變壓器零序保護僅有中性點(diǎn)零序過(guò)電流保護，沒(méi)有配置中性點(diǎn)間隙電流保護以及110 kV TV開(kāi)三角零序電壓保護(主變110 kV側只有單相線(xiàn)路TV)。由于零序保護配置不夠完整，在多臺“T”接的線(xiàn)路-干式變壓器組接線(xiàn)中，各干式變壓器中性點(diǎn)仍全部接地運行。但是，干式變壓器中性點(diǎn)全部接地運行對系統具有一定的負面影響。 (1) 在部分線(xiàn)路或干式變壓器檢修、停運以及系統運行方式變化時(shí)，零序網(wǎng)絡(luò )及零序阻抗值發(fā)生較大的變化，各支路零序電流大小及分布也會(huì )產(chǎn)生較大的變化。從保護整定配合出發(fā)，則要求保持變電站零序阻抗基本不變。 (2) 在干式變壓器投入運行或線(xiàn)路重合閘過(guò)程中，有時(shí)會(huì )使在同一線(xiàn)路上運行的中性點(diǎn)接地干式變壓器產(chǎn)生由勵磁涌流引起的，幅值較大而且衰減較慢，并帶有較大直流分量的零序電流。較容易造成送電不成功或重合閘不成功。 (3) 干式變壓器中性點(diǎn)全部接地，使系統零序阻抗大幅度降低，由此造成不對稱(chēng)接地故障短路電流明顯增大。在廈門(mén)地區，因為雷擊、不對稱(chēng)接地故障干擾二次設備，造成保護裝置誤動(dòng)以及損壞通信設備的事故仍時(shí)有發(fā)生。因此，有效接地系統中應盡量采用部分干式變壓器中性點(diǎn)接地方式，以限制單相接地短路電流，降低對通信系統的干擾。3 110 kV干式變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓水平計算 對于各種不同接線(xiàn)類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )，從接地故障復合序網(wǎng)可知，單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)穩態(tài)零序電壓為

(1)

兩相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)穩態(tài)零序電壓為

(2)

從(1)，(2)式可以看出，不對稱(chēng)接地故障時(shí)產(chǎn)生的零序電壓取決于系統零序阻抗Z0與正序阻抗Z1之比。當Z0/Z1增大時(shí)，接地故障時(shí)產(chǎn)生的零序電壓亦相應增大。在電力系統中，有效接地系統的劃分標準為：在各種條件下，應使零序阻抗與正序阻抗之比為正值且 3；當Z0/Z1≥3甚至Z0=∞時(shí)，則成為非有效接地系統。對于某一具體電網(wǎng)而言，在不對稱(chēng)接地故障時(shí)，如果零序電流無(wú)法形成通路，亦即在該網(wǎng)絡(luò )中所有干式變壓器同時(shí)失去接地中性點(diǎn)時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )就成為局部不接地系統，Z0=∞。從(1)式可知，不接地系統發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)零序電壓等于系統故障前相電壓Uφ。 通過(guò)對不對稱(chēng)故障正序、零序網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析可知，在110 kV系統中，只要保證電源端干式變壓器中性點(diǎn)有效接地，那么在各種條件下，零序阻抗與正序阻抗之比一定小于3。具體到廈門(mén)地區，只要保證220 kV干式變壓器110 kV側中性點(diǎn)有效接地，那么以該干式變壓器配出的110 kV網(wǎng)絡(luò )就一定是有效接地系統，Z0/Z1 3。若以Z0/Z1=3、系統相電壓U=73.0 kV代入(1)式可以算出在單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)零序U0為43.8 kV。因此，在110 kV有效接地系統中，不接地干式變壓器中性點(diǎn)較大對地偏移電壓 43.8 kV，小于分級絕緣干式變壓器中性點(diǎn)的設計耐壓值。 由此可以得出結論：對于目前廈門(mén)地區110 kV系統，在保證220 kV干式變壓器110 kV側中性點(diǎn)有效接地的情況下，各110 kV終端干式變壓器中性點(diǎn)是否接地與系統及干式變壓器本體的安全運行沒(méi)有關(guān)系。4 110 kV干式變壓器零序保護存在的問(wèn)題 在有效接地系統中，干式變壓器中性點(diǎn)對地偏移電壓被限制在一定的水平，中性點(diǎn)間隙保護不會(huì )產(chǎn)生作用。配置間隙保護的目的，是為了防止非有效接地系統中零序電壓升高對干式變壓器絕緣造成的危害。只有當系統發(fā)生單相接地故障，有關(guān)的中性點(diǎn)直接接地干式變壓器全部跳閘，而帶電源的中性點(diǎn)不接地干式變壓器仍保留在故障電網(wǎng)中時(shí)，放電間隙才放電，以降低對地電壓，避免對干式變壓器絕緣造成危害。間隙擊穿會(huì )產(chǎn)生截波，對干式變壓器匝間絕緣不利，因此，在單相接地故障引起零序電壓升高時(shí)，我們更希望由零序過(guò)電壓保護完成切除干式變壓器的任務(wù)。相反，間隙電流保護則存在一定程度的偶然性，可能因種種原因使間隙電流保護失去作用，從這個(gè)意義講，對于保護干式變壓器中性點(diǎn)絕緣而言，零序過(guò)電壓保護比間隙電流保護更重要，零序過(guò)電壓保護通常和間隙電流保護一起共同構成干式變壓器中性點(diǎn)絕緣保護。所以?xún)H設置間隙電流保護而沒(méi)有零序過(guò)電壓保護是不夠完善的，特別是當間歇性擊穿時(shí)，放電電流無(wú)法持續，間隙電流保護將不起作用。 目前已經(jīng)投運的110 kV變電站，大多數只裝設中性點(diǎn)棒間隙而沒(méi)有相應的保護，這種配置有弊無(wú)利，當電網(wǎng)零序電壓升高到接近額定相電壓時(shí)，所有中性點(diǎn)不接地的干式變壓器均同時(shí)感受到零序過(guò)電壓。如果沒(méi)有采用間隙過(guò)流保護的終端干式變壓器中性點(diǎn)間隙搶先放電，當無(wú)法持續放電時(shí)，則帶電源的中性點(diǎn)不接地干式變壓器將無(wú)法脫離故障電網(wǎng)。因此，對于低壓側無(wú)電源的終端干式變壓器，如果沒(méi)有配置完整的間隙電流保護及零序過(guò)電壓保護，應解除中性點(diǎn)棒間隙或人為增大間隙距離，避免間隙搶先放電。 對于內橋接線(xiàn)的變電站，中性點(diǎn)接地干式變壓器零序電流較好時(shí)限跳900和100母分不是較佳的方案。由于在低壓側并列運行時(shí)，跳900開(kāi)關(guān)后多損失一段母線(xiàn)，同時(shí)中性點(diǎn)不接地干式變壓器低壓側開(kāi)關(guān)仍運行，在目前沒(méi)有零序過(guò)電壓保護的情況下，若因10 kV轉電等原因存在臨時(shí)低壓電源，則不接地干式變壓器就存在過(guò)電壓的危險。因此，在110 kV側已裝設三相電壓互感器的前提下，增加零序過(guò)電壓保護是簡(jiǎn)便易行的安全措施。5 干式變壓器中性點(diǎn)接地方式控制以及零序保護改進(jìn)措施先先是要確保110 kV系統為有效接地系統。防止誤操作是較根本的辦法，保證電源端干式變壓器110 kV側中性點(diǎn)有效接地。如果保護整定許可，可以將電源側2臺并列運行的干式變壓器中性點(diǎn)同時(shí)接地。 帶電源干式變壓器失去接地中性點(diǎn)后可能成為非有效接地系統，因此，對于電源端干式變壓器或者將來(lái)可能帶電源的干式變壓器，在設計階段就應考慮配置完整的中性點(diǎn)間隙保護，包括中性點(diǎn)零序過(guò)電流保護，中性點(diǎn)間隙電流保護以及母線(xiàn)開(kāi)三角零序電壓保護。 在110 kV饋出線(xiàn)路上，不論并接幾臺干式變壓器，在電源側中性點(diǎn)接地的情況下，各終端干式變壓器中性點(diǎn)可以不接地運行。在實(shí)際運行中，為防止可能出現的不安全因素，可安排其中一臺中性點(diǎn)接地，在選擇接地中性點(diǎn)時(shí)，可按以下順序考慮：先先選擇低壓側臨時(shí)帶電源的干式變壓器，其次考慮高壓側沒(méi)有斷路器的干式變壓器，較后選擇離電源端距離較短的干式變壓器中性點(diǎn)接地即可。 已經(jīng)投入運行的大部分110 kV終端變電站，由于目前尚未配置母線(xiàn)TV開(kāi)三角零序電壓保護以及中性點(diǎn)間隙電流保護，為避免中性點(diǎn)間隙搶先放電，應將原先裝設的中性點(diǎn)棒間隙拆除或人為增大間隙距離。 今后設計的110 kV變電站，高壓側宜考慮采用三相電壓互感器，設置零序過(guò)電壓保護和干式變壓器中性點(diǎn)間隙電流保護。這種配置可以提供靈活的運行方式，適應將來(lái)電網(wǎng)結構的變化。 對于內橋接線(xiàn)變電站，主變中性點(diǎn)零序電流保護較好時(shí)限應切除另一臺不接地干式變壓器，避免擴大停電范圍或者可能出現的工頻過(guò)電壓。#p#分頁(yè)標題#e#

作者簡(jiǎn)介：黃堅明(1965-)，男，工程師，繼電保護專(zhuān)責，曾從事繼電保護調試、設計、運行管理等工作。

作者單位：(廈門(mén)電業(yè)局，福建 廈門(mén) 361004)