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北极星电力网技术频道 作者:黄坚明 2010/5/20 18:59:52
摘要： 在分析变压器零序保护配置的基础上，对110 kV变压器中性点过电压问题、接地方式的控制以及目前厦门电网110 kV变压器零序保护设计存在的安全隐患等进行了初步探讨，提出拆除部分中性点棒间隙，改善变压器零序保护配合的措施。
关键词： 变压器； 中性点； 零序保护
Neutral Point Ground Type and Zero-Sequence Protection Matching on Transformers
HUANG Jian-mingAbstract: By analyzing on zero-sequence protection of transformers,this essay gives a pilot study on the problem of over-voltage at neutral point of 110 kV transformers,the neutral point grounding type control and the safety problem in the design of zero-sequence protection of 110 kV transformers in Xiamen area.It provides a solution by removing some neutral point gaps to improve the matching of zero-sequence protection on a transformer.
Keywords: transformer; neutral point; zero-sequence protection
1 变压器零序保护配置
厦门电网目前全部选用分级绝缘变压器，在多台变压器并列运行的变电站，主变中性点一般采用部分接地的运行方式。对于中性点不接地的变压器，其外部故障的后备保护，过去采用零序互跳保护或中性点间隙保护两种方法。
1.1 零序互跳保护
变压器中性点零序过电流动作时先跳开中性点不接地变压器的保护方式， 称为零序互跳。如图1， 2台主变并列运行， 1号主变中性点接地， 当K2点发生接地故障时， 1号主变中性点零序过流保护动作， 第一时限跳2号主变高低压侧开关， K2故障点被隔离， 1号主变恢复正常运行。如果故障点在K1处， 当第一时限跳开2号主变后，零序过流保护第二时限跳本变压器， 切除故障。零序互跳保护显而易见的缺点是： ①有选择性切除故障的概率只有50%；②母线故障时没有选择性， 会扩大停电范围； ③零序过流保护时间整定必须和主变相间保护配合， 对保护整定配合不利； ④必须在2台变压器同时停运时才能进行互跳试验， 条件苛刻， 二次接线容易错误。
图1 变压器并列运行示意图
1.2 变压器中性点间隙保护
为了克服上述缺点，福建省中调闽电调继［1998］165号文要求将220 kV主变110 kV侧零序互跳保护改为间隙保护。间隙保护采用的方法是在变压器中性点加装放电间隙及间隙电流互感器，并与母线TV开口三角零序过电压保护共同组成。如图1，仍为2台主变并列运行，1号主变中性点接地。当K2点接地故障时，1号主变中性点零序过流保护第一时限跳100母分开关，Ⅰ段母线与故障点隔离，1号主变恢复正常运行。100母分开关跳闸后，K2故障点仍存在，由2号主变中性点间隙电流保护或零序过电压保护动作跳本变压器，实现故障隔离。同样，当K1点接地故障时，1号主变中性点零序过流保护第一时限跳开100母分开关，2号主变与故障点隔离，可以继续运行。但K1故障点仍存在，1号主变零序过流保护第二时限继续跳开本变压器，消除故障。因此，采用间隙保护明显的优点是：①作为变压器本体的设备保护，无需和其他保护配合，整定简单；②动作过程具有选择性，只隔离故障部分，不会扩大停电范围。
该文件中仅要求将220 kV主变110 kV侧零序互跳保护改为间隙保护，但没有明确110 kV变压器接地方式及零序保护的配置，对于不同接线类型的110 kV变电站，变压器中性点接地方式应如何控制-零序保护应如何配置-特别是变压器中性点间隙保护，在110 kV系统中应如何正确运用-现以厦门电网110 kV系统为例，对上述问题进行初步的探讨。
2 厦门电网110 kV系统接线与保护配置特点
厦门地区110 kV系统接线特点是以放射状为主，以220 kV变电站为电源点，通过110 kV线路向各终端变电站辐射。110 kV终端变电站则采用内桥接线或线路-变压器组接线方式，低压侧无电源。
如图2所示内桥接线变电站，在正常运行方式下，100母分开关不作为103和104线路的联络元件。因此，内桥接线变电站通常只有两种运行方式：1条线路带2台主变运行或2条线路各带1台变压器运行。在1线带2变运行方式下，2台主变只要有1台中性点接地即可，但必须由靠110 kV供电线路侧的变压器中性点接地运行，这一点很重要。内桥接线变电站目前的变压器零序保护配置为：中性点零序电流保护第一时限跳100和900母分；第二时限跳本变压器；同时，变压器中性点装设棒间隙，但没有配置间隙TA以及开三角电压保护。
图2 内桥接线变电站示意图
为了节省投资、占地，节约110 kV线路空中走廊等原因，新建设的110 kV变电站较多采用线路-变压器组接线，而且1条线路可“T”接2台甚至3台变压器，变压器零序保护仅有中性点零序过电流保护，没有配置中性点间隙电流保护以及110 kV TV开三角零序电压保护(主变110 kV侧只有单相线路TV)。由于零序保护配置不够完整，在多台“T”接的线路-变压器组接线中，各变压器中性点仍全部接地运行。但是，变压器中性点全部接地运行对系统具有一定的负面影响。
(1) 在部分线路或变压器检修、停运以及系统运行方式变化时，零序网络及零序阻抗值发生较大的变化，各支路零序电流大小及分布也会产生较大的变化。从保护整定配合出发，则要求保持变电站零序阻抗基本不变。
(2) 在变压器投入运行或线路重合闸过程中，有时会使在同一线路上运行的中性点接地变压器产生由励磁涌流引起的，幅值较大而且衰减较慢，并带有较大直流分量的零序电流。较容易造成送电不成功或重合闸不成功。
(3) 变压器中性点全部接地，使系统零序阻抗大幅度降低，由此造成不对称接地故障短路电流明显增大。在厦门地区，因为雷击、不对称接地故障干扰二次设备，造成保护装置误动以及损坏通信设备的事故仍时有发生。因此，有效接地系统中应尽量采用部分变压器中性点接地方式，以限制单相接地短路电流，降低对通信系统的干扰。
3 110 kV变压器中性点过电压水平计算
对于各种不同接线类型的网络，从接地故障复合序网可知，单相接地故障时，故障点稳态零序电压为
(1)
两相接地故障时，故障点稳态零序电压为
(2)
从(1)，(2)式可以看出，不对称接地故障时产生的零序电压取决于系统零序阻抗Z0与正序阻抗Z1之比。当Z0/Z1增大时，接地故障时产生的零序电压亦相应增大。在电力系统中，有效接地系统的划分标准为：在各种条件下，应使零序阻抗与正序阻抗之比为正值且<3；当Z0/Z1≥3甚至Z0=∞时，则成为非有效接地系统。对于某一具体电网而言，在不对称接地故障时，如果零序电流无法形成通路，亦即在该网络中所有变压器同时失去接地中性点时，这个网络就成为局部不接地系统，Z0=∞。从(1)式可知，不接地系统发生单相接地故障时，故障点零序电压等于系统故障前相电压Uφ。
通过对不对称故障正序、零序网络进行简单的分析可知，在110 kV系统中，只要保证电源端变压器中性点有效接地，那么在各种条件下，零序阻抗与正序阻抗之比一定小于3。具体到厦门地区，只要保证220 kV变压器110 kV侧中性点有效接地，那么以该变压器配出的110 kV网络就一定是有效接地系统，Z0/Z1<3。若以Z0/Z1=3、系统相电压U=73.0 kV代入(1)式可以算出在单相接地故障时，故障点零序U0为43.8 kV。因此，在110 kV有效接地系统中，不接地变压器中性点最大对地偏移电压<43.8 kV，小于分级绝缘变压器中性点的设计耐压值。
由此可以得出结论：对于目前厦门地区110 kV系统，在保证220 kV变压器110 kV侧中性点有效接地的情况下，各110 kV终端变压器中性点是否接地与系统及变压器本体的安全运行没有关系。
4 110 kV变压器零序保护存在的问题
在有效接地系统中，变压器中性点对地偏移电压被限制在一定的水平，中性点间隙保护不会产生作用。配置间隙保护的目的，是为了防止非有效接地系统中零序电压升高对变压器绝缘造成的危害。只有当系统发生单相接地故障，有关的中性点直接接地变压器全部跳闸，而带电源的中性点不接地变压器仍保留在故障电网中时，放电间隙才放电，以降低对地电压，避免对变压器绝缘造成危害。间隙击穿会产生截波，对变压器匝间绝缘不利，因此，在单相接地故障引起零序电压升高时，我们更希望由零序过电压保护完成切除变压器的任务。相反，间隙电流保护则存在一定程度的偶然性，可能因种种原因使间隙电流保护失去作用，从这个意义讲，对于保护变压器中性点绝缘而言，零序过电压保护比间隙电流保护更重要，零序过电压保护通常和间隙电流保护一起共同构成变压器中性点绝缘保护。所以仅设置间隙电流保护而没有零序过电压保护是不够完善的，特别是当间歇性击穿时，放电电流无法持续，间隙电流保护将不起作用。
目前已经投运的110 kV变电站，大多数只装设中性点棒间隙而没有相应的保护，这种配置有弊无利，当电网零序电压升高到接近额定相电压时，所有中性点不接地的变压器均同时感受到零序过电压。如果没有采用间隙过流保护的终端变压器中性点间隙抢先放电，当无法持续放电时，则带电源的中性点不接地变压器将无法脱离故障电网。因此，对于低压侧无电源的终端变压器，如果没有配置完整的间隙电流保护及零序过电压保护，应解除中性点棒间隙或人为增大间隙距离，避免间隙抢先放电。
对于内桥接线的变电站，中性点接地变压器零序电流第一时限跳900和100母分不是最佳的方案。由于在低压侧并列运行时，跳900开关后多损失一段母线，同时中性点不接地变压器低压侧开关仍运行，在目前没有零序过电压保护的情况下，若因10 kV转电等原因存在临时低压电源，则不接地变压器就存在过电压的危险。因此，在110 kV侧已装设三相电压互感器的前提下，增加零序过电压保护是简便易行的安全措施。
5 变压器中性点接地方式控制以及零序保护改进措施
首先是要确保110 kV系统为有效接地系统。防止误操作是最根本的办法，保证电源端变压器110 kV侧中性点有效接地。如果保护整定许可，可以将电源侧2台并列运行的变压器中性点同时接地。
带电源变压器失去接地中性点后可能成为非有效接地系统，因此，对于电源端变压器或者将来可能带电源的变压器，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。
在110 kV馈出线路上，不论并接几台变压器，在电源侧中性点接地的情况下，各终端变压器中性点可以不接地运行。在实际运行中，为防止可能出现的不安全因素，可安排其中一台中性点接地，在选择接地中性点时，可按以下顺序考虑：首先选择低压侧临时带电源的变压器，其次考虑高压侧没有断路器的变压器，最后选择离电源端距离最短的变压器中性点接地即可。
已经投入运行的大部分110 kV终端变电站，由于目前尚未配置母线TV开三角零序电压保护以及中性点间隙电流保护，为避免中性点间隙抢先放电，应将原先装设的中性点棒间隙拆除或人为增大间隙距离。
今后设计的110 kV变电站，高压侧宜考虑采用三相电压互感器，设置零序过电压保护和变压器中性点间隙电流保护。这种配置可以提供灵活的运行方式，适应将来电网结构的变化。
对于内桥接线变电站，主变中性点零序电流保护第一时限应切除另一台不接地变压器，避免扩大停电范围或者可能出现的工频过电压。
作者简介：黄坚明(1965-)，男，工程师，继电保护专责，曾从事继电保护调试、设计、运行管理等工作。
作者单位：(厦门电业局，福建 厦门 361004)
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