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输变电工程设计:110kV、220kV变压器中性点放电间隙配置原则

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-03-12  浏览次数:2920

一、放电间隙的原理与作用

放电间隙的工作原理:在正常情况下,带电部分与大地被间隙隔开,而当通过过电压时,间隙被击穿,过电流就被泄入大地,使线路绝缘子或其他电气设备的绝缘不致发生闪络。放电间隙是最简单的过电压保护装置,构造简单,成本低,容易维护,但保护特性较差。由于放电间隙熄弧能力差。放电间隙动作主要由于以下几种原因造成:(1)雷击造成;(2)雷击后造成系统发生单相接地故障,即大气过电压和内部过电压共同作用;(3)内部过电压。

我国110kV及以上电力系统为中性点有效接地系统,但是不是所有的110kV及以上电压等级的变压器中性点都要直接接地,因为考虑到系统短路容量的问题,如果全部接地,系统短路容量太大,断路器切很难断故障电流,因此要部分直接接地,不接地的变压器中性点要采取间隙保护措施,间隙一般串联电流互感器,当间隙放电时用零序电流来启动变压器后备保护,跳开各侧断路器,保护变压器。中性点有效接地系统所使用的变压器为分级绝缘结构,即变压器绕组中性点的绝缘水平低于绕组端部绝缘水平,按国家标准GB311《高压输变电设备的绝缘配合》规定:见下表

在有效接地系统中,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,将部分变压器中性点不直接接地运行,形成局部不接地系统。

对于有效接地系统,变压器中性点是直接接地的,其中性点不需要采取过电压保护措施,而对中性点不接地的变压器,中性点绝缘就必须采取过电压保护。当雷电波从线路侵入变电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暂态过电压,对分级绝缘变压器中性点构成威胁,甚至使绝缘损坏。因此,对局部不接地系统的变压器中性点的过电压保护需采用氧化锌避雷器加并联间隙的保护方式。

变压器中性点配置的放电间隙和避雷器都是为了防止由于过电压造成中性点绝缘损坏。但二者不尽相同。变压器,中性点产生过电压分为内部过电压和外部侵人造成过电压2种。由于谐振过电压和操作过电压可以通过一些有效的措施解决,变压器中性点的内部过电压主要是指工频过电压,即系统发生单相接地时,中性点产生的位移电压。外部侵人过电压是指雷击过电压。

当避雷器和放电间隙并联使用时,间隙的配置同时要考虑变压器的冲击放电电压和工频耐压水平,放电间隙用来防止内部过电压,避雷器用来防止雷击过电压。

在变压器中性点放电间隙和避雷器配合使用时,应满足如下要求:

(1)、当变压器中性点电压达到或超过其工频耐受电压时,放电间隙应能可靠动作,从而在工频过电压时,起到保护变压器中性点绝缘的作用。

(2)、保护间隙的放电电压应大于因电网一相接地而引起的中性点电位升高的暂态值,以免继电保护不能正确动作。

(3)、当大气过电压时,尽量由避雷器保护变压器,棒-棒间隙不应动作,防止棒一棒间隙频繁击穿。这就要求避雷器要比棒一棒间隙灵敏得多。

(4)、避雷器的灭弧电压应大于因电网一相接地而引起的中性点电位升高的稳态值U0,防止避雷器爆炸。目前,电网中已经广泛应用氧化锌避雷器,对于氧化锌避雷器来说,由于没有间隙,不存在灭弧电压这个参数,只要求额定电压大于Uo即可。

二、相关规范中对变压器中性点保护配置的要求

2.1、《继电保护和安全自动装置技术规程GB/T14285-2006》第4.3.8条

4.3.8、在110kV、220kV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,应按下列规定装设后备保护:

4.3.8.1、全绝缘变压器

应按4.3.7.1条(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。)规定装设零序过电流保护,满足变压器中性点直接接地运行的要求。此外,应增设零序过电压保护,当变压器所连接的电力网失去接地中性点时,零序过电压保护经0.3s~0.5s时限动作断开变压器各侧断路器。

4.3.8.2、分级绝缘变压器

为限制此类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。用于中性点直接接地运行的变压器按4.3.7.1条的规定装设保护。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0.3s~0.5s时限动作断开变压器各侧断路器。

2.2、《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范GB/T50064-2014》第4.1.4条:

4.1.4、设计时应避免110kV及220kV有效接地系统中偶然形成局部不接地系统产生较高的工频过电压,其措施应符合下列要求:

1、当形成局部不接地系统,且继电保护装置不能在一定时同内切除110kV或220kV变圧器的低、中压电源时,不接地的变压器中性点应装设间隙。当因接地故障形成局部不接地系统时,该间隙应动作;系统以有效接地系统运行发生单相接地故障时,间隙不应动作。间隙距离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。

2、当形成局部不接地系统,且继电保护装置设有失地保护可在一定时问内切除110kV及220kV变压器的三次、二次绕组电源时,不接地的中性点可装设无间隙金属氧化物避雷器(MOA),应验算其吸收能量。该避雷器还应符合雷电过电压下保护变压器中性点标准分级绝缘的要求。

2.3、《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》第14.3条防止变压器过电压事故

14.3.1、切合 110kV 及以上有效接地系统中性点不接地的空载变压器时,应先将该变压器中性点临时接地。

14.3.2、为防止在有效接地系统中出现孤立不接地系统并产生较高工频过电压的异常运行工况,110~220kV 不接地变压器的中性点过电压保护应采用棒间隙保护方式。对于110kV变压器,当中性点绝缘的冲击耐受电压185kV 时,还应在间隙旁并联金属氧化物避雷器,间隙距离及避雷器参数配合应进行校核。间隙动作后,应检查间隙的烧损情况并校核间隙距离。

三、变压器中性点保护原理

3.1、变压器中性点保护配置方式

110~220kV电力变压器通常都是按图1装设后备保护。

图1变压器中性点直接接地运行接线

1)、零序电流保护

变压器中性点刀闸闭合时(即中性点接地)。变压器零序电流保护是由专门零序电流互感器以及各电压等级的电压互感器采集零序电流和电压源。

2)、中性点间隙保护

电压等级为 110kV 及 110kV以上的变压器中性点间隙保护,应用零序电流继电器与零序电压继电器并联模式,带有0.3~0.5s的时限构成。当接地部分突发故障使得放电间隙放电时,有间隙零序电流通过,使放电间隙接地一端的间隙电流互感器的零序电流继电器动作;若放电间隙不放电,则利用零序电压继电器动作。间歇性弧光接地时,间隙保护公用的时间元件,避免其中途回返,确保间隙接地保护有效。

3.2、变压器两种中性点接地方式下故障电流分析

1)、中性点直接接地运行 闭合中性点刀闸时,系统出现不对称接地故障,故障零序电流从中性点刀闸形成回路流过,主变中性点零序电流互感器为保护装置采集故障电流I0。而间隙电流互感器无电流通过,未执行保护动作,详见图1。

2)、主变中性点经间隙接地运行 如图2所示,切断中性点刀闸时,主变中性点经间隙接地。安装在间隙保护部位间隙电流互感器。系统出现接地故障后,间隙被击穿,通过安装在间隙保护部位间隙电流互感器产生间隙零序电流IJ0,最后间隙零序保护动作将故障切除。若间隙未被击穿,则由过电压保护动作将变压器切掉。

图2 变压器中性点经间隙接地运行接线


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