變壓器停送電操作之變壓器中性點接地刀閘投退分析

1、變壓器停送電操作之變壓器中性點接地刀閘投退分析摘要: 我國 110 kV 及以上電壓等級的電力變壓器一般采取中性點直接接地的運行方式， 此時變壓器中性點附近的繞組對地電壓比較低， 不易發(fā)生絕緣故障， 達到了節(jié)約制造成本的 目的。這樣，一旦中性點產(chǎn)生過電壓，就直接威脅變壓器中性點的絕緣。為防止此類事件的 發(fā)生，在變壓器停、送電操作時，都要推上變壓器中性點接地刀閘，防止操作時斷路器三相 不同期分、合閘產(chǎn)生過電壓而損壞變壓器。1.變壓器中性點絕緣水平我國變壓器中性點絕緣分為兩種：一種為全絕緣，另一種為半絕緣。全絕緣：變壓器首端與尾端絕緣水平一樣的稱為全絕緣， 多用在 110 kV 以下電壓等級 的電

2、力變壓器。半絕緣：半絕緣變壓器中性點的絕緣水平比繞組首端要低，通常只有首端的一半，這些 變壓器一般采取中性點有效接地的運行方式，此時變壓器中性點附近的繞組對地電壓比較 低，不易發(fā)生絕緣故障，因此變壓器中性點的絕緣水平大都設(shè)計得比端部絕緣低，多用在 110 kV 及以上電壓等級的變壓器。2.三繞組變壓器工作原理三相變壓器的每個鐵心柱上，都套著三個同心式繞組，分別為高、中、低壓繞組。高壓 繞組總是排列在最外層，低壓繞組和中壓繞組則可以有不同的排列位置，低壓繞組在中間， 宜作升壓變壓器使用;中壓繞組繞組在中間，宜作降壓變壓器使用。它的工作原理如圖 1 所示。圖 1 三繞組變壓器工作原理3.過電壓對變

3、壓器中性點絕緣的影響： (以切空載變壓器為例)變壓器過電壓有大氣過電壓和操作過電壓兩類。操作過電壓一般為額定電壓的 24.5 倍， 而大氣過電壓可達到額定電壓的 812 倍。 變壓器設(shè)計的絕緣強度一般考慮能承受 2.5 倍的過電壓，中性點的電壓則更低。不論哪一種過電壓，都會導致變壓器鐵芯嚴重飽和，勵 磁電流增大，使鐵芯嚴重發(fā)熱，燒毀變壓器絕緣，特別是中性點絕緣。電網(wǎng)中用斷路器切空變是一種常規(guī)的操作方式。 在這種操作過電壓中， 有可能產(chǎn)生很高 的過電壓。當變壓器瞬時切開的，磁能就轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在轉(zhuǎn)變的過程中就在變壓器上引起過 電壓。 由于操作過電壓的能量來源于電網(wǎng)本身， 所以它的幅值和電網(wǎng)的工頻電

4、壓基本上成正 比，操作過電壓的幅值與電網(wǎng)該處工頻相電壓過電壓的幅值之比，稱為操作過電壓倍數(shù) K。4.變壓器停送電操作時，推上變壓器中性點接地刀閘的必要性切除空載變壓器會產(chǎn)生過電壓：正常運行時，空載變壓器表現(xiàn)為一個勵磁電感。因此， 切除空載變壓器就是切除一個電感性負荷。經(jīng)驗表明，用斷路器切斷大于 100A 以上交流 電流時，磁場能量為零，在切除過程中不會產(chǎn)生過電壓。但切除空載變壓器時，所切除的是 變壓器的空載電流，其值僅為額定電流的 0.5%4%，一般只有幾安到幾十安。斷路器的 滅弧能力顯得異常強大， 從而使空載電流未到零之前就因強制息弧而切斷， 也就是發(fā)生空載 電流的突然“截斷” 。截流后，等

5、值電感中儲藏的磁場能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈戎惦娙莸碾妶瞿芰浚?從而產(chǎn)生了切空載變壓器過電壓。如圖 2 所示圖 2 切空載變壓器過電壓圖 3 切空載變壓器電路根據(jù)上圖分析可知：對于一側(cè)有電源的受電變壓器，當其開關(guān)非全相拉、合時，若其中 性點不接地有以下危險： (1)變壓器電源側(cè)中性點對地電壓最大可達相電壓，這可能損 壞變壓器絕緣; (2)變壓器的高、低壓線圈之間有電容，這種電容會造成高壓對低壓的 “傳遞過電壓” (3)當變壓器高低壓線圈之間電容耦合，低壓側(cè)會有電壓達到諧振條件 ; 時，可能會出現(xiàn)諧振過電壓，損壞絕緣。對于低壓側(cè)有電源的送電變壓器：(1)由于低壓側(cè)有電源，在并入系統(tǒng)前，變壓器高壓側(cè)發(fā)生單相

6、接地，若中性點未接地， 則其中性點對地電壓將是相電壓，這可能損壞變壓器絕緣;(2)非全相并入系統(tǒng)時，在一相與系統(tǒng)相聯(lián)時，由于發(fā)電機和系統(tǒng)的頻率不同，變壓器中 性點又未接地， 該變壓器中性點對地電壓最高將是二倍相電壓， 未合相的電壓最高可達 2.73 倍相電壓，將造成絕緣損壞事故。 所以，在投、切空載變壓器時，必須合上變壓器中性點 地刀閘，只有這樣，才能保證變壓器中性點絕緣不被破壞。對于 220KV 變壓器從中壓側(cè)向系統(tǒng)送電時，必須同時合上變壓器中、高壓側(cè)中性點接 地刀閘。因為，變壓器的變比 K=U1/U2=220/110=2，當合中壓側(cè)開關(guān)時，產(chǎn)生的過電 壓是其額定相電壓的 2.5 倍時，則高

7、壓側(cè)就變?yōu)?5 倍的相電壓，這是變壓器高壓側(cè)中性點 無法承受的，所以，也必須推上變壓器高壓側(cè)中性點地刀閘，只有這樣，才能保證變壓器中 性點絕緣不被破壞。5.中性點對繼電保護的影響110kv 及以上系統(tǒng)中性點直接接地電網(wǎng)中低壓側(cè)有電源的變壓器，中性點可能直接接 地運行，也可能不接地運行。對這類變壓器，應(yīng)當裝設(shè)反應(yīng)單相按地的零序電流保護，用以 在中性點接地運行時切除故障; 還應(yīng)當裝設(shè)專門的零序電流電壓保護， 用以在中性點不接地 運行時切除故障。保護方式對不同類型的變壓器又有所不同，下面分別予以說明。5.1 全絕緣的變壓器當變壓器低壓側(cè)有電源且中性點可能不接地運行時， 還應(yīng)增設(shè)零序過電壓保護。 電

8、根據(jù) 力設(shè)備過電壓保護設(shè)計技術(shù)規(guī)程SDJ 7-79，對于直接接地系統(tǒng)的全絕緣變壓器， 內(nèi)過 電壓計算一般為 3Uxg(Uxg-最高運行相電壓) 。當電力網(wǎng)中失去接地中性點并且發(fā)生弧 光接地時，過電壓值可達到 3.0Uxg， 因此不會損害變壓器中性點絕緣;但在個別情況下， 弧光接地過電壓值可達到 3.5Uxg，仍有損壞變壓器的危險。由于一分鐘工頻耐壓大于等于 3.0Uxg，所以在 3.5Uxg 電壓下仍允許一定時間，裝設(shè)零序過電壓保護經(jīng) 0.5s 延時切 除變壓器， 可以防止變壓器遭受弧光接地過電壓的損害。其次，在非直接接地電力網(wǎng)中， 切除單相接地空載線路產(chǎn)生的操作過電壓，可能達到 4.0Uxg

9、 及以上。電網(wǎng)中失去接地中 性點且單相接地時，以 0.5s 延時迅速切除低壓側(cè)有電源的變壓器， 還可以在某些情況下 避免電力設(shè)備遭受上述操作過電壓的襲擊。在電力網(wǎng)存在接地中性點且發(fā)生單相接地時， 零序過電壓保護不應(yīng)動作。 動作值應(yīng)按這 一條件整定。當接地系數(shù) X0/X13 時。故障點零序電壓小于等于 0 .6Uxg，因此，一 般可取動作電壓力 180V。當實際系統(tǒng)中 X0/X1<3 時，也可取與實際 X。/X1 值相對應(yīng) 的低于 180V 的整定值。5.2 分級絕緣的變壓器。對于中性點可能接地或不接地運行的變壓器， 中性點有兩種接地方式： 裝設(shè)放電間隙和 不裝設(shè)放電間隙。這兩種接地方式的

10、變壓器，其零序保護也有所不同。(1)中性點裝設(shè)放電間隙。放電間隙的選擇條件是：在一定的 X0/X1 值下，躲過單相接地 暫態(tài)電壓。一般 X0/X13，此時， 按躲過單相接地暫態(tài)電壓整定的間隙值，能夠保護變 壓器中性點絕緣免遭內(nèi)過電壓的損害， 當電力網(wǎng)中失去接地中性點且單相接地時， 間隙放電。 對于中性點裝設(shè)放電間隙的變壓器， 要裝設(shè)零序電流保護， 用于在中性點接地運行時切除故 障。此外，還應(yīng)當裝設(shè)零序電流電壓保護，用于在間隙放電時及時切除變壓器，并作為間隙 的后備，當間隙拒動時用以切除變壓器。 零序電流電壓保護由電壓和電流元件組成，當間 隙放電時，電流元件動作;拒動放電時，電壓元件動作。電流或

11、電壓元件動作后，經(jīng) 0.5s 時限切除變壓器。 零序電壓元件的動作值的整定與本條第一款零序過電壓保護相同。零序 電流元件按間隙放電最小電流整定，一般取一次動作電流為 100A。采用上述零序電流保護 和零序電流電壓保護時，首先切除中性點接地變壓器，當電力網(wǎng)中失去接地中性點時，靠間 隙放電保護變壓器中性點絕緣，經(jīng) 0. 5s 延時再由零序電流電壓保護切除中性點不接地的 變壓器。采用這種保護方式，好處是比較簡單，但當間隙拒動時，則靠零序電流電壓保護變 壓器，在 0.5s 期間內(nèi)，變壓器要承受內(nèi)過電壓，如系間歇電弧接地，一般過電壓值可達 3.0Uxg， 個別情況下可達 3.5Uxg，變壓器有遭受損害的

12、可能性。(2)中性點不裝設(shè)放電間隙。對于中性點不裝設(shè)放電間隙的變壓器，零序保護應(yīng)首先切除中 性點不接地變壓器。此時，可能有兩種不同的運行方式：一是任一組母線上至少有一臺中性 點接地變壓器，二是一組母線上只有中性點不接地變壓器。對這兩種運行方式，保護方式也 有所不同。采用比較簡單的辦法： 反應(yīng)中性點接地變壓器有零序電流; 中性點不接地變壓器沒有零 序電流和母線上有零序電壓的零序電流電壓保護，其動作時限與相鄰元件單相接地保護配 合;零序電流保護只設(shè)置一段，帶一個時限，時限與零序電流電壓保護配合，以保證首先切 除中性點不接地變壓器。6 結(jié)論為防止過電壓損壞變壓器絕緣，特別是變壓器中性點絕緣，應(yīng)采取以下措施： 切合 110kV 及以上有效接地系統(tǒng)中性點不接地的空載變壓器時，應(yīng)先將該變壓器中性點臨 時接地。 為防止在有效接地系統(tǒng)中出現(xiàn)孤立不接地系統(tǒng)并產(chǎn)生較高工頻過電壓的異常運行工況，110220kV 不接地變壓器的中性點過電壓保護應(yīng)采用棒間隙保護方式。對于 110kV 變壓器，當中性點絕緣的沖擊耐受電壓 185kV 時，還應(yīng)在間隙旁并聯(lián)金屬氧化物避雷器， 間隙距離及避雷器參數(shù)配合應(yīng)進行校核。 間隙動作后， 應(yīng)