變壓器停送電操作之變壓器中性點(diǎn)接地刀閘投退分析

1、變壓器停送電操作之變壓器中性點(diǎn)接地刀閘投退分析摘要: 我國(guó) 110 kV 及以上電壓等級(jí)的電力變壓器一般采取中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式， 此時(shí)變壓器中性點(diǎn)附近的繞組對(duì)地電壓比較低， 不易發(fā)生絕緣故障， 達(dá)到了節(jié)約制造成本的 目的。這樣，一旦中性點(diǎn)產(chǎn)生過電壓，就直接威脅變壓器中性點(diǎn)的絕緣。為防止此類事件的 發(fā)生，在變壓器停、送電操作時(shí)，都要推上變壓器中性點(diǎn)接地刀閘，防止操作時(shí)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(diǎn)絕緣水平我國(guó)變壓器中性點(diǎn)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(jí) 的電

2、力變壓器。半絕緣：半絕緣變壓器中性點(diǎn)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(diǎn)有效接地的運(yùn)行方式，此時(shí)變壓器中性點(diǎn)附近的繞組對(duì)地電壓比較 低，不易發(fā)生絕緣故障，因此變壓器中性點(diǎn)的絕緣水平大都設(shè)計(jì)得比端部絕緣低，多用在 110 kV 及以上電壓等級(jí)的變壓器。2.三繞組變壓器工作原理三相變壓器的每個(gè)鐵心柱上，都套著三個(gè)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(duì)變

3、壓器中性點(diǎn)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(dá)到額定電壓的 812 倍。 變壓器設(shè)計(jì)的絕緣強(qiáng)度一般考慮能承受 2.5 倍的過電壓，中性點(diǎn)的電壓則更低。不論哪一種過電壓，都會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵芯嚴(yán)重飽和，勵(lì) 磁電流增大，使鐵芯嚴(yán)重發(fā)熱，燒毀變壓器絕緣，特別是中性點(diǎn)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(dāng)變壓器瞬時(shí)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(shí)，推上變壓器中性點(diǎn)接地刀閘的必要性切除空載變壓器會(huì)產(chǎn)生過電壓：正常運(yùn)行時(shí)，空載變壓器表現(xiàn)為一個(gè)勵(lì)磁電感。因此， 切除空載變壓器就是切除一個(gè)電感性負(fù)荷。經(jīng)驗(yàn)表明，用斷路器切斷大于 100A 以上交流 電流時(shí)，磁場(chǎng)能量為零，在切除過程中不會(huì)產(chǎn)生過電壓。但切除空載變壓器時(shí)，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(qiáng)大， 從而使空載電流未到零之前就因強(qiáng)制息弧而切斷， 也就是發(fā)生空載 電流的突然“截?cái)唷?。截流后，等

5、值電感中儲(chǔ)藏的磁場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈戎惦娙莸碾妶?chǎng)能量， 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(duì)于一側(cè)有電源的受電變壓器，當(dāng)其開關(guān)非全相拉、合時(shí)，若其中 性點(diǎn)不接地有以下危險(xiǎn)： (1)變壓器電源側(cè)中性點(diǎn)對(duì)地電壓最大可達(dá)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(huì)造成高壓對(duì)低壓的 “傳遞過電壓” (3)當(dāng)變壓器高低壓線圈之間電容耦合，低壓側(cè)會(huì)有電壓達(dá)到諧振條件 ; 時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)諧振過電壓，損壞絕緣。對(duì)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(diǎn)未接地， 則其中性點(diǎn)對(duì)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(shí)，在一相與系統(tǒng)相聯(lián)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的頻率不同，變壓器中 性點(diǎn)又未接地， 該變壓器中性點(diǎn)對(duì)地電壓最高將是二倍相電壓， 未合相的電壓最高可達(dá) 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(shí)，必須合上變壓器中性點(diǎn) 地刀閘，只有這樣，才能保證變壓器中性點(diǎn)絕緣不被破壞。對(duì)于 220KV 變壓器從中壓側(cè)向系統(tǒng)送電時(shí)，必須同時(shí)合上變壓器中、高壓側(cè)中性點(diǎn)接 地刀閘。因?yàn)?，變壓器的變?K=U1/U2=220/110=2，當(dāng)合中壓側(cè)開關(guān)時(shí)，產(chǎn)生的過電 壓是其額定相電壓的 2.5 倍時(shí)，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(diǎn) 無法承受的，所以，也必須推上變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)地刀閘，只有這樣，才能保證變壓器中 性點(diǎn)絕緣不被破壞。5.中性點(diǎn)對(duì)繼電保護(hù)的影響110kv 及以上系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)中低壓側(cè)有電源的變壓器，中性點(diǎn)可能直接接 地運(yùn)行，也可能不接地運(yùn)行。對(duì)這類變壓器，應(yīng)當(dāng)裝設(shè)反應(yīng)單相按地的零序電流保護(hù)，用以 在中性點(diǎn)接地運(yùn)行時(shí)切除故障; 還應(yīng)當(dāng)裝設(shè)專門的零序電流電壓保護(hù)， 用以在中性點(diǎn)不接地 運(yùn)行時(shí)切除故障。保護(hù)方式對(duì)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(dāng)變壓器低壓側(cè)有電源且中性點(diǎn)可能不接地運(yùn)行時(shí)， 還應(yīng)增設(shè)零序過電壓保護(hù)。 電

8、根據(jù) 力設(shè)備過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程SDJ 7-79，對(duì)于直接接地系統(tǒng)的全絕緣變壓器， 內(nèi)過 電壓計(jì)算一般為 3Uxg(Uxg-最高運(yùn)行相電壓) 。當(dāng)電力網(wǎng)中失去接地中性點(diǎn)并且發(fā)生弧 光接地時(shí)，過電壓值可達(dá)到 3.0Uxg， 因此不會(huì)損害變壓器中性點(diǎn)絕緣;但在個(gè)別情況下， 弧光接地過電壓值可達(dá)到 3.5Uxg，仍有損壞變壓器的危險(xiǎn)。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(shí)間，裝設(shè)零序過電壓保護(hù)經(jīng) 0.5s 延時(shí)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(dá)到 4.0Uxg

9、 及以上。電網(wǎng)中失去接地中 性點(diǎn)且單相接地時(shí)，以 0.5s 延時(shí)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(diǎn)且發(fā)生單相接地時(shí)， 零序過電壓保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。 動(dòng)作值應(yīng)按這 一條件整定。當(dāng)接地系數(shù) X0/X13 時(shí)。故障點(diǎn)零序電壓小于等于 0 .6Uxg，因此，一 般可取動(dòng)作電壓力 180V。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)中 X0/X1<3 時(shí)，也可取與實(shí)際 X。/X1 值相對(duì)應(yīng) 的低于 180V 的整定值。5.2 分級(jí)絕緣的變壓器。對(duì)于中性點(diǎn)可能接地或不接地運(yùn)行的變壓器， 中性點(diǎn)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(hù)也有所不同。(1)中性點(diǎn)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(shí)， 按躲過單相接地暫態(tài)電壓整定的間隙值，能夠保護(hù)變 壓器中性點(diǎn)絕緣免遭內(nèi)過電壓的損害， 當(dāng)電力網(wǎng)中失去接地中性點(diǎn)且單相接地時(shí)， 間隙放電。 對(duì)于中性點(diǎn)裝設(shè)放電間隙的變壓器， 要裝設(shè)零序電流保護(hù)， 用于在中性點(diǎn)接地運(yùn)行時(shí)切除故 障。此外，還應(yīng)當(dāng)裝設(shè)零序電流電壓保護(hù)，用于在間隙放電時(shí)及時(shí)切除變壓器，并作為間隙 的后備，當(dāng)間隙拒動(dòng)時(shí)用以切除變壓器。 零序電流電壓保護(hù)由電壓和電流元件組成，當(dāng)間 隙放電時(shí)，電流元件動(dòng)作;拒動(dòng)放電時(shí)，電壓元件動(dòng)作。電流或

11、電壓元件動(dòng)作后，經(jīng) 0.5s 時(shí)限切除變壓器。 零序電壓元件的動(dòng)作值的整定與本條第一款零序過電壓保護(hù)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(dòng)作電流為 100A。采用上述零序電流保護(hù) 和零序電流電壓保護(hù)時(shí)，首先切除中性點(diǎn)接地變壓器，當(dāng)電力網(wǎng)中失去接地中性點(diǎn)時(shí)，靠間 隙放電保護(hù)變壓器中性點(diǎn)絕緣，經(jīng) 0. 5s 延時(shí)再由零序電流電壓保護(hù)切除中性點(diǎn)不接地的 變壓器。采用這種保護(hù)方式，好處是比較簡(jiǎn)單，但當(dāng)間隙拒動(dòng)時(shí)，則靠零序電流電壓保護(hù)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(dá) 3.0Uxg， 個(gè)別情況下可達(dá) 3.5Uxg，變壓器有遭受損害的

12、可能性。(2)中性點(diǎn)不裝設(shè)放電間隙。對(duì)于中性點(diǎn)不裝設(shè)放電間隙的變壓器，零序保護(hù)應(yīng)首先切除中 性點(diǎn)不接地變壓器。此時(shí)，可能有兩種不同的運(yùn)行方式：一是任一組母線上至少有一臺(tái)中性 點(diǎn)接地變壓器，二是一組母線上只有中性點(diǎn)不接地變壓器。對(duì)這兩種運(yùn)行方式，保護(hù)方式也 有所不同。采用比較簡(jiǎn)單的辦法： 反應(yīng)中性點(diǎn)接地變壓器有零序電流; 中性點(diǎn)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(hù)，其動(dòng)作時(shí)限與相鄰元件單相接地保護(hù)配 合;零序電流保護(hù)只設(shè)置一段，帶一個(gè)時(shí)限，時(shí)限與零序電流電壓保護(hù)配合，以保證首先切 除中性點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)不接地的空載變壓器時(shí)，應(yīng)先將該變壓器中性點(diǎn)臨 時(shí)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(yùn)行工況，110220kV 不接地變壓器的中性點(diǎn)過電壓保護(hù)應(yīng)采用棒間隙保護(hù)方式。對(duì)于 110kV 變壓器，當(dāng)中性點(diǎn)絕緣的沖擊耐受電壓 185kV 時(shí)，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(jìn)行校核。 間隙動(dòng)作后， 應(yīng)