110～220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離計(jì)算選擇

110～220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離計(jì)算選擇摘要：根據(jù)過電壓及絕緣配合要求，總結(jié)110～220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙的整定計(jì)算原則，根據(jù)目前電力系統(tǒng)實(shí)際情況，計(jì)算110～220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙可調(diào)范圍值，并提出保護(hù)間隙可調(diào)范圍通用設(shè)計(jì)值，以供設(shè)計(jì)單位及中性點(diǎn)設(shè)備廠家參考。關(guān)鍵詞：變壓器中心點(diǎn)保護(hù)間隙；棒間隙距離；過電壓及絕緣配合中圖分類號(hào)：0

引言電力系統(tǒng)中110～220kV變壓器中性點(diǎn)可采用直接接地方式，部分變壓器中性點(diǎn)根據(jù)運(yùn)行要求也可采用不接地方式。為防止在有效接地系統(tǒng)中偶然出現(xiàn)局部不接地系統(tǒng)，并產(chǎn)生較高工頻過電壓損害變壓器中性點(diǎn)絕緣，110～220kV不接地變壓器的中性點(diǎn)應(yīng)采用水平布置的棒間隙保護(hù)，當(dāng)因接地故障形成局部不接地系統(tǒng)時(shí)，該間隙應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)以有效接地系統(tǒng)方式運(yùn)行發(fā)生單相接地故障時(shí)，該間隙不應(yīng)動(dòng)作。該間隙距離還應(yīng)兼顧雷電過電壓下保護(hù)變壓器中性點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)絕緣的要求。保護(hù)間隙雖有限制過電壓的能力，但其熄弧能力差，實(shí)際工程中常采用在保護(hù)間隙旁邊并聯(lián)金屬氧化物避雷器，避雷器作為雷電沖擊過電壓主保護(hù)，保護(hù)間隙為后備保護(hù)。另外，保護(hù)間隙的工頻擊穿電壓還應(yīng)與避雷器持續(xù)運(yùn)行電壓配合，以免避雷器長時(shí)間運(yùn)行在中性點(diǎn)工頻過電壓下而被損壞。1

變壓器中性點(diǎn)過電壓110～220kV變壓器中性點(diǎn)采用經(jīng)隔離開關(guān)接地，并配置與隔離開關(guān)并聯(lián)的中性點(diǎn)避雷器及放電間隙，其典型電氣接線示意見圖1。當(dāng)中性點(diǎn)隔離開關(guān)處于合閘位置時(shí)，變壓器中性點(diǎn)為直接接地；當(dāng)中性點(diǎn)隔離開關(guān)處于分閘位置時(shí)，變壓器中性點(diǎn)為經(jīng)棒間隙接地。圖1

110～220kV變壓器中性點(diǎn)成套裝置接線示意圖（1）侵入雷電波過電壓。當(dāng)雷擊線路時(shí)，雷電沖擊波侵入變壓器，在三相同時(shí)進(jìn)波時(shí)，變壓器不接地的中性點(diǎn)類似于開路情況，在中性點(diǎn)產(chǎn)生的雷電過電壓最嚴(yán)重情況可達(dá)波幅值的2倍。此過電壓會(huì)對(duì)分級(jí)絕緣的變壓器中性點(diǎn)造成危害。此情況下，宜優(yōu)先裝設(shè)無間隙金屬氧化物避雷器MOA作為主保護(hù)，間隙可作為后備保護(hù)。（2）單相接地故障引起的工頻過電壓系統(tǒng)以有效接地方式運(yùn)行發(fā)生單相接地故障，由對(duì)稱系統(tǒng)過渡到不對(duì)稱系統(tǒng)，變壓器中性點(diǎn)出現(xiàn)工頻過電壓，過電壓幅值可由系統(tǒng)零序阻抗、正序阻抗采用對(duì)稱分量法計(jì)算，最大不超過0.6倍系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓。此情況下，間隙不應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)故障前以有效接地方式運(yùn)行，但因接地故障斷路器跳閘后形成局部不接地系統(tǒng)，且變壓器低壓側(cè)有電源時(shí)，變壓器中性點(diǎn)位移電壓將上升至相電壓，該電壓對(duì)中性點(diǎn)絕緣水平較低的分級(jí)絕緣變壓器構(gòu)成威脅。此情況下，間隙應(yīng)動(dòng)作。（3）非全相運(yùn)行時(shí)在中性點(diǎn)引起的過電壓系統(tǒng)在單相重合閘、線路熔斷器非全相熔斷、線路斷線、斷路器單相或兩相拒動(dòng)/不同期切合時(shí)，中性點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)異常的過電壓，過電壓幅值可達(dá)2.0倍系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓，危及110～220kV中性點(diǎn)不接地變壓器的中性點(diǎn)絕緣。此情況下，宜裝設(shè)間隙保護(hù)，當(dāng)繼電保護(hù)裝置設(shè)置有缺相保護(hù)時(shí)，也可裝設(shè)無間隙MOA保護(hù)。2

變壓器中性點(diǎn)間隙距離計(jì)算原則（1）系統(tǒng)以有效接地方式運(yùn)行發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)棒間隙不應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)以有效接地方式運(yùn)行，發(fā)生單相接地故障后，在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，變壓器中性點(diǎn)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)過電壓為：

式（1）式中：為振蕩系數(shù)；為最高運(yùn)行相電壓；（系統(tǒng)零序電抗/系統(tǒng)正序電抗）。中性點(diǎn)棒間隙的工頻擊穿電壓有效值應(yīng)滿足式（2）要求：式（2）式中：為棒間隙的工頻擊穿電壓有效值，kV；為安全系數(shù)，對(duì)外絕緣取值為1.05；為大氣修正系數(shù)，（其中H為設(shè)備安裝地點(diǎn)的海拔高度，單位m；為指數(shù)，對(duì)空氣間隙的工頻擊穿電壓、雷電擊穿電壓，取值1.0）；σ為空氣間隙工頻擊穿電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差，一般取值0.03。（2）間隙的工頻擊穿電壓應(yīng)低于變壓器中性點(diǎn)的短時(shí)工頻耐受電壓。為保護(hù)變壓器中性點(diǎn)絕緣，應(yīng)使間隙的工頻擊穿電壓低于變壓器中性點(diǎn)的1min短時(shí)工頻耐受電壓：式（3）式中：為變壓器中性點(diǎn)的1min短時(shí)工頻耐受電壓有效值，kV。（3）間隙的工頻擊穿電壓應(yīng)低于并聯(lián)避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓。為避免間隙并聯(lián)避雷器長時(shí)間運(yùn)行在工頻過電壓下而導(dǎo)致其損壞甚至爆炸，宜使間隙的工頻擊穿電壓低于避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓（若配合有困難，可提高至避雷器的額定電壓，但故障必須在10s內(nèi)切除）：式（4）式中：為避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓有效值，kV。（4）間隙的雷電沖擊擊穿電壓應(yīng)低于變壓器中性點(diǎn)的雷電沖擊耐受電壓。為保護(hù)變壓器中性點(diǎn)絕緣，應(yīng)使間隙的雷電沖擊擊穿電壓低于變壓器中性點(diǎn)的額定雷電沖擊耐受電壓：

式（5）式中：-棒間隙的50%雷電沖擊擊穿電壓（峰值），kV;為變壓器中性點(diǎn)的雷電沖擊耐受電壓（峰值），kV。（5）根據(jù)棒間隙擊穿電壓計(jì)算值，對(duì)照棒間隙擊穿電壓曲線，查取對(duì)應(yīng)的棒間隙值（最大值、最小值），選取用于設(shè)備訂貨的棒間隙可調(diào)范圍，形成可廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)化通用設(shè)計(jì)值。3

變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離計(jì)算實(shí)例3.1設(shè)備參數(shù)根據(jù)《絕緣配合第1部分定義、原則和規(guī)則》GB311.1-2012要求，110～220kV變壓器中性點(diǎn)額定耐受電壓參數(shù)如下：表1

110kV～220kV變壓器中性點(diǎn)額定耐受電壓數(shù)據(jù)來源110kV主變中性點(diǎn)（不固定接地方式下）220kV主變中性點(diǎn)（不固定接地方式下）雷電沖擊耐受電壓（峰值，kV）短時(shí)工頻耐受電壓（有效值，kV）雷電沖擊耐受電壓（峰值，kV）短時(shí)工頻耐受電壓（有效值，kV）GB311.1國標(biāo)要求值25095400200注：表中耐受電壓基于設(shè)備運(yùn)行條件為正常環(huán)境條件，已按海拔1000m進(jìn)行了修正。根據(jù)《交流無間隙金屬氧化物避雷器》GB11032-2010要求，110kV～220kV變壓器中性點(diǎn)MOA標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)如下：表2

110kV～220kV變壓器中性點(diǎn)MOA標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)主變壓器中性點(diǎn)避雷器額定電壓（kV）持續(xù)運(yùn)行電壓（kV）標(biāo)稱放電電流（kA）1.5kA雷電沖擊電流下的最大殘壓（峰值，kV）110kV中性點(diǎn)避雷器72581.5186220kV中性點(diǎn)避雷器1441161.53203.2系統(tǒng)參數(shù)110～220kV系統(tǒng)中性點(diǎn)采用有效接地方式，國標(biāo)GB/T50064-2014要求在各種條件下系統(tǒng)的零序電抗與正序電抗之比（）應(yīng)為正值并且不應(yīng)大于3?，F(xiàn)狀系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)零序電抗略小于正序電抗的情況，例如。根據(jù)中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)過電壓計(jì)算公式（1）分析可知，的比值越大，穩(wěn)態(tài)過電壓的數(shù)值越高；的比值越小，穩(wěn)態(tài)過電壓的數(shù)值越低。鑒于保護(hù)間隙設(shè)備參數(shù)選取宜滿足通用性要求，取110～220kV系統(tǒng)計(jì)算條件為：（適用于當(dāng)前電網(wǎng)大部分情況，若有特例，應(yīng)按實(shí)際比值計(jì)算）。3.3間隙距離計(jì)算示例3.3.1110kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離計(jì)算計(jì)算條件：海拔H=1000m；；110kV變壓器中性點(diǎn)絕緣水平取國標(biāo)要求值，雷電沖擊耐受電壓250kV（峰值），短時(shí)工頻耐受電壓95kV（有效值）。Step1：計(jì)算大氣修正系數(shù)。Step2：系統(tǒng)以有效接地方式運(yùn)行發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)棒間隙不應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)以有效接地方式運(yùn)行，發(fā)生單相接地故障后，在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，變壓器中性點(diǎn)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)過電壓為：（）（）中性點(diǎn)棒間隙的工頻擊穿電壓有效值應(yīng)滿足：（）（）Step3：間隙的工頻擊穿電壓應(yīng)低于變壓器中性點(diǎn)的短時(shí)工頻耐受電壓。因110kV變壓器中性點(diǎn)絕緣水平的國標(biāo)要求值短時(shí)工頻耐受電壓95kV（有效值）已按海拔1000m進(jìn)行了修正，此處計(jì)算中取。Step4：間隙的工頻擊穿電壓應(yīng)低于并聯(lián)避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓。Step5：間隙的雷電沖擊擊穿電壓應(yīng)低于變壓器中性點(diǎn)的雷電沖擊耐受電壓。因110kV變壓器中性點(diǎn)絕緣水平的國標(biāo)要求值雷電沖擊耐受電壓250kV（峰值）已按海拔1000m進(jìn)行了修正，此處計(jì)算中取。Step6：保護(hù)間隙取值。綜上，間隙的工頻擊穿電壓、雷電沖擊擊穿電壓滿足以下條件：間隙的工頻擊穿電壓（有效值）：；間隙的雷電沖擊擊穿電壓（峰值）：。對(duì)照棒間隙擊穿電壓曲線（基于海拔H=0m條件下），查取間隙可調(diào)范圍：工頻擊穿電壓要求的間隙范圍：；雷電沖擊擊穿電壓要求的間隙范圍：。小結(jié)：海拔H=1000m條件下，系統(tǒng)參數(shù)滿足，110kV變壓器中性點(diǎn)采用GB311.1標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平或高于標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平，中性點(diǎn)避雷器采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)時(shí)，110kV變壓器中性點(diǎn)的保護(hù)間隙距離可取。具體項(xiàng)目保護(hù)間隙距離整定值需根據(jù)其實(shí)際值采用上述流程計(jì)算得出。3.3.2高海拔地區(qū)變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離計(jì)算工程實(shí)際運(yùn)行環(huán)境條件多變，為便于設(shè)備統(tǒng)一設(shè)計(jì)及制造，實(shí)際運(yùn)用中可將海拔高度劃分為5檔：0m、1000m、2000m、3000m、4000m。根據(jù)前述計(jì)算流程，分別計(jì)算各檔位海拔條件下變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離。海拔（大氣）修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果見下表：表3

海拔修正系數(shù)海拔高度（m）010002000300040001.01.1311.2781.4451.6340.8851.01.1311.2781.445當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)取，變壓器中性點(diǎn)采用GB311.1要求的標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平，中性點(diǎn)避雷器采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)時(shí)，各檔位海拔條件下變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙擊穿電壓要求值的計(jì)算結(jié)果見表4。根據(jù)表4計(jì)算結(jié)果，對(duì)照棒間隙擊穿電壓曲線（基于海拔H=0m條件下），查取間隙距離的要求范圍，詳見表5。表4

保護(hù)間隙擊穿電壓要求值海拔高度（m）01000200030004000110kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙的工頻擊穿電壓要求（kV，有效值）26.05（35.97）＜Ubg＜50.6829.45（40.67）＜Ubg＜57.3033.30（45.98）＜Ubg＜64.7737.64（51.98）＜Ubg＜73.2342.56（58.77）＜Ubg＜82.79110kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙的雷電沖擊擊穿電壓要求（kV，峰值）UbL＜193.21UbL＜218.44UbL＜246.95UbL＜279.19UbL＜315.64220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙的工頻擊穿電壓要求（kV，有效值）52.10（71.95）＜Ubg＜101.3558.90（81.34）＜Ubg＜114.5966.59（91.96）＜Ubg＜129.5475.28（103.96）＜Ubg＜146.4685.11（117.53）＜Ubg＜165.57220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙的雷電沖擊擊穿電壓要求（kV，峰值）UbL＜309.14UbL＜349.50UbL＜395.12UbL＜446.70UbL＜505.02備注：保護(hù)間隙的工頻擊穿電壓最小要求值按邊界值計(jì)算，括號(hào)外數(shù)據(jù)按計(jì)算得出，括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)按計(jì)算得出。表5

保護(hù)間隙距離要求值海拔高度（m）01000200030004000工頻擊穿電壓要求的110kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離L整定要求（mm）92.10(127.17)＜L＜179.18104.12（143.79）＜L＜202.59117.73（162.56）＜L＜228.99133.08（183.78）＜L＜258.91150.47（207.78）＜L＜292.71雷電沖擊擊穿電壓要求的110kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離L整定要求（mm）L＜189.82L＜227.66L＜270.43L＜318.78L＜373.45工頻擊穿電壓要求的220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離L整定要求（mm）184.20（254.38）＜L＜358.33208.24（287.58）＜L＜405.14235.43（325.13）＜L＜459.93266.16（367.55）＜L＜517.81300.91（415.53）＜L＜585.38雷電沖擊擊穿電壓要求的220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離L整定要求（mm）L＜363.71L＜424.25L＜492.68L＜570.06L＜657.53備注：保護(hù)間隙距離L整定要求按邊界值計(jì)算，括號(hào)外數(shù)據(jù)按計(jì)算得出，括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)按計(jì)算得出。4

結(jié)語110～220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離最小值由系統(tǒng)參數(shù)“”控制，受海拔高度影響；變壓器中性點(diǎn)短時(shí)工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓、并聯(lián)MOA的持續(xù)運(yùn)行電壓為間隙距離最大值的計(jì)算條件，其中并聯(lián)MOA的持續(xù)運(yùn)行電壓作為間隙距離最大值的控制條件。為便于工程設(shè)計(jì)及設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)化，表6給出各檔海拔范圍條件下，中性點(diǎn)保護(hù)間隙可調(diào)范圍的推薦設(shè)計(jì)值。該值適用于對(duì)應(yīng)海拔范圍條件下，系統(tǒng)參數(shù)滿足，變壓器中性點(diǎn)采用GB311.1要求的標(biāo)準(zhǔn)絕緣水平或高于其規(guī)定的準(zhǔn)絕緣水平，中性點(diǎn)避雷器采用GB11032推薦的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)時(shí)，保護(hù)間隙出廠可調(diào)范圍標(biāo)準(zhǔn)值，滿足實(shí)際工程需求。表6

變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離可調(diào)范圍選擇海拔高度（m）110kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離設(shè)計(jì)推薦值（mm）220kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離設(shè)計(jì)推薦值（mm）0～1000100～200200～4001000～2000100～200200～4002000～3000150～300250～5003000～4000150～300250～5004000～5000200～400300～600具體項(xiàng)目的變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離整定值需根據(jù)其實(shí)際值，考慮工程地實(shí)際海拔高度影響、變壓器中性點(diǎn)耐受電壓、并聯(lián)MOA的持續(xù)運(yùn)行電壓等因素，采用前述流程計(jì)算得出，以滿足實(shí)際運(yùn)行時(shí)，間隙能保護(hù)變壓器中性點(diǎn)絕緣，并兼顧保護(hù)并聯(lián)MOA安全運(yùn)行。參考文獻(xiàn)[1]《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范》：GB/T50064，2014．[2]《絕緣配合第1部分定義、原則和規(guī)則》：GB311.1，2012.[3]《絕緣配合第２部分：使用導(dǎo)則》：GB/T311.2，2013．[4