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1、杨龙山/工程师关键词/Keywords110 kV 变压器放电间隙避雷器中性点过电压保护电气安全|Electric Safety32石化电气2012 年第 31 卷第 15 期石化系统110 kV 变压器中性点过电压保护分析了石化供电系统中不同的 110 kV 变压器中性点过电压保护所应采取的配置，给出了采用放电间隙、避雷器进行中性点过电压保护的绝缘配合原则和参数选择，并提出了相应的继电保护整定的原则。杨龙山/中国石化工程建设有限公司随着石化装置规模的不断增大，以往石化厂内部的 6 kV、10 kV 和 35 kV电压等级已不能满足大型石化装置的用电需求，而纷纷建设 110 kV 变电站，由于
2、 110 kV 系统属于中性点有效接地系统，并且变压器中性点大多采用分级绝缘，不同于 6 kV、10 kV 和 35 kV 的中性点不接地或经消弧线圈 ( 或电阻)接地，所以在电力系统中普遍使用在110 kV 分级绝缘变压器中性点设置避雷器和放电间隙进行过电压保护的方式，同样也在石化供电系统中得到了应用。本文就石化典型的供电系统来探讨110 kV 变压器中性点过电压保护的配置与整定。石化供电系统 110 kV 变压器中性点过电压保护配置分析石化工厂一般采用引自系统的双电源，自上而下放射式的单母线分段或双母线接线。其运行方式绝大多数采用双电源回路双变压器母线分段的分列运行方式。供电源系统接线多为
3、内桥及单母线分段或双母线接线。由于内桥不利于发展及扩建，在系统规划中如不可能扩建则可采用，否则应采用单母线分段或双母线接线。同时由于总变电所配电压等级高，存在检修时倒负荷可能，所以传统上采用双母线接线较多。为有效利用工艺装置多余的蒸汽，一般大型石化系统还配备自备电厂，发电机通过升压变压器接入石化供电系统。由此可知石化系统的电源通常有来自电力系统的外电网和自备发电机，其接入点大多都在 110 kV母线。所以特将其分为变压器低压侧无电源的石化厂用馈电变压器和变压器低压侧有电源的升压变压器两种方式，来分析石化供电系统110 kV变压器中性点的过电压保护配置。1. 变压器低压侧有电源的中性点保护配置此
4、类保护主要针对由自备发电机经升压变压器接入 110 kV 系统的情况。由于石化供电系统的自备发电机容量并不能时刻都满足全厂用电需求，有时需从外电网购电，所以此升压变压器存在接地运行和不接地运行两种可能。对于不接地运行的升压变压器，当 110 kV 线路发生单相接地故障导致系统电源侧的开关跳闸时，升压变压器与 110 kV 系统解列。同时由于此变压器中性点不接地而形成局部失地，然而单相接地故障仍存在，必将在变压器的中性点产生过电压，此过电压最大可达110 kV系统最大运行相电压，即72. 75 kV，已远远超过石化供电系统所采用的 44 kV 中性点标称绝缘等级，必须采用放电间隙来保护变压器中性
5、点绝缘。同时根据标准规定1 ，110 kV 中性点直接接地的电力网中，当低压侧有电源的变压器可能接地运行或不接地运行时，对外部单相接地而引起过电流，以及因失去接地中性点引起的电压升高，应对分级绝缘的变压器中性点装设放电间隙。石化系统 110 kV 变压器中性点过电压保护Electric Safety|电气安全www. eage. com. cn2012 年 8 月上石化电气332. 变压器低压侧无电源的中性点保护配置此类保护主要针对担负着为工艺装置供电的高压侧为110 kV 的厂用110 kV 馈电变压器。对于石化供电系统，由于往往采用双电源供电，且自上而下放射式的供电网络，其接入电力系统的
6、220/110 kV 变压器不少于 2 台，而这些变压器的中性点接地方式需依电力系统统一调度，所以这些变压器均有接地和不接地两种可能。根据标准规定1 ，应该会在这些分级绝缘的变压器中性点装设放电间隙。110 kV 作为中性点有效接地系统， 110 kV 中性点的接地通常设在由电力部门管理的220 kV 变电所的主变压器 110 kV 中性点上，作为零序阻抗的主通道，其接地具有较高的可靠性。所以当 110 kV 有效接地系统发生单相接地故障时，在变压器中性点上产生过电压，此时最大可达 0. 6 倍的系统相电压，即 43. 65 kV，小于石化系统所采用的 44 kV 中性点标称绝缘等级，此时的厂
7、用 110 kV 馈电变压器可不装设放电间隙。即使当 110 kV 系统出现操作过电压和谐振过电压时，由于在上级变压器中性点上安装了放电间隙，均可使得该放电间隙动作从而使 110 kV 下级的馈电变压器解列。所以作为中性点过电压防护的放电间隙，只需装设在上级变电所的 110 kV 变压器中性点处，无须在厂用 110 kV 馈电变压器的高压侧中性点上装设。由于石化供电系统所采用的 110 kV 变压器中性点一般均为分级绝缘，以及雷击的不确定性，所以应该在所有的 110 kV 变压器中性点处安装能与变压器中性点绝缘相配合的避雷器。同时为检修安全及调度，还应在所有的 110 kV 变压器中性点处安装
8、用于变压器直接接地的隔离开关。然而在工程中有很多在厂用 110 kV 馈电变压器的高压侧中性点也设置了放电间隙，通过上面的分析可知，在此处是不必设置放电间隙的。若安装了放电间隙，由于避雷器上的残压较高，反而容易在与其并联的避雷器遭受雷击动作后，将放电间隙击穿而使得继电保护动作，将变压器切掉而造成工厂断电，最终造成巨大的经济损失。此类事故在电力系统中已多次发生，对于供电连续性要求较高的石化企业应引以为鉴。110 kV 变压器中性点过电压保护的配合原则及参数选择为了有效地保护变压器，其放电间隙、避雷器应与变压器中性点的绝缘相配合，具体应满足如下配合原则: 1)当非直接接地变压器的中性点出现危险的雷
9、电冲击过电压时，避雷器或放电间隙应正确动作，以保护变压器中性点绝缘不受损坏。 2)当非直接接地变压器在单相接地故障中偶然形成局部不接地系统，同时又出现危险的非全相运行情况时，中性点放电间隙应可靠动作，以避免带单相接地故障的局部不接地系统出现危险过电压，而危及线端设备，与之配合使用的避雷器则不应发生动作。 3)当系统以有效接地方式运行且发生单相接地故障时，所出现的过电压不应导致非直接接地的变压器中性点放电间隙的放电，以免影响继电保护的正确动作。 1. 变压器中性点避雷器的选择由于无间隙金属氧化物避雷器具有良好的非线性特性、泄露电流小等优点，在石化供配电系统中 得 到 广 泛 应 用。根 据 DL
10、/T 6201997 第 5. 3. 4 条，对于 110 kV 有效接地系统，其中性点处的无间隙金属氧化物避雷器持续运行电压和额定电压分别不应低于 0. 45Um和 0. 57Um，其中 Um为 110 kV 系统最高运行电压 126 kV。同时根据 GB 110322000 第 3. 2 条避雷器的分类，可知用于变压器中性点的避雷器标称放电电流取1. 5 kA。所以，可选择 YH 1. 5W72/186 无间隙金属氧化物避雷器。根据 GB 311. 11997 第 5. 5. 4 条分级绝缘的 110 kV 变压器中性点耐雷电冲击的峰值电压为 250 kV，所以其与避雷器最大残压的配合系数
11、为 1. 34，满足规范要求，可保证变压器中性点遭受雷击时，其绝缘不受损坏。 2. 变压器中性点放电间隙的选择由于间隙的放电电压具有一定的分散性，但其概率分布接近正态分布，所以通常用 50% 击穿电压 U50和标准偏差 来表示。间隙在 U50( 1 +3)的击穿概率和 U50( 1 3)的耐受概率均可电气安全|Electric Safety34石化电气2012 年第 31 卷第 15 期达 99. 86%。在计算雷电冲击放电时， 取 3%，工频放电 取 2%2 。根据 110 kV 变压器中性点保护的配合原则第 1 条，在雷电冲击下，间隙应击穿放电以限制变压器中性点的雷电过电压，即放电间隙的雷
12、电冲击电压 U50应满足下式U50( 1 +3) kL/Q( 1)式中，k 为变压器绝缘老化系数，取 0. 85;L 为变压器中性点雷电冲击峰值电压，250 kV;Q 为表征按环境条件修正间隙放电电压的气象系数，取 1. 05。所以放电间隙的50%雷电击穿电压应满足 U50 185. 67 kV。根据 110 kV 变压器中性点保护的配合原则第 2 条，在 110 kV 系统中性点出现失地且发生单相接地故障时，放电间隙应可靠动作，即放电间隙的工频放电电压 U50应满足下式U50( 1 +3) 槡2UN min/Q( 2)根据 110 kV 变压器中性点保护的配合原则第3 条，110 kV 系统
13、运行在有效接地方式下发生单相接地故障时，间隙不应被击穿，即放电间隙的工频放电电压 U50应满足下式U50( 1 3) 槡2UN maxQ( 3)式中，UN min取系统运行在最低电压下，中性点失地，且发生单相接地故障时中性点上的稳态电压有效值;UN max取系统运行在最高电压下中性点有效接地，且发生单相接地故障时中性点上的稳态电压有效值。电网发生单相接地故障时，在中性点引起的过电压3 为U0=X0/X1 2 + X0/X1U( 4)式中，X0为电网零序电抗;X1为电网正序电抗;U为电网运行相电压。由式 ( 4)可以得到下表所示的在中性点未失地和失地情况下，变压器中性点出现的最大稳态工频过电压。
14、表变压器中性点最大稳态工频过电压运行电压/kV最大稳态工频过电压/kV中性点未失地中性点失地1075 12637. 07 43. 6561. 78 72. 75所以根据式 ( 2) 、式 ( 3)及上表可得间隙的工频放电电压 U50应满足68. 9 kV U5078. 5 kV在棒 棒间隙距离小于 1 m 的范围内，工频电压作用下，50% 击穿电压与间隙距离的关系接近正比，棒 棒间隙的平均击穿场强的峰值约为6 kV/cm 2 ，故可计算出符合上述条件的棒 棒间隙长度为 11 13 cm。而间隙长度为 11 13 cm 的50%雷电击穿电压均小于 150 kV2 ，满足110 kV变压器中性点保
15、护的配合原则第 1 条。由此也可以看出，当与避雷器并联使用时，当避雷器通过 1. 5 kA 的雷电流时，其残压为 186 kV，将大于间隙的 50%雷电击穿电压，间隙很可能被击穿而造成误动作，将事故扩大。110 kV 变压器中性点保护的继电保护整定原则根据标准规定1 ，并结合石化的供电运行规程，对于直接接地的变压器，应装设零序电流保护。零序电流保护由两段构成，其动作电流应与 相关线路的零序电流保护相配合，其中一段带时 限跳升高压侧，二段带时限跳升两侧。 对于中性点装设放电间隙的变压器，除了装 设零序电流保护作为变压器中性点直接接地运行 时的保护外，还应增设零序电流电压保护，作为 变压器中性点不
16、接地运行时的保护。变压器中性 点如不接地运行，当电网中性点失地且发生单相 接地故障时，中性点不接地的变压器中性点将出 现较高的零序电压，放电间隙被击穿，间隙零序 电流起动，瞬时跳开变压器两侧开关，将事故切 除。如果放电间隙拒动作，则零序电压延时起动 跳开变压器两侧开关。 对中性点不装设放电间隙的分级绝缘变压器，同样要装设零序电流保护，作为变压器中性点直接接地运行时的保护。同时为防止上级变电所变压器中性点处在 110 kV 系统出现工频过电压时，石化系统 110 kV 变压器中性点过电压保护Electric Safety|电气安全www. eage. com. cn2012 年 8 月上石化电气35其放电间隙拒动作，还应采用零序电压保护延时断开变压器两侧开关。根据规程4 ，间隙放电电流一次值一般取 40100 A 时动作。零序电压引自母线电压互感器的开口三角，而石化供电系统在 110 kV 系统所采用的电压互感器变比为 U/100 槡3/100
