摘要：傳統(tǒng)的分級絕緣變壓器中性點(diǎn)過電壓保護(hù)按氧化鋅避雷器加水平棒間隙配置，在運(yùn)行中未能達(dá)到滿意效果。對此，結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了分析，并提出了根據(jù)實(shí)際綜合考慮的分級絕緣變壓器中性點(diǎn)過電壓保護(hù)的有效方式。
國產(chǎn)110kV 變壓器一般采用分級絕緣結(jié)構(gòu)，中性點(diǎn)絕緣有35kV，44kV，60kV 電壓等級，按原國標(biāo)GB311—83《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》和現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定：雷電全波和截波耐受電壓分別為180kV，250kV，325kV;短時(shí)工頻耐受電壓(有效值)分別為85kV，95 kV，140kV。電力系統(tǒng)中110kV有效接地系統(tǒng)，為了限制單相接地短路電流、防止通信干擾和滿足繼電保護(hù)整定配置等要求，大部分110kV變壓器分級絕緣中性點(diǎn)是不直接接地運(yùn)行的。
對于中性點(diǎn)不接地的分級絕緣變壓器，當(dāng)雷電波從線路侵入變壓站到達(dá)變壓器中性點(diǎn)以及系統(tǒng)單相接地、非全相運(yùn)行，特別是伴隨產(chǎn)生變壓器勵(lì)磁電感與線路對地電容諧振時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的雷電過電壓或工頻穩(wěn)態(tài)過電壓，對分級絕緣變壓器中性點(diǎn)構(gòu)成威脅，甚至使絕緣損壞。因此，分級絕緣變壓器中性點(diǎn)的過電壓保護(hù)通常采用FZ#-#40型避雷器或氧化鋅避雷器加并聯(lián)水平棒間隙的保護(hù)方式。但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，這種保護(hù)方式未能達(dá)到滿意效果，存在許多需商榷之處。本文將結(jié)合實(shí)例對該配置方式給系統(tǒng)運(yùn)行帶來的一些問題進(jìn)行綜合分析。
1運(yùn)行實(shí)例分析
1998年6月24日11時(shí)55分，雷擊110kV柴桂線40號(hào)塔附近，通過中山電力工業(yè)局雷電定位系統(tǒng)觀測，其雷電流幅值達(dá)負(fù)極性54.3kA，回?fù)羧危瑢?dǎo)致柴桂線(中山柴油機(jī)發(fā)電二廠側(cè))短線接地距離工段保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳閘、重合成功。但同時(shí)，因110kV系統(tǒng)瞬時(shí)單相接地及雷電波入侵環(huán)城站 1號(hào)主變壓器中性點(diǎn)，造成水平棒間隙放電擊穿，并導(dǎo)致110kV環(huán)桂線(環(huán)城站側(cè))零序工段保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳閘(重合閘保護(hù)未投)，使110kV環(huán)城站，板芙站失壓。
事故后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，110kV五桂山站、環(huán)城站主變壓器中性點(diǎn)(不接地運(yùn)行)水平棒間隙(110mm)放電擊穿，中性點(diǎn)氧化鋅避雷器(Y1W-55/140型)動(dòng)作。很顯然，按當(dāng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行方式和故障錄波圖分析，110kV 環(huán)桂線零序工段保護(hù)動(dòng)作，是由于環(huán)城站主變壓器中性點(diǎn)水平棒間隙放電擊穿，使系統(tǒng)零序阻抗參數(shù)發(fā)生改變，根據(jù)繼電保護(hù)專責(zé)按事故方式下核算最大零序電流約12 A，大于其整定值7A，躲不過零序故障電流而造成110kV環(huán)桂線(環(huán)城站側(cè)開關(guān)跳閘。事故時(shí)，110kV柴桂線五桂山站側(cè)零序保護(hù)未投，否則，類似情況同樣出現(xiàn)。
對于分級絕緣變壓器中性點(diǎn)過電壓保護(hù)，采用氧化鋅避雷器加并聯(lián)水平棒間隙的配置方式，其兩者的配合原則是：避雷器承擔(dān)雷電過電壓保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障及開關(guān)單相重合閘過程中水平棒間隙不應(yīng)放電動(dòng)作;只有當(dāng)系統(tǒng)失地，且出現(xiàn)系統(tǒng)非全相運(yùn)行或諧振故障時(shí)，水平棒間隙可靠動(dòng)作，保護(hù)變壓器中性點(diǎn)絕緣及線端設(shè)備的絕緣，防止避雷器因通流容量不夠發(fā)生爆炸。但通過多年的運(yùn)行實(shí)踐證明，避雷器與水平棒間隙的配合相當(dāng)困難，其不足之處在于：
a)在防雷保護(hù)時(shí)，以Y1W-55/140型氧化鋅避雷器為例，其標(biāo)稱放電電流 1 kA下雷電沖擊殘壓為 109 kV，按主變壓器中性點(diǎn)最低35kA級沖擊絕緣水平考慮，其絕緣保護(hù)裕度因數(shù)達(dá)1.51足夠。但 110 mm 水平棒間隙50%操作沖擊放電電壓(峰值)約110～120kV，事故時(shí)受雷電環(huán)境條件分散系數(shù)的影響，更接近避雷器的沖擊殘壓水平，這就有可能使得避雷器動(dòng)作的同時(shí)，水平棒間隙也放電擊穿，尤其在雷擊輸電線路導(dǎo)致系統(tǒng)瞬時(shí)單相接地時(shí)，造成繼電保護(hù)誤動(dòng)。根據(jù)近三年的運(yùn)行事故統(tǒng)計(jì)，中山電力局類似的情況還出現(xiàn)六次之多。
b)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地，分級絕緣變壓器中性點(diǎn)出現(xiàn)各種暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)過電壓，一般情況下，氧化鋅避雷器和水平棒間隙都不應(yīng)動(dòng)作，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明該配合方案并未滿足條件要求。110mm 水平棒間隙工頻放電電壓約58.4kV(有效值)，而從中山電力局幾次事故時(shí)的故障錄波圖分析以及過電壓理論估算，實(shí)際出現(xiàn)在主變壓器中性點(diǎn)處的工頻過電壓應(yīng)低于該數(shù)值，但110mm水平棒間隙仍放電擊穿。由于用作間隙的棒直徑大小差異和間隙棒頭未經(jīng)技術(shù)老煉，其工頻放電電壓低于研究所得到的測量值是完全可能的，那么實(shí)際運(yùn)行中也就導(dǎo)致了棒間隙的動(dòng)作頻繁以及繼電保護(hù)誤動(dòng)的可能性增大。
2分級絕緣變壓器中性點(diǎn)的過電壓保護(hù)方式
按電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》規(guī)定，對于分級絕緣變壓器中性點(diǎn)的過電壓保護(hù)方式可分為兩類情況考慮：
a)有效接地系統(tǒng)中的中性點(diǎn)不接地的變壓器，就在中性點(diǎn)裝設(shè)雷電過壓保護(hù)裝置，且宜選變壓器中性點(diǎn)金屬氧化物避雷器。
對于中性點(diǎn)絕緣為60kV電壓等級的變壓器，選用 HY1.5W5-72/186 型復(fù)合外套式氧化鋅避雷器或 HY1C4-73/175型復(fù)合外套式串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器，其雷電過電壓下的安全裕度因數(shù)可達(dá)1.6左右。且由于避雷器額定工作電壓較高，足以保證當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障引起工頻電壓升高時(shí)，避雷器不動(dòng)作，避免了因通流容量不夠發(fā)生爆炸的可能性。
對于中性點(diǎn)絕緣為35 kV，44kV電壓等級的變壓器，選用 HY1C4-60/134型復(fù)合外套式串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器，其雷電過電壓下的安全裕度因數(shù)為1.2以上，該型避雷器工頻放電電壓(有效值)不小于95kV，因此，可較長時(shí)間承受中性點(diǎn)處工頻過電壓而不發(fā)生誤動(dòng)作。
取消加并聯(lián)水平棒間隙的保護(hù)方式，可避免因水平棒間隙頻繁動(dòng)作造成繼電保護(hù)誤動(dòng)的可能性，減少了不必要的停電損失，也提高了電力系統(tǒng)穩(wěn)定和供電可靠性。
b)對可能形成系統(tǒng)失地且低壓側(cè)有電源的分級絕緣變壓器不接地的中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)間隙。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;系統(tǒng)以有效接地方式運(yùn)行發(fā)生單相接地故障時(shí)間隙時(shí)間隙不動(dòng)作。間隙距離的選擇除應(yīng)滿足上述兩項(xiàng)要求外，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)分級絕緣的要求。
分級絕緣變壓器帶故障失地及開關(guān)非全相操作所產(chǎn)生的工頻過電壓有可能危及變壓器中性點(diǎn)絕緣，避雷器因通流容量不足難以限制這種工頻過電壓。因此，必須采用棒間隙保護(hù)。對于中性點(diǎn)絕緣為60kV 絕緣等級，采用140mm 水平棒間隙保護(hù)，其雷電沖擊保護(hù)比和操作沖擊保護(hù)比均有足夠的裕度，且滿足過電壓規(guī)程的技術(shù)要求。但對于90雷暴日左右的多雷區(qū)域，雷過電壓使水平棒間隙頻繁動(dòng)作導(dǎo)致主變壓器失壓或繼電保護(hù)誤動(dòng)的問題得不到有效的解決。筆者認(rèn)為采用HY1C4-73/175型復(fù)合外套式串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器并聯(lián)與之配合，能收到較好的效果。該型避雷器的工頻放電電壓(有效值) 95kV，1.2/50s沖擊放電電壓(峰值120kV)，工頻耐受電壓不小于(有效值)73kV，而140mm 間隙的工頻放電電壓上限值71kV，沖擊放電電壓下限值129kV，足見其配合是可行的。使用水平棒間隙保護(hù)時(shí)應(yīng)加裝間隙零序保護(hù)，即在棒間隙接地端串有TA作為零序信號(hào)抽取，當(dāng)水平棒間隙擊穿放電時(shí)，帶時(shí)限切斷變壓器開關(guān)，防止截波作用危及變壓器層、匝間絕緣或其它運(yùn)行設(shè)備。
對于中性點(diǎn)絕緣為35kV，44kV電壓等級的變壓器，其標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊全波和截波分別為 180 kV，250 kV，取絕緣老化累積因數(shù)0.85，則變壓器中性點(diǎn)沖擊耐受水平約 153kV，若采用120mm 水平棒間隙，其沖擊放電電壓上限值為154.7kV，因此，必須加氧化鋅避雷器承擔(dān)外過電壓?？紤]水平棒間隙動(dòng)作的擊穿電壓值受大氣環(huán)境條件的影響及其它因素，根據(jù)理論計(jì)算，選用125mm水平棒間隙與并聯(lián) HY1C4-60/134 型復(fù)合外套式串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器配合的方式，較為適宜。棒間隙的配置，可使用16mm 圓鋼，端部半球形，表面加工細(xì)致無毛刺并安裝時(shí)進(jìn)行加電壓技術(shù)老煉，提高運(yùn)行后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這一點(diǎn)非常重要。
3結(jié)論
a)以往對于分級絕緣變壓器中性點(diǎn)過電壓保護(hù)，采用避雷器與水平棒間隙的配置方式，由于參數(shù)配合困難，存在不足之處，給系統(tǒng)運(yùn)行帶來一些問題。
b)110kV 系統(tǒng)不失地時(shí)，中性點(diǎn)不接地的分級絕緣變壓器，可在中性點(diǎn)裝設(shè)相應(yīng)技術(shù)參數(shù)的氧化鋅避雷器。
c)對可能形成系統(tǒng)失地且低壓側(cè)有電源的分級絕緣變壓器不接地的中性點(diǎn)，采用合理的水平棒間隙與并聯(lián)復(fù)合外套式串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器配合方式較為適宜。
d) 使用水平棒間隙保護(hù)時(shí)應(yīng)加裝間隙零序保護(hù)，有利于防止因間隙擊穿放電的截波作用危及變壓器層、匝間絕緣或其它運(yùn)行設(shè)備。
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