基于110kV变压器中性点接地方式探讨

　　变压器中性点接地方式有三种：1）不接地；2）直接接地；3）经电抗器接地。再分细些，则直接接地可分为部份接地（有效接地）和全部接地（极有效接地）两种；而经电抗器接地可分为经消弧线圈接地和经小电抗接地两种。变压器中性点接地方式不同，在其中性点上出现的过电压幅值也不同，所以过电压保护方案也不同。一般变压器中性点不接地时中性点绝缘水平为全绝缘（与线端相同），不需要安装避雷器，但在多雷区且单进线装有消弧线圈的变压器应在中性点加装避雷器，其额定电压与线端相同。一般变压器部份接地时中性点绝缘水平为半绝缘（仅为线端的一半），中性点按其绝缘水平的不同，应安装相应保护水平的避雷器。实践证明：中性点部分接地时采用半绝缘的变压器运行基本上是安全的，仅在断路器出现非全相或严重不同期产生的铁磁谐振过电压可能危及中性点绝缘。因此DL/T620-1997【1】规定宜在中性点装设间隙，对该间隙的要求为：“因接地故障形成局部不接地系统时该间隙应动作；系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时间隙不应动作。”为兼顾防雷方面要求还应并接相应避雷器。当间隙与避雷器并接于中性点时应满足的要求为：“当系统单相接地系数大于5时间隙才动作，间隙在雷电接地瞬态过电压下不应动作；避雷器在工频和操作过电压下不应动作，在雷电接地的瞬态过电压下才动作。” 　　

　　110kV变压器在部份接地系统中其中性点绝缘水平为35kV级，仅为线端绝缘水平的1/3，过电压保护方案变得十分困难。笔者曾在【2】中作过介绍，建议把110kV变压器中性点接地方式改为经小电抗器接地。但是事隔3年，各方面均发生不少变化，笔者认为有必要作进一步的陈述。

　　1中性点部份接地方式的缺点

　　1.1避雷器难选

　　为了兼顾防雷和内过电压，通常中性点的保护方式为避雷器与间隙并列运行。对避雷器的要求为在雷电过电压下应动作，在工频或内部过电压下不应动作。对有间隙的传统的避雷器FZ或FCZ型而言，即灭弧电压要高，冲击放电电压要低，这在目前国内生产的标准系列产品中是找不到的。只能采用非标准组合，另外附加电容来改变冲击放电电压以满足要求。目前FZ或FCZ都是淘汰产品，今后都要用新型的金属氧化物避雷器（MOA）来代替。MOA是无间隙的，即为YW型。对YW型MOA而言上述要求变为持续运行电压要高，雷冲击残压要低。这对中性点绝缘仅为线端绝缘的1/3的110kV变压器是做不到的。

　　1.2间隙距离难选

　　由上所述，对间隙的要求为发生“失地”情况时应动作（即间隙放电），“有地”情况时发生单相接地故障不应动作。控制动作的手段就是间隙距离的调整。通常裸露在大气中的棒间隙放电电压分散性很大，文【3】给出间隙120mm和115mm的冲击放电电压(平均值)的差值高达532kV(即106kV／mm，而区分“失地”和“有地”的冲击放电电压上下眼的差值仅为39kV，因此区别难度大。文【3】建议将间隙换装在可以精确调整，材质较好，密封良好、运行条件较好的环境中（例如将棒间隙装在透明、密封的绝缘盒中）。实际上此建议是行不通的，而且还要考虑空气间隙放电与固体沿面放电的关系。 

　　1.3继电保护难选

　　中性点部分接地电网均设有防止出弧立不接地状态的继电保护。具体为零序过压和间隙过流。文【4】指出这种“失地”保护不可靠，经常有误动情况出现，一是电网发生接地故障时，与故障线路无关的其他主变间隙过流动作跳闸；二是供电线路故障时，受电端主零序过压在电源侧开关跳闸前动作跳闸。文【4】在分析引起误动的各种原因后，提出用比较两健全相电压间的相应位作为零序过压保护的动作条件之一，构成相位闭锁的零序过电压保护；比较主变中性点零序电流与110kV相电流的绝对值闭锁间隙过流保护的方案。此方案的问题有二条，一是在原方案的基础上加两个闭锁装置，增加了装置的复杂性，众所周知继保装置越复杂，可靠性越差；二是该方案在理论上是可行的，技术上要引入微机保护，开发新产品在经济效益上是否值得？

　　2中性点经小电抗接地方式的优点

　　2.1绝缘水平要求降低，保护方案易选

　　文【5】指出110kV变压器中性点经小电抗接地后，中性点绝缘水平可采用20kV级。即工频1min耐压55kV，全波冲击耐压125kV。绝缘水平要求下降是以不会出现高幅值过电压为基础的，这意味着原变压器中性点经小电抗接地后可省去原有的避雷器和棒间隙等设备，而且保护是可靠的。（原变压器中性点绝缘水平为35kV级。即工频1min耐压85kV，全波冲击耐压185kV）。  

　　2.2接地方式统一，继保装置简化

　　不存在部分中性点不接地的变压器，自然不会出现弧立的不接地电网，因此防“失地”的继保装置可以省略。众所周知继保装置越简单，可靠性越高。

　　2.3中性点部分接地方式的优点全部保留

　　中性点部分接地方式的优点是：（1）可采用简单可靠的零序继电保护；（2）断路器遮断容量不受单相短路电流的限制；（3）单相接地对通讯线路的干扰也较校文【5】指出当变压器中性点经小电抗接地时，只要小电抗阻值选择适当，就可以起到变压器中性点部分接地作用。

　　3对变压器中性点小电抗的技术要求

　　3.1阻抗及阻抗特性

　　阻抗值为变压器零序电抗的1/3。变压器零序电抗一般计算方法很复杂，需作试验确定。文【6】给出变压器零序阻抗工程计算法，计算结果表明：对三相双绕组的变压器，与实测数据相比，误差小于1.5%，对三相三线绕组变压器，与实测数据相比，误差小于6.2%。这在工程计算中是允许的。

　　在最大和最小运行方式下，在流过小电抗的最大单相短路电流范围内保持阻抗为线性。

　　3.2热稳定

　　一般主要变压器热稳定时间为2s，因此要求小电流在流过最大单相短路电流时，其热稳定时间也为2s。其长期工作电流约为最大零序电流的0.12倍。 

　　3.3绝缘水平

　　一般应与变压器中性点绝缘水平相同。110kV变压器中性点绝缘水平为35kV级时，小电抗绝缘水平也为35kV级，由于有充足的裕度，可省去避雷器。

　　4结语

　　变压器变压器中性点接地方式有三种：1）不接地；2）直接接地；3）经电抗器接地。再分细些，则直接接地可分为部份接地（有效接地）和全部接地（极有效接地）两种；而经电抗器接地可分为经消弧线圈接地和经小电抗接地两种。变压器中性点接地方式不同，在其中性点上出现的过电压幅值也不同，所以过电压保护方案也不同。一般变压器中性点不接地时中性点绝缘水平为全绝缘（与线端相同），不需要安装避雷器，但在多雷区且单进线装有消弧线圈的变压器应在中性点加装避雷器，其额定电压与线端相同。一般变压器部份接地时中性点绝缘水平为半绝缘（仅为线端的一半），中性点按其绝缘水平的不同，应安装相应保护水平的避雷器。实践证明：中性点部分接地时采用半绝缘的变压器运行基本上是安全的，仅在断路器出现非全相或严重不同期产生的铁磁谐振过电压可能危及中性点绝缘。因此DL/T620-1997【1】规定宜在中性点装设间隙，对该间隙的要求为：“因接地故障形成局部不接地系统时该间隙应动作；系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时间隙不应动作。”为兼顾防雷方面要求还应并接相应避雷器。当间隙与避雷器并接于中性点时应满足的要求为：“当系统单相接地系数大于5时间隙才动作，间隙在雷电接地瞬态过电压下不应动作；避雷器在工频和操作过电压下不应动作，在雷电接地的瞬态过电压下才动作。” 　　

　　110kV变压器在部份接地系统中其中性点绝缘水平为35kV级，仅为线端绝缘水平的1/3，过电压保护方案变得十分困难。笔者曾在【2】中作过介绍，建议把110kV变压器中性点接地方式改为经小电抗器接地。但是事隔3年，各方面均发生不少变化，笔者认为有必要作进一步的陈述。

　　1中性点部份接地方式的缺点

　　1.1避雷器难选

　　为了兼顾防雷和内过电压，通常中性点的保护方式为避雷器与间隙并列运行。对避雷器的要求为在雷电过电压下应动作，在工频或内部过电压下不应动作。对有间隙的传统的避雷器FZ或FCZ型而言，即灭弧电压要高，冲击放电电压要低，这在目前国内生产的标准系列产品中是找不到的。只能采用非标准组合，另外附加电容来改变冲击放电电压以满足要求。目前FZ或FCZ都是淘汰产品，今后都要用新型的金属氧化物避雷器（MOA）来代替。MOA是无间隙的，即为YW型。对YW型MOA而言上述要求变为持续运行电压要高，雷冲击残压要低。这对中性点绝缘仅为线端绝缘的1/3的110kV变压器是做不到的。

　　1.2间隙距离难选

　　由上所述，对间隙的要求为发生“失地”情况时应动作（即间隙放电），“有地”情况时发生单相接地故障不应动作。控制动作的手段就是间隙距离的调整。通常裸露在大气中的棒间隙放电电压分散性很大，文【3】给出间隙120mm和115mm的冲击放电电压(平均值)的差值高达532kV(即106kV／mm，而区分“失地”和“有地”的冲击放电电压上下眼的差值仅为39kV，因此区别难度大。文【3】建议将间隙换装在可以精确调整，材质较好，密封良好、运行条件较好的环境中（例如将棒间隙装在透明、密封的绝缘盒中）。实际上此建议是行不通的，而且还要考虑空气间隙放电与固体沿面放电的关系。 

　　1.3继电保护难选

　　中性点部分接地电网均设有防止出弧立不接地状态的继电保护。具体为零序过压和间隙过流。文【4】指出这种“失地”保护不可靠，经常有误动情况出现，一是电网发生接地故障时，与故障线路无关的其他主变间隙过流动作跳闸；二是供电线路故障时，受电端主零序过压在电源侧开关跳闸前动作跳闸。文【4】在分析引起误动的各种原因后，提出用比较两健全相电压间的相应位作为零序过压保护的动作条件之一，构成相位闭锁的零序过电压保护；比较主变中性点零序电流与110kV相电流的绝对值闭锁间隙过流保护的方案。此方案的问题有二条，一是在原方案的基础上加两个闭锁装置，增加了装置的复杂性，众所周知继保装置越复杂，可靠性越差；二是该方案在理论上是可行的，技术上要引入微机保护，开发新产品在经济效益上是否值得？

　　2中性点经小电抗接地方式的优点

　　2.1绝缘水平要求降低，保护方案易选

　　文【5】指出110kV变压器中性点经小电抗接地后，中性点绝缘水平可采用20kV级。即工频1min耐压55kV，全波冲击耐压125kV。绝缘水平要求下降是以不会出现高幅值过电压为基础的，这意味着原变压器中性点经小电抗接地后可省去原有的避雷器和棒间隙等设备，而且保护是可靠的。（原变压器中性点绝缘水平为35kV级。即工频1min耐压85kV，全波冲击耐压185kV）。  

　　2.2接地方式统一，继保装置简化

　　不存在部分中性点不接地的变压器，自然不会出现弧立的不接地电网，因此防“失地”的继保装置可以省略。众所周知继保装置越简单，可靠性越高。

　　2.3中性点部分接地方式的优点全部保留

　　中性点部分接地方式的优点是：（1）可采用简单可靠的零序继电保护；（2）断路器遮断容量不受单相短路电流的限制；（3）单相接地对通讯线路的干扰也较校文【5】指出当变压器中性点经小电抗接地时，只要小电抗阻值选择适当，就可以起到变压器中性点部分接地作用。

　　3对变压器中性点小电抗的技术要求

　　3.1阻抗及阻抗特性

　　阻抗值为变压器零序电抗的1/3。变压器零序电抗一般计算方法很复杂，需作试验确定。文【6】给出变压器零序阻抗工程计算法，计算结果表明：对三相双绕组的变压器，与实测数据相比，误差小于1.5%，对三相三线绕组变压器，与实测数据相比，误差小于6.2%。这在工程计算中是允许的。

　　在最大和最小运行方式下，在流过小电抗的最大单相短路电流范围内保持阻抗为线性。

　　3.2热稳定

　　一般主要变压器热稳定时间为2s，因此要求小电流在流过最大单相短路电流时，其热稳定时间也为2s。其长期工作电流约为最大零序电流的0.12倍。 

　　3.3绝缘水平

　　一般应与变压器中性点绝缘水平相同。110kV变压器中性点绝缘水平为35kV级时，小电抗绝缘水平也为35kV级，由于有充足的裕度，可省去避雷器。

　　4结语

　　变压器中性点由有效接地（部分接地）改为极有效接地（全部直接接地或经小电抗接地）这一科研成果是从500kV变压器取得，并于1986年6月在葛州坝大江电厂升压站7台升压变压器付诸实践。运行至今已近15年，还没有见到发生故障的报道，证明是成功的。此项科研成果获得者在文【5】中指出：变压器中性点经小电流接地方式可在500kV电网中因地制宜地推广，110～330kV电网可参照采用。尤其对仅有两台相同主变的电厂或变电站（100～500kV)可推广采用，其作用与部分接地完全一样。

　　此项科研成果已为有关标准接受，GB311.1—1997【7】和DL/T620—1997【1】中均规定500kV变压器中性点接地方式为全部直接接地和经小电抗接地两种；文【1】还推广到330kV变压器，110kV和220kV变压器中性点全部直接或经小电抗接地，部分中性点也可不接地。文【1】对110kV变压器中性点绝缘水平仍维持文【7】的相同的规定，其绝缘水平仅为工频1min耐压95kV，全波冲击耐压250kV一种。

　　笔者认为推广到110kV变压器，特别是频繁发生“失地”保护误动，跳主变三侧的变电站，这也许是克服此现象的唯一途径。虽然增加了小电抗的投资，但节省了避雷器、棒间隙和“失地”保护装置等设备，经济效益并不会差。