220kV变压器中性点的保护
220kV变压器中性点的保护云南电力试验研究院梅忠恕摘要：保山变电站220kV主变压器中性点采用了氧化锌避雷器保护，同时还保留有原来的空气间隙。在系统发生单相接地时，由于空气间隙的放电，造成了不应有的主变三相跳闸事故。经过事故的分析，本文认为，在中性点采用氧化锌避雷器保护的情况下，没有必要再保留空气间隙。应该撤除掉空气间隙。
关键词：主变压器，中性点，避雷器，空气间隙1、 前言
今年7月笔者应邀到云南电网公司保山供电局讲课并进行技术指导。供电局同志介绍说，2007年4月10日，220kV大理——保山一回输电线受雷击跳闸，致使保山变电站220kV 1号主变压器中性点保护间隙放电并导致该变压器三相跳闸，造成供电事故。笔者对这次事故进行了深入的研究，指出目前变压器中性点采用氧化锌避雷器与空气间隙联合保护的方式是不当的。保护间隙的击穿放电可能引起变压器三相的跳闸，从而导致不应有的事故。在变压器中性点采用氧化锌避雷器保护的情况下，应撤除中性点原有的空气间隙，这就能避免类似的事故的发生。
2、 变压器的（主）绝缘水平
按国家标准BG311.1～311.6《高压输变电设备的绝缘配合高电压试验技术》的规定，用于海拔高度在1000m 及以下地区的变压器的绝缘水平（耐受电压）如表1和表2所示。220 kV及500 kV变压器的耐受电压都分两级。220 kV及以下变压器的耐受电压只有雷电冲击与短时工频耐受两种电压，500 kV变压器除雷电冲击与短时工频耐受电压外，还有操作冲击耐受电压。
表1220kV及以下变压器的绝缘水平（耐受电压）
额定电压，kV最高工作电压kV雷电冲击耐受电压，kV
1分钟工频耐受电压，kV
相对地
相间
相对地
相间
101275
75
35
35
3540.5185/200
185/200
80/85
80/85
110126450/480
450/480
185/200
185/200
220252850、950
850、950
360、395
360、395
注：1、35—110 kV变压器的耐受电压中分子、分母分别对应外绝缘和内绝缘。
2、220kV变压器的耐受电压有两级绝缘水平。
表2220kV以上变压器的绝缘水平（耐受电压）
额定电压，kV最高工作电压，kV雷电冲击耐受电压，kV
操作冲击耐受电压，kV
1分钟工频耐受电压，kV
相对地
相对地
相间
相对地
5005501425、15501050、1175
1675、1800
630、680注：550 kV变压器的耐受电压有两级绝缘水平。
3、 220kV变压器中性点的绝缘水平
按国家标准BG311.1～311.6《高压输变电设备的绝缘配合高电压试验技术》的规定，电力变压器的绝缘分为全绝缘与分级绝缘两种。35 kV及以下变压器都是全绝缘的，即高压线圈的线端与中性点端具有相同的绝缘水平，可承受相同的耐受电压。110 kV与220 kV变压器则有两种，一种为全绝缘，其高压线圈的线端与中性点端具有相同的绝缘水平，可承受相同的耐受电压。另一种为分级绝缘，其高压线圈的中性点端的绝缘水平和耐受电压要比线端低。220 kV以上变压器都是分级绝缘的，并且分级绝缘也有两种。采用分级绝缘的目的是为了降低绝缘材料的用量，从而降低变压器的造价。变压器中性点的绝缘水平与其接地方式有关。如表3所示。
表3分级绝缘变压器中性点的绝缘水平
额定电压，kV最高工作电压，kV中点接地方式标准雷电冲击全波和截波，峰值kV1分钟工频耐受电压，kV110126——25095220252死接地18585不死接地400200500550死接地18085经小阻抗接地325140
从表3可见，对于110kV分级绝缘电力变压器，中性点绝缘水平只有一个档次，其雷电全波冲击耐压与工频耐压分别为250kV和95kV，而相应的线端的全波冲击耐压和工频耐压分别为480kV 和200kV。这种变压器用于中性点死接地时当然没有任何问题，因为中性点总是处于地电位。但用于中性点不接地时，就要注意对中性点绝缘的保护，因为中性点可能出现过电压。
对于220kV分级绝缘电力变压器，其中性点的绝缘水平有两个档次。其一的雷电全波冲击耐压与工频耐压分别为185kV和85kV，这样的绝缘水平只相当于35kV电力变压器的绝缘水平。这种变压器只能用于中性点死接地的情况。另一种的绝缘水平分别为400kV和200kV，冲击耐压的400kV还比110kV变压器的绝缘水平（480kV）低一些，工频耐压的200kV则与110kV变压器的工频耐压相同。这种变压器可用于中性点不死接地的情况，但这时需要对它进行保护，中性点加装的避雷器和间隙就是对它的保护。
500kV电力变压器与220kV变压器的情况大致相似，在此就不赘述了。
总之，对变压器的使用必须注意它的绝缘水平，特别是中性点的绝缘水平。要按照系统的接地方式和中性点的绝缘水平选择中性点的保护。
4、 变压器中性点的过电压
当讨论电力系统中性点不直接接地时的变压器中性点的保护，首先要了解中性点可能出现的过电压。
4.1 变压器中性点可能受到的雷电过电压
变电站中的所有电气设备，包括变压器，都处于直击雷的保护范围内，通常变压器不会受到直接的雷击，变压器的中性点也不会受到直接的雷击。由于在中性点上没有向外的引出线接，因此中性点也不会受到雷电感应过电压的袭击。
对于中性点接地的系统，如110kV及以上系统，不是每台变压器的中性点都是直接接地的，而是按照系统保护的要求，只选择部分变压器在其中性点接地，而其它的变压器的中性点不接地。对于中性点直接接地的变压器，中性点就不需要保护了，而对有可能运行在中性点不接地的变压器，就需要考虑它的中性点的保护。
不接地的变压器中性点唯一可能受到的雷电过电压是来自变压器三相同时进波的时候，当雷电过电压波从输电线路传入变电站，同时入侵变压器三相线端时，雷电波经过变压器三相绕组到达中性点时将发生反射，由于不接地的中性点对地的阻抗为无穷大，其幅值在理论上可以达到绕组首端所受电压的二倍。因此，这时在中性点上因电压波的反射致使升高的电压幅值最大。从变压器的保护要求来说，就需要考虑这种极端的情况。如果入侵电压波不是同时进入变压器的三相绕组，则在中性点上出现的电压就较小了。
对于中性点不接地的系统，如10～35kV系统，变压器中性点是不接地的，或经消弧线圈接地的，在这样的系统中，选用的变压器应该是全绝缘的，即变压器中性点的绝缘水平与线端是一样的。由于三相同时侵入雷电过电压波的概率不大，并且大多数雷电过电压波自线路较远处袭来，其陡度不是很大，加之变电所进（出）线不只一条，未遭雷击的进（出）线起到了分流的作用，变压器绝缘也有一定的裕度，因此，规程规定，35～66kV变压器中性点一般不需保护。只对110kV变压器，在变电所为单进线时，在其中性点上加装避雷器保护。
4.2 变压器中性点可能出现的工频过电压
电网单相接地引起的中性点的工频电压升高的稳态值U0为：
http://www.xn--15qz2ax7l0u6a.cn/eWebEditor/UploadFile/200913113851854.bmp （1）
式中，Uxg ——相电压；
X0 ——系统零序电抗；
X1 ——系统正序电抗。
对于中性点直接接地的系统，电网的x0/x1一般不超过3。因此，U0的极限稳态值将为0.6 Uxg 。对于110kV和220kV系统来说，0.6 Uxg分别为38.1kV和76.2kV。
对于一个实际的电网，在系统单相接地时在变压器中性点上可能出现多大电压，可以进行具体的计算。
从电工原理来说，正序阻抗X1是三相系统中不考虑任何地中归路时三条导线之间所形成的回路的阻抗（对应三相正序短路试验），在正序阻抗中导线电阻较小，可以忽略，而成为正序电抗。零序阻抗X0是三相系统中在三条导线上流过同一电流（即零序电流）并以大地和避雷线为归路所形成的电抗（对应三相零序短路试验）。
当没有避雷线，只以大地为回路时，三条导线所形成的回路的零序电抗取决于土壤的电阻率，当土壤电阻率为1000Ω·m和100Ω·m时，每相的零序电抗约分别为1.74Ω/km和1.53Ω/km。当有避雷线时，避雷线将使三相电路的零序电抗减小40%，即分别减小到1.05Ω/km和0.93Ω/km。此外，避雷线与大地之间零序电流的交换实际上只发生在故障点附近，故障点附近杆塔的接地电阻对零序电流的交换和分配起着重要作用。因此，故障点附近杆塔的接地电阻对零序电抗，从而对变压器中性点出现的零序电压影响较大。
笔者1977年负责并参加了220kV下（关）——楚（雄）线路参数的测试，得到的该线的正序电抗与零序电抗（忽略正序和零序电阻后带来的误差很小）分别为0.446Ω/km 和1.32Ω/km。按此两值计算可得x0/x1=2.97，于是在单相接地时中性点的工频电压的稳态值为75.9kV。
对于具体的220kV大理——保山一回线，一时找不到线路的参数，无法进行比较准确的计算。估计在系统单相接地时，变压器中性点的工频电压也不会超过76kV。注意，这里计算的是工频电压的稳态值，在系统短路发生的瞬间，工频电压的暂态分量一般要比稳态值大得多，具体能达到多少，很难进行准确的计算。
5、 保山变1号主变保护间隙放电的分析
5.1 事故情况简介
2007年4月10日03时12分，220kV朝山Ⅰ回线两侧断路器跳闸，重合成功。保山变电站1号变压器（07年2月8日投产）中性点保护间隙放电，致使变压器高压侧201断路器三相跳闸，形成事故；而保山变电站2号主变中性点直接接地运行，变压器一切正常。
当时为雷雨天气，220kV朝山Ⅰ回线由朝阳变电站送往保山方向有功140MW。保山变电站220kV两条母线并列运行，220kV朝山Ⅰ回线276断路器、220kV大山Ⅰ回线279断路器、220kV码2号主变202断路器运行于Ⅱ段母线；220kV 1号主变201断路器运行于Ⅰ段母线。110kV保辛Ⅰ回线、Ⅱ回线送入站内的功率为36MW。220kV 1号主变高、中侧中性点通过保护间隙接地（即非直接接地）运行，220kV 2号主变高、中侧中性点直接接地运行。
初步分析，从微机保护及故障录波器所记录的故障信息分析，220kV朝山Ⅰ回线A相发生单相接地，同时保山变电站1号主变高压侧中性点保护间隙击穿，高压侧中性点间隙过流保护启动，朝山Ⅰ回线两侧保护启动出口单跳A相断路器，220kV朝山Ⅰ回线非全相运行，0.5秒后保山变电站 1号主变高压侧中性点间隙过流动作时限1出口跳201断路器，1秒后朝山Ⅰ回线两侧重合闸动作重合成功。
简单来说，朝山1回线单相接地，两侧保护正确动作，并重合成功。可是1号主变中性点保护间隙动作放电导致变压器高压侧三相跳闸，从而形成事故。
5.2 对间隙动作的分析
根据试验，在现有间隙的距离情况下，其工频击穿电压为102.5 kV。在系统单相接地时保护间隙的击穿表明在中性点实际出现的零序电压超过了102.5 kV的,可是从理论上计算的中性点零序电压稳态值仅为76.2kV ，实际出现的电压比计算的电压大34%。表明这是由于零序电压中的暂态分量较高的缘故。较高的暂态电压的产生即有线路单相接地的原因，也有单相跳闸瞬间非全相运行的原因。
由于目前还没有开展对系统上出现的暂态过电压的在线测量与研究，因此还不可能仔细解释这种电压的波形与幅值。显然这是一个很有必要开展在线测量与研究的问题。
220kV朝山Ⅰ回线在2007年4月10日03时12分的事故，两套微机测距都为47.2km ,可是故障录波的测距却是36.7km ,两者之差太大，究竟采用哪一个数据呢？假如故障点距保山变电站的距离为40km，线路沿途土壤的电阻率为1000 Ω·m ，这样从故障点到变电站的零序电抗就为69.6Ω。在变压器中性点上出现的零序电压暂态值为102.5kV，因此零序电流暂态值就为1.47kA。这样的电流能否起动间隙的过流保护？怎样防止继电保护的动作？这是系统保护研究与调整的课题，本文就不讨论了。
6、 220kV变压器中性点的保护
6.1 为何在中性点要采用空气间隙
在上世纪当氧化锌避雷器还未问世时，电力系统的设备都是采用的普通碳化硅阀型避雷器保护。220kV变压器的中性点，采用的是FZ—110避雷器保护。这种避雷器额定电压110kV，冲击放电电压310kV，5kA冲击残压332kV，对于全波和截波冲击耐受电压为400kV的中性点绝缘水平，FZ—110避雷器完全能保护好变压器的中性点。可是，问题就在于这种避雷器的灭弧电压只有100kV。
碳化硅阀型避雷器的灭弧电压是一个很重要的参数。在避雷器动作并且雷电冲击电压过去以后，在避雷器的串联间隙中还将流过工频续流。如果系统的工频电压低于灭弧电压，则避雷器能保证在工频续流第一次过零时熄灭；如果系统的工频电压高于灭弧电压，则避雷器中流过的工频续流就不能熄灭。工频续流不在第一次过零时熄灭，那在以后的过零时也很难熄灭，其结果避雷器就会爆炸。因此，在选择阀型避雷器时，必须注意其安装地点在任何情况下的工频电压或工频动态过电压都不得超过灭弧电压。
对于变压器中性点来说，在系统单相接地事故时，其电压就有可能超过上述灭弧电压100kV值。为了确保避雷器的安全，不得不采用空气间隙来限制可能出现的工频电压。
保山变电站 1号主变压器中性点采用的空气间隙的工频放电电压为102kV，正是为了限制中性点的工频电压不会超过避雷器的灭弧电压。
即是说，阀型避雷器保护变压器中性点，而空气间隙却是保护避雷器。
正如本文所述，这样的空气间隙反而带来了事故。
6.2 中性点的氧化锌避雷器保护
现在，在电力系统广泛应用了氧化锌避雷器，碳化硅阀型避雷器已被完全淘汰。变压器中性点的保护也采用了氧化锌避雷器。氧化锌避雷器没有并联间隙，没有工频放电电压、冲击放电电压以及灭弧电压等参数。氧化锌避雷器没有动作后的工频续流，也就不存在熄灭工频续流电弧的问题。即是说，氧化锌避雷器只按工频稳态电压U0选择，而不必顾及工频暂态过电压的问题。因此也就不存在避雷器要采用空气间隙来保护之需要。无论是工频过电压，还是雷电冲击过电压，氧化锌避雷器都能很好地保护。从这里看，根本不再需要保护间隙了。
6.3 氧化锌避雷器不需要空气间隙的保护
实际上，保山变电站主变压器中性点就是采用氧化锌避雷器保护的。此氧化锌避雷器的额定电压为146kV，变压器中性点的一分钟工频耐受电压为200kV。因此，这样的氧化锌避雷器完全能保护好变压器的中性点。氧化锌避雷器可以适当过电压，只要施加的电压不超过额定电压的一倍，它就不会损坏。这里氧化锌避雷器的额定电压为146kV，它的一倍是292kV,即可能使它损坏的电压为292kV。中性点的绝缘水平才200kV，那里不可能有292kV电压出现。因此，完全没有必要采用空气间隙来保护避雷器。
6.4 保山变电站#1主变压器事故的原因
保山变电站1号主变压器中性点现有空气间隙为343mm，工频放电电压只有102kV，太低了。在工频暂态过电压下间隙动作，导致主变三相跳闸。这就是事故的真正原因。
7、 小结
保山变电站 1号主变压器三相跳闸事故的原因在于空气间隙在暂态过电压下的动作。变压器中性点的保护采用氧化锌避雷器后，根本没有必要再采用空气间隙相配合。
建议全系统对主变中性点的保护进行一次全面的检查，如果仍用碳化硅阀型避雷器保护的，全部撤换为氧化锌避雷器保护，同时撤除空气间隙。
8、 参考文献
（1） 梅忠恕，输电线路参数的测试和计算方法，《云南电力技术》1997年第4期。
（2） R·维尔罕姆，M·华德斯等，高压输电系统的中性点接地，中国工业出版社，1966年4月。
（3） 保山供电局，关于高电压及设备绝缘需要解答的几个问题
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