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主变压器中性点接地及保护的应用

2015年07月08日字体:
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主变压器中性点接地及保护的应用
大型变压器是电力生产的核心设备,由于其成本较高,故在110kV及以上的中性点直接接地的电网中,普遍采用分级绝缘的变压器
在中性点直接接地的电网中,接地短路故障是较常见的故障(约占故障总数的85%以上)。虽然在实际运行中,部分变压器的中性点是直接接地的,它能够反映变压器高压绕组、引出线上的接地短路故障,并可作为大型电力变压器的主保护和相邻母线、线路接地保护的后备保护。但还有部分变压器的中性点不接地运行,当系统发生接地故障,中性点接地的变压器跳开后,电网零序电压升高或谐振过电压等都会危及这些不接地的变压器中性点绝缘。因此,处于该系统中运行的大型变压器必须装设中性点保护。
一、变压器中性点过电压的三种保护方式
变压器中性点过电压保护可采用间隙、避雷器避雷器联合放电间隙三种方式。变压器中性点的过电压可分为三种形式:大气过电压、单相接地故障引起的过电压断路器非全相分合闸引起的过电压。
(一)间隙
间隙的优点是结构简单可靠、运行维护量小,在雷电、操作和工频过电压下都可对变压器进行保护;缺点是间隙参数确定较为困难、放电分散性大、保护性能一般、工频续流较大、灭弧能力差、在系统有不对称接地短路故障时有较大和较长时间的工频零序电流冲击主变压器,另外,间隙放电产生的谐波对主变压器的绕组绝缘也有一定的影响。
(二)避雷器
避雷器具有优异的非线性伏安特性,残压随冲击电流波头时间变化的特性平稳,陡波响应特性好,无间隙的击穿和灭弧问题,通流容量大,无续流,动作迅速,对主变压器冲击小;其缺点是不能防护工频过电压,在较高的工频过电压下往往自身难保,需定期进行预防性试验,维护工作量较大。
(三)避雷器联合放电间隙
避雷器并联间隙的保护分工是工频、操作过电压由间隙承担,雷电、暂态过电压由避雷器承担,同时,又用间隙来限制避雷器上可能出现的过高幅值的工频过电压和过高的残压。这种方式既对变压器中性点进行保护,又起到互为保护的作用。但间隙与避雷器配合时,间隙的距离大小较难掌握。间隙距离不能太小,以防止在接地暂态过电压下动作,引起保护装置过多动作;同时,间隙也不能太大,否则,起不到限制工频过电压、保护避雷器的作用。发电厂采用第三种方式较多,即避雷器联合放电间隙,放电间隙采用棒-棒间隙,避雷器多配置为氧化锌避雷器。
二、变压器中性点间隙过流保护
为防止工频过电压损坏变压器中性点绝缘,对主变压器中性点目前普遍采取装设放电间隙的措施,并利用中性点套管电流互感器或在放电间隙回路装设独立的电流互感器,构成变压器中性点放电间隙零序过电流保护(简称"间隙过流"保护)。"间隙过流"保护在实际应用中有下列几种典型接线方式:
1间隙过流保护主变压器零序过流保护共用一组电流互感器,如图1所示。

图1 共用电流互感器接线图
主变压器零序电流继电器与间隙过流继电器的电流线圈串接在中性点接地的电流互感器上。两个电流继电器的动作值不同,且两种接地电流的性质不同。零序过流主要是工频量;间隙过流具有间隙、分段发展的性质,间歇时间和电流幅值均为随机性,且含有大量的谐波分量。
2.将两套保护的电流互感器相互独立,即交流回路分开,分别接在各自的正确位置处,如图2所示。此方案较为合理,但费用高。

图2 电流互感器相互独接线图

3.变压器出厂时装设了主变压器中性点CT,为降低费用,零序过流采用主变压器自带中性点CT,间隙过流采用单独CT的综合接线,如图3所示:
 
图3 综合接线示意图
三、发电厂主变压器的中性点接地要求
在通常情况下,发电厂的主变压器至少有1台中性点直接接地。如果电厂主变压器中性点不接地运行,在线路发生单相接地故障时,电网对侧线路开关接地保护动作跳闸;由于零序网络不通,电厂侧线路开关不流过零序电流,接地保护不会动作。而在电网对侧线路开关跳闸之后,电厂升压站所处的系统由大电流接地系统转变成小电流接地系统,故障相电压降低,非故障相电压升高,对整个电厂升压站系统的绝缘都会造成损害。
发电厂的线路跳闸时,发电机可能会突然甩负荷。发电机输送功率P愈大,功率因数愈小,发电机的暂态电动势E愈高;同时,发电机甩负荷后,转子欲超速运转,系统频率有上升趋势(取决于系统容量),发电机的暂态电动势E也成比例上升,系统的电压升高,如果主变压器中性点不接地运行则可能危及整个系统的绝缘。因此,电厂主变压器至少有1台中性点接地运行,但接地主变压器中性点的数量不能随意。保护整定若按1台主变压器接地运行计算,当有2台主变压器接地时,如果发生系统接地产生零序电流,就会产生分流,使得零序电流达不到整定值而启动不了正常的保护。
四、变压器中性点的运行操作注意事项
(一)中性点接地闸刀操作
在拉、合主变压器高压开关时,必须合上此主变压器高压侧的中性点接地闸刀,以防操作过电压对设备的损伤。
因运行方式改变,需要倒换不同变压器的中性点接地闸刀时,应先合上不接地变压器的中性点接地闸刀,然后,再拉开接地变压器的中性点接地闸刀,且2个接地点的并列时间越短越好。这样,可防止在此期间电网发生接地故障时,因单相接地短路电流大幅度的增大,而扩大电网中零序保护的动作范围,使电网中的保护有可能出现越级跳闸。同时,对并列接地的变压器而言,在2个中性点并列接地,当变压器某侧母线发生接地故障时,由于并列接地闸刀的分流作用,使变压器零序保护的灵敏度降低,有可能造成变压器保护拒动。
(二)相关二次压板的对应关系
在操作主变压器中性点接地闸刀时,还要操作相关的二次保护压板。
1.由图3可知,在中性点直接接地的变压器运行时,必须将"零序过流"保护跳闸压板2LP投入,"间隙过流"保护的跳闸压板1LP及时退出,否则,在主变压器中性点接地闸刀合闸的情况下"间隙过流"保护可能误动。
在主变压器中性点接地闸刀拉开时,"间隙过流"保护压板1LP必须投入,"零序过流"保护压板2LP可以考虑退出。虽然"零序过流"保护定值远大于"间隙过流"保护定值,但由于"间隙过流"的电流性质不稳定,如果触发了"零序电流"出口,会给运行的事故处理、判断带来不便。不同企业的二次接线有一定的差别,具体操作要根据实际情况确定。
2.由图2可知,装有此类保护的大型电力变压器零序电流保护和主变压器间隙过流保护压板可全部投入,无须投退切换, 2套零序保护可通过主变压器中性点接地闸刀的分、合自动投退。
3.接线较多的是图3所示类型。从图3中可知,它的"零序过流"保护同样存在第一种类似情况,为减少保护压板的操作,设计时有的已考虑将主变压器中性点接地闸刀的二次接点接入保护回路中。如早期继电器式保护中,用主变压器中性点接地闸刀常闭接点并联在"零序过流"CT两端,当主变压器中性点接地闸刀分闸时,常闭接点短接"零序电流"CT,"零序电流"保护自动退出。
当主变压器中性点接地闸刀合闸时,中性点接地闸刀短接"间隙过流"CT一次侧,"间隙过流"保护自动退出。
采用微机保护后,用主变压器中性点接地闸刀二次接点接入微机保护中来自动判断,但不同企业会有一定的差别,在杭州华电半山发电有限公司的T60保护中(如图4所示),与中性点闸刀相关的保护压板有3块(1块间隙过流、2块零序过流)。220 kV及以上的大型变压器一般采用双套保护,故实际有6块二次保护压板,在此以1套保护为例进行说明。

图4 T60保护零序电流、间隙过流部分示意图
由图4可知,"间隙过流"是自动与主变压器中性点接地闸刀对应的(其实在一次回路上已经有此功能,只是这样更保险);但"零序过流"保护还是存在第一点中的类似情况。为此,建议修改保护逻辑 (如图5所示),增加虚线部分,不必再操作二次压板。在未修改逻辑前,保护压板必须与中性点接地闸刀相对应。对应的关系是主变压器中性点接地闸刀合闸,投2块"零序过流"压板,撤出1块"间隙过流"压板;主变压器中性点接地闸刀分闸,投1块"间隙过流"压板,撤出2块"零序过"压板。

图5 改进后的示意图流
(三)中性点的操作中一、二次的配合问题
下面再分析在主变压器中性点接地闸刀操作时,与保护压板配合的问题。以充电运行的主变压器停役操作为例,说明压板配合操作的先后顺序。
假设充电运行的主变压器中性点接地闸刀是分闸的,它的1块"间隙过流"保护压板投入, 2块"零序过流"保护压板撤出。操作如下:
操作时必须先合主变压器中性点接地闸刀,且在合中性点接地闸刀前,应先投入2块"零序过流"压板,再合中性点接地闸刀;合好闸刀,再取下1块"间隙过流"压板;最后拉大型变压器是电力生产的核心设备,由于其成本较高,故在110kV及以上的中性点直接接地的电网中,普遍采用分级绝缘的变压器
在中性点直接接地的电网中,接地短路故障是较常见的故障(约占故障总数的85%以上)。虽然在实际运行中,部分变压器的中性点是直接接地的,它能够反映变压器高压绕组、引出线上的接地短路故障,并可作为大型电力变压器的主保护和相邻母线、线路接地保护的后备保护。但还有部分变压器的中性点不接地运行,当系统发生接地故障,中性点接地的变压器跳开后,电网零序电压升高或谐振过电压等都会危及这些不接地的变压器中性点绝缘。因此,处于该系统中运行的大型变压器必须装设中性点保护。
一、变压器中性点过电压的三种保护方式
变压器中性点过电压保护可采用间隙、避雷器避雷器联合放电间隙三种方式。变压器中性点的过电压可分为三种形式:大气过电压、单相接地故障引起的过电压断路器非全相分合闸引起的过电压。
(一)间隙
间隙的优点是结构简单可靠、运行维护量小,在雷电、操作和工频过电压下都可对变压器进行保护;缺点是间隙参数确定较为困难、放电分散性大、保护性能一般、工频续流较大、灭弧能力差、在系统有不对称接地短路故障时有较大和较长时间的工频零序电流冲击主变压器,另外,间隙放电产生的谐波对主变压器的绕组绝缘也有一定的影响。
(二)避雷器
避雷器具有优异的非线性伏安特性,残压随冲击电流波头时间变化的特性平稳,陡波响应特性好,无间隙的击穿和灭弧问题,通流容量大,无续流,动作迅速,对主变压器冲击小;其缺点是不能防护工频过电压,在较高的工频过电压下往往自身难保,需定期进行预防性试验,维护工作量较大。
(三)避雷器联合放电间隙
避雷器并联间隙的保护分工是工频、操作过电压由间隙承担,雷电、暂态过电压由避雷器承担,同时,又用间隙来限制避雷器上可能出现的过高幅值的工频过电压和过高的残压。这种方式既对变压器中性点进行保护,又起到互为保护的作用。但间隙与避雷器配合时,间隙的距离大小较难掌握。间隙距离不能太小,以防止在接地暂态过电压下动作,引起保护装置过多动作;同时,间隙也不能太大,否则,起不到限制工频过电压、保护避雷器的作用。发电厂采用第三种方式较多,即避雷器联合放电间隙,放电间隙采用棒-棒间隙,避雷器多配置为氧化锌避雷器。
二、变压器中性点间隙过流保护
为防止工频过电压损坏变压器中性点绝缘,对主变压器中性点目前普遍采取装设放电间隙的措施,并利用中性点套管电流互感器或在放电间隙回路装设独立的电流互感器,构成变压器中性点放电间隙零序过电流保护(简称"间隙过流"保护)。"间隙过流"保护在实际应用中有下列几种典型接线方式:
1间隙过流保护主变压器零序过流保护共用一组电流互感器,如图1所示。

图1 共用电流互感器接线图
主变压器零序电流继电器与间隙过流继电器的电流线圈串接在中性点接地的电流互感器上。两个电流继电器的动作值不同,且两种接地电流的性质不同。零序过流主要是工频量;间隙过流具有间隙、分段发展的性质,间歇时间和电流幅值均为随机性,且含有大量的谐波分量。
2.将两套保护的电流互感器相互独立,即交流回路分开,分别接在各自的正确位置处,如图2所示。此方案较为合理,但费用高。

图2 电流互感器相互独接线图

3.变压器出厂时装设了主变压器中性点CT,为降低费用,零序过流采用主变压器自带中性点CT,间隙过流采用单独CT的综合接线,如图3所示:
 
图3 综合接线示意图
三、发电厂主变压器的中性点接地要求
在通常情况下,发电厂的主变压器至少有1台中性点直接接地。如果电厂主变压器中性点不接地运行,在线路发生单相接地故障时,电网对侧线路开关接地保护动作跳闸;由于零序网络不通,电厂侧线路开关不流过零序电流,接地保护不会动作。而在电网对侧线路开关跳闸之后,电厂升压站所处的系统由大电流接地系统转变成小电流接地系统,故障相电压降低,非故障相电压升高,对整个电厂升压站系统的绝缘都会造成损害。
发电厂的线路跳闸时,发电机可能会突然甩负荷。发电机输送功率P愈大,功率因数愈小,发电机的暂态电动势E愈高;同时,发电机甩负荷后,转子欲超速运转,系统频率有上升趋势(取决于系统容量),发电机的暂态电动势E也成比例上升,系统的电压升高,如果主变压器中性点不接地运行则可能危及整个系统的绝缘。因此,电厂主变压器至少有1台中性点接地运行,但接地主变压器中性点的数量不能随意。保护整定若按1台主变压器接地运行计算,当有2台主变压器接地时,如果发生系统接地产生零序电流,就会产生分流,使得零序电流达不到整定值而启动不了正常的保护。
四、变压器中性点的运行操作注意事项

(一)中性点接地闸刀操作
在拉、合主变压器高压开关时,必须合上此主变压器高压侧的中性点接地闸刀,以防操作过电压对设备的损伤。
因运行方式改变,需要倒换不同变压器的中性点接地闸刀时,应先合上不接地变压器的中性点接地闸刀,然后,再拉开接地变压器的中性点接地闸刀,且2个接地点的并列时间越短越好。这样,可防止在此期间电网发生接地故障时,因单相接地短路电流大幅度的增大,而扩大电网中零序保护的动作范围,使电网中的保护有可能出现越级跳闸。同时,对并列接地的变压器而言,在2个中性点并列接地,当变压器某侧母线发生接地故障时,由于并列接地闸刀的分流作用,使变压器零序保护的灵敏度降低,有可能造成变压器保护拒动。
(二)相关二次压板的对应关系
在操作主变压器中性点接地闸刀时,还要操作相关的二次保护压板。
1.由图3可知,在中性点直接接地的变压器运行时,必须将"零序过流"保护跳闸压板2LP投入,"间隙过流"保护的跳闸压板1LP及时退出,否则,在主变压器中性点接地闸刀合闸的情况下"间隙过流"保护可能误动。
在主变压器中性点接地闸刀拉开时,"间隙过流"保护压板1LP必须投入,"零序过流"保护压板2LP可以考虑退出。虽然"零序过流"保护定值远大于"间隙过流"保护定值,但由于"间隙过流"的电流性质不稳定,如果触发了"零序电流"出口,会给运行的事故处理、判断带来不便。不同企业的二次接线有一定的差别,具体操作要根据实际情况确定。
2.由图2可知,装有此类保护的大型电力变压器零序电流保护和主变压器间隙过流保护压板可全部投入,无须投退切换, 2套零序保护可通过主变压器中性点接地闸刀的分、合自动投退。
3.接线较多的是图3所示类型。从图3中可知,它的"零序过流"保护同样存在第一种类似情况,为减少保护压板的操作,设计时有的已考虑将主变压器中性点接地闸刀的二次接点接入保护回路中。如早期继电器式保护中,用主变压器中性点接地闸刀常闭接点并联在"零序过流"CT两端,当主变压器中性点接地闸刀分闸时,常闭接点短接"零序电流"CT,"零序电流"保护自动退出。
当主变压器中性点接地闸刀合闸时,中性点接地闸刀短接"间隙过流"CT一次侧,"间隙过流"保护自动退出。
采用微机保护后,用主变压器中性点接地闸刀二次接点接入微机保护中来自动判断,但不同企业会有一定的差别,在杭州华电半山发电有限公司的T60保护中(如图4所示),与中性点闸刀相关的保护压板有3块(1块间隙过流、2块零序过流)。220 kV及以上的大型变压器一般采用双套保护,故实际有6块二次保护压板,在此以1套保护为例进行说明。

图4 T60保护零序电流、间隙过流部分示意图
由图4可知,"间隙过流"是自动与主变压器中性点接地闸刀对应的(其实在一次回路上已经有此功能,只是这样更保险);但"零序过流"保护还是存在第一点中的类似情况。为此,建议修改保护逻辑 (如图5所示),增加虚线部分,不必再操作二次压板。在未修改逻辑前,保护压板必须与中性点接地闸刀相对应。对应的关系是主变压器中性点接地闸刀合闸,投2块"零序过流"压板,撤出1块"间隙过流"压板;主变压器中性点接地闸刀分闸,投1块"间隙过流"压板,撤出2块"零序过"压板。

图5 改进后的示意图流
(三)中性点的操作中一、二次的配合问题
下面再分析在主变压器中性点接地闸刀操作时,与保护压板配合的问题。以充电运行的主变压器停役操作为例,说明压板配合操作的先后顺序。
假设充电运行的主变压器中性点接地闸刀是分闸的,它的1块"间隙过流"保护压板投入, 2块"零序过流"保护压板撤出。操作如下:
操作时必须先合主变压器中性点接地闸刀,且在合中性点接地闸刀前,应先投入2块"零序过流"压板,再合中性点接地闸刀;合好闸刀,再取下1块"间隙过流"压板;最后拉