110～220kV變壓器中性點保護間隙距離計算選擇

110～220kV變壓器中性點保護間隙距離計算選擇摘要：根據(jù)過電壓及絕緣配合要求，總結110～220kV變壓器中性點保護間隙的整定計算原則，根據(jù)目前電力系統(tǒng)實際情況，計算110～220kV變壓器中性點保護間隙可調范圍值，并提出保護間隙可調范圍通用設計值，以供設計單位及中性點設備廠家參考。關鍵詞：變壓器中心點保護間隙；棒間隙距離；過電壓及絕緣配合中圖分類號：0

引言電力系統(tǒng)中110～220kV變壓器中性點可采用直接接地方式，部分變壓器中性點根據(jù)運行要求也可采用不接地方式。為防止在有效接地系統(tǒng)中偶然出現(xiàn)局部不接地系統(tǒng)，并產(chǎn)生較高工頻過電壓損害變壓器中性點絕緣，110～220kV不接地變壓器的中性點應采用水平布置的棒間隙保護，當因接地故障形成局部不接地系統(tǒng)時，該間隙應動作。當系統(tǒng)以有效接地系統(tǒng)方式運行發(fā)生單相接地故障時，該間隙不應動作。該間隙距離還應兼顧雷電過電壓下保護變壓器中性點標準分級絕緣的要求。保護間隙雖有限制過電壓的能力，但其熄弧能力差，實際工程中常采用在保護間隙旁邊并聯(lián)金屬氧化物避雷器，避雷器作為雷電沖擊過電壓主保護，保護間隙為后備保護。另外，保護間隙的工頻擊穿電壓還應與避雷器持續(xù)運行電壓配合，以免避雷器長時間運行在中性點工頻過電壓下而被損壞。1

變壓器中性點過電壓110～220kV變壓器中性點采用經(jīng)隔離開關接地，并配置與隔離開關并聯(lián)的中性點避雷器及放電間隙，其典型電氣接線示意見圖1。當中性點隔離開關處于合閘位置時，變壓器中性點為直接接地；當中性點隔離開關處于分閘位置時，變壓器中性點為經(jīng)棒間隙接地。圖1

110～220kV變壓器中性點成套裝置接線示意圖（1）侵入雷電波過電壓。當雷擊線路時，雷電沖擊波侵入變壓器，在三相同時進波時，變壓器不接地的中性點類似于開路情況，在中性點產(chǎn)生的雷電過電壓最嚴重情況可達波幅值的2倍。此過電壓會對分級絕緣的變壓器中性點造成危害。此情況下，宜優(yōu)先裝設無間隙金屬氧化物避雷器MOA作為主保護，間隙可作為后備保護。（2）單相接地故障引起的工頻過電壓系統(tǒng)以有效接地方式運行發(fā)生單相接地故障，由對稱系統(tǒng)過渡到不對稱系統(tǒng)，變壓器中性點出現(xiàn)工頻過電壓，過電壓幅值可由系統(tǒng)零序阻抗、正序阻抗采用對稱分量法計算，最大不超過0.6倍系統(tǒng)最高運行相電壓。此情況下，間隙不應動作。系統(tǒng)故障前以有效接地方式運行，但因接地故障斷路器跳閘后形成局部不接地系統(tǒng)，且變壓器低壓側有電源時，變壓器中性點位移電壓將上升至相電壓，該電壓對中性點絕緣水平較低的分級絕緣變壓器構成威脅。此情況下，間隙應動作。（3）非全相運行時在中性點引起的過電壓系統(tǒng)在單相重合閘、線路熔斷器非全相熔斷、線路斷線、斷路器單相或兩相拒動/不同期切合時，中性點會出現(xiàn)異常的過電壓，過電壓幅值可達2.0倍系統(tǒng)最高運行相電壓，危及110～220kV中性點不接地變壓器的中性點絕緣。此情況下，宜裝設間隙保護，當繼電保護裝置設置有缺相保護時，也可裝設無間隙MOA保護。2

變壓器中性點間隙距離計算原則（1）系統(tǒng)以有效接地方式運行發(fā)生單相接地故障時，中性點棒間隙不應動作。系統(tǒng)以有效接地方式運行，發(fā)生單相接地故障后，在中性點直接接地系統(tǒng)中，變壓器中性點產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)過電壓為：

式（1）式中：為振蕩系數(shù)；為最高運行相電壓；（系統(tǒng)零序電抗/系統(tǒng)正序電抗）。中性點棒間隙的工頻擊穿電壓有效值應滿足式（2）要求：式（2）式中：為棒間隙的工頻擊穿電壓有效值，kV；為安全系數(shù)，對外絕緣取值為1.05；為大氣修正系數(shù)，（其中H為設備安裝地點的海拔高度，單位m；為指數(shù)，對空氣間隙的工頻擊穿電壓、雷電擊穿電壓，取值1.0）；σ為空氣間隙工頻擊穿電壓的標準偏差，一般取值0.03。（2）間隙的工頻擊穿電壓應低于變壓器中性點的短時工頻耐受電壓。為保護變壓器中性點絕緣，應使間隙的工頻擊穿電壓低于變壓器中性點的1min短時工頻耐受電壓：式（3）式中：為變壓器中性點的1min短時工頻耐受電壓有效值，kV。（3）間隙的工頻擊穿電壓應低于并聯(lián)避雷器的持續(xù)運行電壓。為避免間隙并聯(lián)避雷器長時間運行在工頻過電壓下而導致其損壞甚至爆炸，宜使間隙的工頻擊穿電壓低于避雷器的持續(xù)運行電壓（若配合有困難，可提高至避雷器的額定電壓，但故障必須在10s內切除）：式（4）式中：為避雷器的持續(xù)運行電壓有效值，kV。（4）間隙的雷電沖擊擊穿電壓應低于變壓器中性點的雷電沖擊耐受電壓。為保護變壓器中性點絕緣，應使間隙的雷電沖擊擊穿電壓低于變壓器中性點的額定雷電沖擊耐受電壓：

式（5）式中：-棒間隙的50%雷電沖擊擊穿電壓（峰值），kV;為變壓器中性點的雷電沖擊耐受電壓（峰值），kV。（5）根據(jù)棒間隙擊穿電壓計算值，對照棒間隙擊穿電壓曲線，查取對應的棒間隙值（最大值、最小值），選取用于設備訂貨的棒間隙可調范圍，形成可廣泛使用的標準化通用設計值。3

變壓器中性點保護間隙距離計算實例3.1設備參數(shù)根據(jù)《絕緣配合第1部分定義、原則和規(guī)則》GB311.1-2012要求，110～220kV變壓器中性點額定耐受電壓參數(shù)如下：表1

110kV～220kV變壓器中性點額定耐受電壓數(shù)據(jù)來源110kV主變中性點（不固定接地方式下）220kV主變中性點（不固定接地方式下）雷電沖擊耐受電壓（峰值，kV）短時工頻耐受電壓（有效值，kV）雷電沖擊耐受電壓（峰值，kV）短時工頻耐受電壓（有效值，kV）GB311.1國標要求值25095400200注：表中耐受電壓基于設備運行條件為正常環(huán)境條件，已按海拔1000m進行了修正。根據(jù)《交流無間隙金屬氧化物避雷器》GB11032-2010要求，110kV～220kV變壓器中性點MOA標準參數(shù)如下：表2

110kV～220kV變壓器中性點MOA標準參數(shù)主變壓器中性點避雷器額定電壓（kV）持續(xù)運行電壓（kV）標稱放電電流（kA）1.5kA雷電沖擊電流下的最大殘壓（峰值，kV）110kV中性點避雷器72581.5186220kV中性點避雷器1441161.53203.2系統(tǒng)參數(shù)110～220kV系統(tǒng)中性點采用有效接地方式，國標GB/T50064-2014要求在各種條件下系統(tǒng)的零序電抗與正序電抗之比（）應為正值并且不應大于3?，F(xiàn)狀系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)零序電抗略小于正序電抗的情況，例如。根據(jù)中性點穩(wěn)態(tài)過電壓計算公式（1）分析可知，的比值越大，穩(wěn)態(tài)過電壓的數(shù)值越高；的比值越小，穩(wěn)態(tài)過電壓的數(shù)值越低。鑒于保護間隙設備參數(shù)選取宜滿足通用性要求，取110～220kV系統(tǒng)計算條件為：（適用于當前電網(wǎng)大部分情況，若有特例，應按實際比值計算）。3.3間隙距離計算示例3.3.1110kV變壓器中性點保護間隙距離計算計算條件：海拔H=1000m；；110kV變壓器中性點絕緣水平取國標要求值，雷電沖擊耐受電壓250kV（峰值），短時工頻耐受電壓95kV（有效值）。Step1：計算大氣修正系數(shù)。Step2：系統(tǒng)以有效接地方式運行發(fā)生單相接地故障時，中性點棒間隙不應動作。系統(tǒng)以有效接地方式運行，發(fā)生單相接地故障后，在中性點直接接地系統(tǒng)中，變壓器中性點產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)過電壓為：（）（）中性點棒間隙的工頻擊穿電壓有效值應滿足：（）（）Step3：間隙的工頻擊穿電壓應低于變壓器中性點的短時工頻耐受電壓。因110kV變壓器中性點絕緣水平的國標要求值短時工頻耐受電壓95kV（有效值）已按海拔1000m進行了修正，此處計算中取。Step4：間隙的工頻擊穿電壓應低于并聯(lián)避雷器的持續(xù)運行電壓。Step5：間隙的雷電沖擊擊穿電壓應低于變壓器中性點的雷電沖擊耐受電壓。因110kV變壓器中性點絕緣水平的國標要求值雷電沖擊耐受電壓250kV（峰值）已按海拔1000m進行了修正，此處計算中取。Step6：保護間隙取值。綜上，間隙的工頻擊穿電壓、雷電沖擊擊穿電壓滿足以下條件：間隙的工頻擊穿電壓（有效值）：；間隙的雷電沖擊擊穿電壓（峰值）：。對照棒間隙擊穿電壓曲線（基于海拔H=0m條件下），查取間隙可調范圍：工頻擊穿電壓要求的間隙范圍：；雷電沖擊擊穿電壓要求的間隙范圍：。小結：海拔H=1000m條件下，系統(tǒng)參數(shù)滿足，110kV變壓器中性點采用GB311.1標準絕緣水平或高于標準絕緣水平，中性點避雷器采用標準參數(shù)時，110kV變壓器中性點的保護間隙距離可取。具體項目保護間隙距離整定值需根據(jù)其實際值采用上述流程計算得出。3.3.2高海拔地區(qū)變壓器中性點保護間隙距離計算工程實際運行環(huán)境條件多變，為便于設備統(tǒng)一設計及制造，實際運用中可將海拔高度劃分為5檔：0m、1000m、2000m、3000m、4000m。根據(jù)前述計算流程，分別計算各檔位海拔條件下變壓器中性點保護間隙距離。海拔（大氣）修正系數(shù)計算結果見下表：表3

海拔修正系數(shù)海拔高度（m）010002000300040001.01.1311.2781.4451.6340.8851.01.1311.2781.445當系統(tǒng)參數(shù)取，變壓器中性點采用GB311.1要求的標準絕緣水平，中性點避雷器采用標準參數(shù)時，各檔位海拔條件下變壓器中性點保護間隙擊穿電壓要求值的計算結果見表4。根據(jù)表4計算結果，對照棒間隙擊穿電壓曲線（基于海拔H=0m條件下），查取間隙距離的要求范圍，詳見表5。表4

保護間隙擊穿電壓要求值海拔高度（m）01000200030004000110kV變壓器中性點保護間隙的工頻擊穿電壓要求（kV，有效值）26.05（35.97）＜Ubg＜50.6829.45（40.67）＜Ubg＜57.3033.30（45.98）＜Ubg＜64.7737.64（51.98）＜Ubg＜73.2342.56（58.77）＜Ubg＜82.79110kV變壓器中性點保護間隙的雷電沖擊擊穿電壓要求（kV，峰值）UbL＜193.21UbL＜218.44UbL＜246.95UbL＜279.19UbL＜315.64220kV變壓器中性點保護間隙的工頻擊穿電壓要求（kV，有效值）52.10（71.95）＜Ubg＜101.3558.90（81.34）＜Ubg＜114.5966.59（91.96）＜Ubg＜129.5475.28（103.96）＜Ubg＜146.4685.11（117.53）＜Ubg＜165.57220kV變壓器中性點保護間隙的雷電沖擊擊穿電壓要求（kV，峰值）UbL＜309.14UbL＜349.50UbL＜395.12UbL＜446.70UbL＜505.02備注：保護間隙的工頻擊穿電壓最小要求值按邊界值計算，括號外數(shù)據(jù)按計算得出，括號內數(shù)據(jù)按計算得出。表5

保護間隙距離要求值海拔高度（m）01000200030004000工頻擊穿電壓要求的110kV變壓器中性點保護間隙距離L整定要求（mm）92.10(127.17)＜L＜179.18104.12（143.79）＜L＜202.59117.73（162.56）＜L＜228.99133.08（183.78）＜L＜258.91150.47（207.78）＜L＜292.71雷電沖擊擊穿電壓要求的110kV變壓器中性點保護間隙距離L整定要求（mm）L＜189.82L＜227.66L＜270.43L＜318.78L＜373.45工頻擊穿電壓要求的220kV變壓器中性點保護間隙距離L整定要求（mm）184.20（254.38）＜L＜358.33208.24（287.58）＜L＜405.14235.43（325.13）＜L＜459.93266.16（367.55）＜L＜517.81300.91（415.53）＜L＜585.38雷電沖擊擊穿電壓要求的220kV變壓器中性點保護間隙距離L整定要求（mm）L＜363.71L＜424.25L＜492.68L＜570.06L＜657.53備注：保護間隙距離L整定要求按邊界值計算，括號外數(shù)據(jù)按計算得出，括號內數(shù)據(jù)按計算得出。4

結語110～220kV變壓器中性點保護間隙距離最小值由系統(tǒng)參數(shù)“”控制，受海拔高度影響；變壓器中性點短時工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓、并聯(lián)MOA的持續(xù)運行電壓為間隙距離最大值的計算條件，其中并聯(lián)MOA的持續(xù)運行電壓作為間隙距離最大值的控制條件。為便于工程設計及設備制造標準化，表6給出各檔海拔范圍條件下，中性點保護間隙可調范圍的推薦設計值。該值適用于對應海拔范圍條件下，系統(tǒng)參數(shù)滿足，變壓器中性點采用GB311.1要求的標準絕緣水平或高于其規(guī)定的準絕緣水平，中性點避雷器采用GB11032推薦的標準參數(shù)時，保護間隙出廠可調范圍標準值，滿足實際工程需求。表6

變壓器中性點保護間隙距離可調范圍選擇海拔高度（m）110kV變壓器中性點保護間隙距離設計推薦值（mm）220kV變壓器中性點保護間隙距離設計推薦值（mm）0～1000100～200200～4001000～2000100～200200～4002000～3000150～300250～5003000～4000150～300250～5004000～5000200～400300～600具體項目的變壓器中性點保護間隙距離整定值需根據(jù)其實際值，考慮工程地實際海拔高度影響、變壓器中性點耐受電壓、并聯(lián)MOA的持續(xù)運行電壓等因素，采用前述流程計算得出，以滿足實際運行時，間隙能保護變壓器中性點絕緣，并兼顧保護并聯(lián)MOA安全運行。參考文獻[1]《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規(guī)范》：GB/T50064，2014．[2]《絕緣配合第1部分定義、原則和規(guī)則》：GB311.1，2012.[3]《絕緣配合第２部分：使用導則》：GB/T311.2，2013．[4