輸變電工程設計：110kV、220kV變壓器中性點放電間隙配置原則

一、放電間隙的原理與作用

放電間隙的工作原理：在正常情況下，帶電部分與大地被間隙隔開，而當通過過電壓時，間隙被擊穿，過電流就被泄入大地，使線路絕緣子或其他電氣設備的絕緣不致發生閃絡。放電間隙是最簡單的過電壓保護裝置，構造簡單，成本低，容易維護，但保護特性較差。由于放電間隙熄弧能力差。放電間隙動作主要由于以下幾種原因造成:(1)雷擊造成;(2)雷擊后造成系統發生單相接地故障，即大氣過電壓和內部過電壓共同作用;(3)內部過電壓。

我國110kV及以上電力系統為中性點有效接地系統，但是不是所有的110kV及以上電壓等級的變壓器中性點都要直接接地，因為考慮到系統短路容量的問題，如果全部接地，系統短路容量太大，斷路器切很難斷故障電流，因此要部分直接接地，不接地的變壓器中性點要采取間隙保護措施，間隙一般串聯電流互感器，當間隙放電時用零序電流來啟動變壓器后備保護，跳開各側斷路器，保護變壓器。中性點有效接地系統所使用的變壓器為分級絕緣結構，即變壓器繞組中性點的絕緣水平低于繞組端部絕緣水平，按國家標準GB311《高壓輸變電設備的絕緣配合》規定：見下表

在有效接地系統中，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整定配置等要求，將部分變壓器中性點不直接接地運行，形成局部不接地系統。

對于有效接地系統，變壓器中性點是直接接地的，其中性點不需要采取過電壓保護措施，而對中性點不接地的變壓器，中性點絕緣就必須采取過電壓保護。當雷電波從線路侵入變電站到達變壓器中性點以及系統單相接地、非全相運行、特別是伴隨產生變壓器勵磁電感與線路對地電容諧振時，會產生較高的雷電過電壓或工頻暫態過電壓，對分級絕緣變壓器中性點構成威脅，甚至使絕緣損壞。因此，對局部不接地系統的變壓器中性點的過電壓保護需采用氧化鋅避雷器加并聯間隙的保護方式。

變壓器中性點配置的放電間隙和避雷器都是為了防止由于過電壓造成中性點絕緣損壞。但二者不盡相同。變壓器，中性點產生過電壓分為內部過電壓和外部侵人造成過電壓2種。由于諧振過電壓和操作過電壓可以通過一些有效的措施解決，變壓器中性點的內部過電壓主要是指工頻過電壓，即系統發生單相接地時，中性點產生的位移電壓。外部侵人過電壓是指雷擊過電壓。

當避雷器和放電間隙并聯使用時，間隙的配置同時要考慮變壓器的沖擊放電電壓和工頻耐壓水平，放電間隙用來防止內部過電壓，避雷器用來防止雷擊過電壓。

在變壓器中性點放電間隙和避雷器配合使用時，應滿足如下要求:

(1)、當變壓器中性點電壓達到或超過其工頻耐受電壓時，放電間隙應能可靠動作，從而在工頻過電壓時，起到保護變壓器中性點絕緣的作用。

(2)、保護間隙的放電電壓應大于因電網一相接地而引起的中性點電位升高的暫態值，以免繼電保護不能正確動作。

(3)、當大氣過電壓時，盡量由避雷器保護變壓器，棒-棒間隙不應動作，防止棒一棒間隙頻繁擊穿。這就要求避雷器要比棒一棒間隙靈敏得多。

(4)、避雷器的滅弧電壓應大于因電網一相接地而引起的中性點電位升高的穩態值U0,防止避雷器爆炸。目前，電網中已經廣泛應用氧化鋅避雷器，對于氧化鋅避雷器來說，由于沒有間隙，不存在滅弧電壓這個參數，只要求額定電壓大于Uo即可。

二、相關規范中對變壓器中性點保護配置的要求

2.1、《繼電保護和安全自動裝置技術規程GB/T14285-2006》第4.3.8條

4.3.8、在110kV、220kV中性點直接接地的電力網中，當低壓側有電源的變壓器中性點可能接地運行或不接地運行時，對外部單相接地短路引起的過電流，以及對因失去接地中性點引起的變壓器中性點電壓升高，應按下列規定裝設后備保護：

4.3.8.1、全絕緣變壓器

應按4.3.7.1條（在中性點直接接地的電網中，如變壓器中性點直接接地運行，對單相接地引起的變壓器過電流，應裝設零序過電流保護，保護可由兩段組成，其動作電流與相關線路零序過電流保護相配合。每段保護可設兩個時限，并以較短時限動作于縮小故障影響范圍，或動作于本側斷路器，以較長時限動作于斷開變壓器各側斷路器。）規定裝設零序過電流保護，滿足變壓器中性點直接接地運行的要求。此外，應增設零序過電壓保護，當變壓器所連接的電力網失去接地中性點時，零序過電壓保護經0.3s～0.5s時限動作斷開變壓器各側斷路器。

4.3.8.2、分級絕緣變壓器

為限制此類變壓器中性點不接地運行時可能出現的中性點過電壓，在變壓器中性點應裝設放電間隙。此時應裝設用于中性點直接接地和經放電間隙接地的兩套零序過電流保護。此外，還應增設零序過電壓保護。用于中性點直接接地運行的變壓器按4.3.7.1條的規定裝設保護。用于經間隙接地的變壓器，裝設反應間隙放電的零序電流保護和零序過電壓保護。當變壓器所接的電力網失去接地中性點，又發生單相接地故障時，此電流電壓保護動作，經0.3s～0.5s時限動作斷開變壓器各側斷路器。

2.2、《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范GB/T50064-2014》第4.1.4條：

4.1.4、設計時應避免110kV及220kV有效接地系統中偶然形成局部不接地系統產生較高的工頻過電壓,其措施應符合下列要求:

1、當形成局部不接地系統,且繼電保護裝置不能在一定時同內切除110kV或220kV變圧器的低、中壓電源時,不接地的變壓器中性點應裝設間隙。當因接地故障形成局部不接地系統時,該間隙應動作;系統以有效接地系統運行發生單相接地故障時,間隙不應動作。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。

2、當形成局部不接地系統,且繼電保護裝置設有失地保護可在一定時問內切除110kV及220kV變壓器的三次、二次繞組電源時,不接地的中性點可裝設無間隙金屬氧化物避雷器(MOA),應驗算其吸收能量。該避雷器還應符合雷電過電壓下保護變壓器中性點標準分級絕緣的要求。

2.3、《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》第14.3條防止變壓器過電壓事故

14.3.1、切合 110kV 及以上有效接地系統中性點不接地的空載變壓器時，應先將該變壓器中性點臨時接地。

14.3.2、為防止在有效接地系統中出現孤立不接地系統并產生較高工頻過電壓的異常運行工況，110～220kV 不接地變壓器的中性點過電壓保護應采用棒間隙保護方式。對于110kV變壓器，當中性點絕緣的沖擊耐受電壓185kV 時，還應在間隙旁并聯金屬氧化物避雷器，間隙距離及避雷器參數配合應進行校核。間隙動作后，應檢查間隙的燒損情況并校核間隙距離。

三、變壓器中性點保護原理

3.1、變壓器中性點保護配置方式

110～220kV電力變壓器通常都是按圖1裝設后備保護。

圖1變壓器中性點直接接地運行接線

1）、零序電流保護

變壓器中性點刀閘閉合時（即中性點接地）。變壓器零序電流保護是由專門零序電流互感器以及各電壓等級的電壓互感器采集零序電流和電壓源。

2）、中性點間隙保護

電壓等級為 110kV 及 110kV以上的變壓器中性點間隙保護，應用零序電流繼電器與零序電壓繼電器并聯模式，帶有0.3～0.5s的時限構成。當接地部分突發故障使得放電間隙放電時，有間隙零序電流通過，使放電間隙接地一端的間隙電流互感器的零序電流繼電器動作；若放電間隙不放電，則利用零序電壓繼電器動作。間歇性弧光接地時，間隙保護公用的時間元件，避免其中途回返，確保間隙接地保護有效。

3.2、變壓器兩種中性點接地方式下故障電流分析

1）、中性點直接接地運行 閉合中性點刀閘時，系統出現不對稱接地故障，故障零序電流從中性點刀閘形成回路流過，主變中性點零序電流互感器為保護裝置采集故障電流I0。而間隙電流互感器無電流通過，未執行保護動作，詳見圖1。

2）、主變中性點經間隙接地運行 如圖2所示，切斷中性點刀閘時，主變中性點經間隙接地。安裝在間隙保護部位間隙電流互感器。系統出現接地故障后，間隙被擊穿，通過安裝在間隙保護部位間隙電流互感器產生間隙零序電流IJ0，最后間隙零序保護動作將故障切除。若間隙未被擊穿，則由過電壓保護動作將變壓器切掉。

圖2 變壓器中性點經間隙接地運行接線