CN104167723A - 一种主变压器中性点过电压保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主变压器中性点过电压保护装置，其特征在于：包括底座，以及安装在底座上的暂态高频过电压吸收保护单元和棒间隙工频过电压保护单元，暂态高频过电压吸收保护单元和棒间隙工频过电压保护单元并联设置。暂态高频过电压吸收保护单元中，采用避雷器与电容器组合，将中性点避雷器分为上下两节串联，下节避雷器与电容器并联，利用电容对高频暂态高频过电压的旁路吸收能力，在维持避雷器工频残压高于棒间隙工频放电电压上限的前提下，雷电和操作残压较目前常用的中性点避雷器低40%，与目前普遍使用的棒间隙与避雷器并联的中性点保护产品比较，棒间隙在雷电入侵时频繁放电导致继电保护不正常动作切除主变压器的情况将会得到显著改善。

Description

一种主变压器中性点过电压保护装置

技术领域

本发明涉及一种变压器保护装置，特别涉及一种主变压器中性点过电压保护装置。 

背景技术

110kV、220kV是供电网络的主要电压等级，由于继电保护整定配置及防止通讯干扰等方面的要求，为了限制单相短路电流，其中有部分变压器采用中性点不接地方式。在这种运行方式下，由于雷击、单相接地短路故障等会造成中性点过电压，而且变压器大多是分级绝缘，因此过电压对中性点的绝缘造成很大威胁，必须对其设置保护装置防止事故发生。 

110kV、220kV系统正常运行时为有效接地系统，部分主变压器不接地，中性点过电压不高，发生单相接地故障时如果部分主变构成的局部系统解列为非有效接地系统甚至不接地系统的异常运行工况，可能会出现不接地系统常见的弧光接地、铁磁谐振等危险的过电压，主变压器中性点的避雷器不能耐受，要求采用棒间隙保护，由于棒间隙不能长时间耐受短路电流，须由棒间隙的放电电流延时启动继电保护切除失地的变压器，棒间隙的放电电压具有统计特性，分散性较大，放电时有截波过电压，棒间隙在放电过程中的烧损会使间隙的放电特性发生变化。 

对于分级绝缘变压器中性点过电压保护，采用避雷器加并联棒间隙的配置方式，其两者的配合原则是：避雷器承担雷电过电压和正常运行工况的操作过电压保护，当系统发生单相接地故障及开关重合闸过程中棒间隙不应放电动作，避雷器的冲击残压应小于棒间隙冲击放电电压下限；只有当系统失地的异常工况，且出现系统非全相运行或谐振故障时，棒间隙应可靠动作，保护变压器中性点绝缘及线端设备的绝缘，防止避雷器爆炸；避雷器不能耐受超过其额定电压的工频过电压，棒间隙的工频放电电压上限需小于避雷器的额定电压；这种保护原则的出发点是以避雷器作为正常运行工况下雷电和操作过电压的主保护，而棒间隙作为后备保护，一旦出现异常工况，棒间隙放电保护避雷器。但棒间隙的放电电压本身具有统计特性，并且受间隙几何结构以及气象因素的影响很大，上述的理想配合难度大，配合不好会导致棒间隙在正常运行工况的接地故障时放电，尤其在雷电天气时频繁放电，将导致系统零序参数的变化，给继电保护的整定带来不确定因素，可能使继电保护发生不正常动作；棒间隙频繁放电对棒极头部的烧损会改变间隙的放电特性，需要更换维护。 

这种配合方式在雷电天气时棒间隙经常在正常系统接地工况下发生放电，究其原因：1）避雷器额定电压高，冲击残压大；2）棒间隙距接地体距离太近，冲击放电电压受空间电容影响大，冲击放电系数低，正极性操作波放电电压的降低尤其明显；3）棒间隙放电分散性大，受气候因素影响大，大雨天气水平棒间隙的工频放电电压下降5～10%。 

110、220 kV系统不能在失地的异常工况下长时间运行，220kV变压器中性点的棒间隙的工频放电电压应介于87kV和121kV 之间，前者是系统有效接地的正常工况下发生单相接地故障时中性点可能出现的最高短时工频过电压稳态有效值，后者是线端80%避雷器工频耐受能力对应的中性点电压值；为避免间隙频繁放电，一般采用增大间隙距离的方式，但棒间隙工频放电电压的上限须与延时动作的中性点零序过电压保护配合，满足线端避雷器不能老化的要求。即：发生单相接地时，线端避雷器承受的工频过电压不能超过避雷器额定电压的1.1倍，对应的中性点电压即为棒间隙工放上限。 

常用的220kV=中性点避雷器Y1.5W144/320型额定电压144kV接近系统失地时的中性点最大工频过电压稳态值（145kV），满足变压器中性点的绝缘配合要求，但额定电压高，残压高，与棒间隙的配合很不理想。目前与避雷器并联的220kV中性点棒间隙一般推荐为290mm，工频放电电压范围为104~125kV ，上限超过220kV线端避雷器的工频耐受极限水平（220kV线端避雷器是按照80%线电压原则选取的，额定电压为200kV，中性点电压121kV时线端电压220kV，为避雷器额定电压的1.1倍），间隙取值已经较高。即使如此，避雷器的雷电残压仍大于棒间隙的雷电冲击放电电压，144 kV避雷器的1.5kA残压为320 kV，290mm棒间隙的负极性雷电冲击放电电压上限约250kV，正极性约230kV，操作冲击正极性放电电压更低，间隙在避雷器雷电和操作残压下的放电是大概率事件，这是目前运行的220kV变压器中性点棒间隙频繁放电的主要原因。 

为避免间隙频繁放电，有些运行单位将间隙距离调得过大，只考虑满足主变中性点绝缘配合的要求，但忽视了线端绝缘配合的要求，一旦发生失地故障，线端避雷器可能老化甚至损坏，绝缘配合是有漏洞的。220kV中性点单独使用棒间隙时，目前一般资料推荐275mm，工频放电电压为99~120kV，满足绝缘配合要求，但没有避雷器，雷电过电压波在中性点将发生全反射，过电压幅值更高，棒间隙的放电概率也更高了，所以并联避雷器是必要的。 

综合以上的分析，普通避雷器无法与间隙理想配合，从故障报道也反映在运行中220kV主变棒间隙频繁放电的问题较普遍。 

另外，棒间隙的伏秒特性主要受间隙的几何结构即电场分布的影响。电场分布情况对操作冲击放电电压影响很大，接地体靠近放电间隙会显著降低其正极性击穿电压，存在显著的“邻近效应”， 和“极性效应”。增加间隙对地距离可以提高间隙对空间的几何对称性，提高正极性操作冲击放电电压；从故障报道反映220kV主变棒间隙不正常动作的情况较普遍，目前的主流厂家忽视了垂直接地体对棒间隙放电特性的影响，为缩小设备体积，棒极的长度都取的较短，带电体和接地体对间隙电场的均压作用使棒间隙的冲击系数降低，正极性操作波放电电压下限甚至低于工频放电电压峰值下限，可能导致操作过电压下的放电，在一些无雷电的机械原因接地故障时也发生过棒间隙的放电，证明了这一点，一般来说操作过电压都伴随接地，因此雷电的接地也伴随操作过电压，这使冲击放电系数低的正极性操作过电压出现的概率很高。雷电过电压一般85%为负极性波，但雷电流经过变压器绕组到达中性点时变为一个高频振荡波，其正极性半峰值可能远大于操作过电压的幅值，按负极性雷电冲击系数核算棒间隙的雷电放电电压也有一定问题。为了避免棒间隙频繁放电，需要尽量降低避雷器的雷电和操作残压同时改善棒间隙的放电特性。增加棒极长度可以改善棒间隙的放电特性，但同时会使设备体积大幅度增加，采用垂直棒间隙可以有效利用中性点避雷器的支撑高度满足间隙对地距离的要求而不增加底座长度，降低制造、包装、运输、安装的成本，但垂直棒间隙易被污雨柱短接，较少使用。 

在运行中，因棒间隙频繁动作导致的继电保护不正常动作在雷电天气时有发生，因此如何改善主变中性点过电压保护装置的特性，提高主变压器的供电可靠性是供电部门十分关心的问题。经检索相关文献，有部分关于主变压器中性点过电压保护装置的报道，但未发现与本专利相似或相同的技术方案。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够避免220kV主变棒间隙在雷电天气频繁放电的主变压器中性点过电压吸收保护装置。 

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种主变压器中性点过电压保护装置，其创新点在于：包括底座，以及安装在底座上的暂态高频过电压吸收保护单元和棒间隙工频过电压保护单元，所述暂态高频过电压吸收保护单元和棒间隙工频过电压保护单元并联设置。 

优选的，所述暂态高频过电压吸收保护单元包括串联的的上节避雷器和下节避雷器，以及与下节避雷器并联的电容器；所述棒间隙工频过电压保护单元包括相对设置的第一棒极、第二棒极，以及安装在底座上的电流互感器，电流互感器的P1端子与第二棒极电连接，电流互感器的P2端子接地；且棒间隙工频过电压保护单元的工频放电电压上限小于上节避雷器和下节避雷器的额定电压之和的1.1倍。 

优选的，所述下节避雷器安装在底座上，上节避雷器安装在下节避雷器的上端子上，电容器的一个端子与下节避雷器中的上端子连接，电容器的另一个端子与计数器连接；所述第二棒极与第一棒极在一条垂线上相对设置构成垂直间隙，所述第一棒极上设置有硅橡胶伞裙。 

优选的，所述上、下节避雷器为金属氧化物避雷器，上节避雷器的额定电压为84kV， 1.5kA残压小于180kV；下节避雷器额定电压30 kV， 1.5kA残压小于62kV；电容器容量为1.0μF。 

优选的，所述第一棒极、第二棒极配对组成的垂直棒间隙工频50%放电电压有效值为110kV，第一棒极长度500mm，第二棒极长度750mm。 

本发明的优点在于： 

采用避雷器与电容器组合，将中性点避雷器分为上下两节串联，下节避雷器与电容器并联，利用电容对高频暂态高频过电压的旁路吸收能力，在维持避雷器工频残压高于棒间隙工频放电电压上限的前提下，雷电和操作残压较目前常用的中性点避雷器Y1.5W144/320低40%，可以满足与棒间隙伏秒特性的配合要求；电容器、避雷器的组合结构设计和参数选择以及棒间隙的结构设计使避雷器的冲击残压低于棒间隙的冲击放电电压下限，而工频残压高于棒间隙的工放电压上限，在正常的中性点有效接地系统工况下雷电和操作时棒间隙不动作。与目前普遍使用的棒间隙与避雷器并联的中性点保护产品比较，棒间隙在雷电入侵时频繁放电导致继电保护不正常动作切除主变压器的情况将会得到显著改善。 

其原理为：避雷器分为上下两节，电容器与下节避雷器并联，由于两节避雷器的电压分布极不均匀，过电压作用下上节避雷器先动作导通，雷电和操作时变压器绕组需按分布参数考虑，波阻抗远大于工频时的短路阻抗，此时从中性点看入的是一个电流源，这个电流源通过上节避雷器的导通阻抗（很小可忽略不计）对电容器充电，由于雷电和操作波波头能量都很小，电容器的充电电压很低，选择合适的电容量，电容器的充电电压可控制在上节避雷器残压的5%以内，作用在棒间隙两端的电压近似为上节避雷器的残压。对于中性点工频过电压，从中性点看入的阻抗很小，等值为一个电压源，工频半波的能量远大于雷电和操作，电容器的充电电压上升至下节避雷器的额定值时下节避雷器开始导通，上下节避雷器残压叠加在棒间隙的两端，使棒间隙放电，棒间隙工频放电电压上限小于上下节避雷器额定电压之和的1.1倍，满足避雷器工频短时耐受特性与中性点零序过电压保护时延的配合要求。 

相关文献中显示：水平棒间隙在大雨天气下放电电压下降5~8%，而本发明采用垂直棒间隙并在间隙上方装设了硅橡胶伞裙，避免雨水短接棒间隙，减小了棒间隙在雷雨天气的放电概率，同时减小了雨滴对间隙放电电压的影响。垂直棒间隙可以有效利用避雷器的支撑高度，提高间隙的对地距离，减小接地体对放电电压的“邻近效应”，提高了棒间隙的冲击放电系数，但没有增加设备的安装占地。由于220kV中性点棒间隙间隙距离大，得到同样的冲击系数要求棒极对地的距离也更大，这一点对220kV中性点成套装置尤其重要，达到同样的间隙对地距离，采用垂直棒间隙比水平棒间隙的设备底座长度缩短约1000mm。 

附图说明

图1为本发明中主变压器中性点过电压保护装置结构示意图。 

具体实施方式

如图1所示，包括底座5，以及安装在底座5上的暂态高频过电压吸收保护单元a和棒间隙工频过电压保护单元b，暂态高频过电压吸收保护单元a和棒间隙工频过电压保护单元b并联设置。 

其中，暂态高频过电压吸收保护单元包括串联的的上节避雷器6和下节避雷器7，以及与下节避雷器7并联的电容器2。棒间隙工频过电压保护单元包括相对设置的第一棒极10、第二棒极9，以及安装在底座上的电流互感器1，电流互感器1的P1端子与第二棒极9电连接，电流互感器1的P2端子接地；且棒间隙工频过电压保护单元的放电电压上限小于上节避雷器和下节避雷器的额定电压之和的1.1倍。 

为缩小整个保护装置的体积，作为本发明更具体的实施方式： 

上节避雷器6和下节避雷器7采用垂直布置方式：下节避雷器7安装在底座5上，上节避雷器6安装在下节避雷器7的上端子上，电容器2的一个端子通过软绞线3与下节避雷器7的上端子连接，电容器2的另一个端子与计数器4连接，计数器4另一端接地。

第一棒极10和第二棒极9采用垂直布置方式：第一棒极10通过导电支架8与上节避雷器6电连接并悬挂在第二棒极9的正上方，第二棒极9与第一棒极10在一条垂线上相对设置构成垂直间隙，同时，第一棒极10上设置有硅橡胶伞裙11，避免雨水短接棒间隙，同时减小了雨滴对间隙放电电压的影响，减小了棒间隙在雷雨天气的放电概率。 

作为本发明的优选方案：本实施例中，第一棒极10、第二棒极9配对组成的垂直棒间隙工频50%放电电压有效值为110kV，第一棒极10长度500mm，第二棒极9长度750mm。 

本实施例中，上、下节避雷器为金属氧化物避雷器，上节避雷器6的额定电压为84kV， 1.5kA残压小于180kV；下节避雷器7额定电压30 kV， 1.5kA残压小于62kV；电容器容量为1.0μF。本领域技术人员应当了解，这里仅仅是示例性的，不是局限性的。 

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。 

Claims (5)

1.一种主变压器中性点过电压保护装置，其特征在于：包括底座，以及安装在底座上的暂态高频过电压吸收保护单元和棒间隙工频过电压保护单元，所述暂态高频过电压吸收保护单元和棒间隙工频过电压保护单元并联设置。

2.根据权利要求1所述的主变压器中性点过电压保护装置，其特征在于：

所述暂态高频过电压吸收保护单元包括串联的的上节避雷器和下节避雷器，以及与下节避雷器并联的电容器；

所述棒间隙工频过电压保护单元包括相对设置的第一棒极、第二棒极，以及安装在底座上的电流互感器，电流互感器的P1端子与第二棒极电连接，电流互感器的P2端子接地；

且棒间隙工频过电压保护单元的工频放电电压上限小于上节避雷器和下节避雷器的额定电压之和的1.1倍。

3.根据权利要求2所述的主变压器中性点过电压保护装置，其特征在于：所述下节避雷器安装在底座上，上节避雷器安装在下节避雷器的上端子上，电容器的一个端子与下节避雷器中的上端子连接，电容器的另一个端子与计数器连接；所述第二棒极与第一棒极在一条垂线上相对设置构成垂直间隙，所述第一棒极上设置有硅橡胶伞裙。

4.根据权利要求2或3所述的主变压器中性点过电压保护装置，其特征在于：所述上、下节避雷器为金属氧化物避雷器，上节避雷器的额定电压为84kV， 1.5kA残压小于180kV；下节避雷器额定电压30 kV， 1.5kA残压小于62kV；电容器容量为1.0μF。

5.根据权利要求2或3所述的主变压器中性点过电压保护装置，其特征在于：所述第一棒极、第二棒极配对组成的垂直棒间隙工频50%放电电压有效值为110kV，第一棒极长度500mm，第二棒极长度750mm。