主变压器中性点间隙保护问题分析与建议

第1卷第2期/Vol. 1 No. 2 2005年3月/Mar. 2005 南方电网技术研究 CHINA SOUTHERN POWER GRID TECHNOLOGY RESEARCH 中图分类号：TM40

研究与分析/ pp. 30-43Research & Analysis文献标识码：B

文章编号：0021-0021(2005)02-0039-05

主变压器中性点间隙保护问题分析与建议

彭向阳，钟定珠，李 谦，朱根良

（广东省电力试验研究所，广州 510600）

Analysis & advice on gap protection problem of

main transformers neutral point

PENG Xiang-yang, ZHONG Ding-zhu, LI Qian, ZHU Gen-liang

(Guangdong Power Test & Research Institute, Guangzhou 510600, China)

Abstract: Four faults of several main transformers tripping-out are analyzed. The cause is pointed out that because the risky working frequency steady voltage in the main transformer upper neutral point did not rise during the faults, and the gap broke down by the influence of transient overvoltage and lightning wave, the protection action of gap zero-sequence overcurrent results in main transformers unnecessary tripping-out. To avoid this, it is advised to prolong the gap zero-sequence protection action time limit to 1.2 s to fit the line re-closing limit. Finally this measure’s influence on the secure operation of a main transformer is analyzed.

Keywords: main transformer; gap protection of transformer neutral point; fault analysis

摘要：分析近期四起多台主变压器跳闸故障，指出故障期间主变压器变高中性点并没有出现危险的工频稳态电压升高，中性点间隙在系统暂态电压和雷电波作用下击穿，间隙零序过流保护动作造成在线路重合前主变压器不必要的跳闸是故障的原因。建议突破规程，将间隙零序保护动作时限延长至1.2 s，配合线路重合闸动作时限，以避免这种故障。并分析了这种措施对主变压器安全运行的影响。

关键词：主变压器；中性点间隙保护；故障分析

2002年以来东莞电网相继发生四起主变压器跳闸故障：

(1) 2002年7月14日220 kV沙立线（沙角—立新）A相故障导致220 kV立新站2号主变压器220 kV中性点间隙动作主变压器跳闸；

(2) 2002年8月3日220 kV东跃（东莞—跃立）甲、乙线A相同时故障导致220 kV立新站2号主变压器220 kV中性点间隙动作主变压器跳闸； (3) 2004年6月1日220 kV东葵（东莞—葵湖）乙线C相故障导致220 kV葵湖站2号主变压器220 kV中性点间隙动作主变压器跳闸；

(4) 2004年6月21日220 kV东跃线、东新线（东莞—立新）A相同时故障导致220 kV立新站1号、3号主变压器220 kV中性点、220 kV跃立站2号主变压器110 kV中性点间隙动作三台主变压器跳闸。

以上主变压器跳闸时，好在有10 kV备自投正确动作，均没有造成停电损失。

1 故障分析 1.1 四起故障的特点

上述四起220 kV主变压器跳闸故障均为有效接地系统220 kV线路雷击单相接地故障引起（故障站母线均并列运行、且一台主变压器中性点接地运行，雷电定位查询线路故障点附近大多有较强雷击发生）。

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此外，第一、四起故障系由线路同杆共架段雷

击引起，第一、二、四起故障系由单电源供电线路引起（系统110 kV、10 kV侧没有电源）。

四起故障的不同点：故障录波显示，第一、二起主变压器中性点间隙击穿发生在线路单相跳闸的同时，在线路单相重合闸前的系统为有效接地系统单电源非全相运行（两相运行）。第三、四起主变压器中性点间隙击穿发生在线路单相接地故障产生的同时，在线路单相跳闸切除故障前的系统为有效接地系统带单相接地故障运行；第三起变高及变高中性点避雷器均有动作记录，第一、二、四起变高、变高中性点及母线避雷器未有动作记录；第一、二、三起均系变高中性点间隙击穿，第四起有两台主变压器变高中性点间隙击穿、一台主变压器变中中性点间隙击穿。

1.2 间隙击穿的原因

对于第一、二起故障，220 kV有效接地系统单电源非全相（两相）运行时，主变压器变高中性点

对地最大工频稳态电压升高为一半相电压即73 kV，立新站2号主变压器变高中性点间隙距离为260 mm，考虑正负3倍标准偏移工频放电压区间为[95.4 kV，114.1 kV]。可见，非全相运行造成的中性点稳态电压升高远不致间隙击穿，由于间隙放电发生在线路单相跳闸瞬间，系统非全相操作（故障线路单相跳闸）产生内部操作过电压才是间隙击穿的原因。

事实上，对间隙操作冲放电压U50%(±)－3σ核算表明，当非全相操作造成中性点过电压负极性超过约1.5倍、正极性约超过1.3倍中性点稳态电压（峰值）时，中性点间隙就会放电击穿。

对于第三、四起故障，线路故障切除前为有效接地系统带单相接地故障运行，主变压器中性点工频电压偏移由系统零序、正序阻抗参数决定，按有效接地系统X0/X1不大于3计算

（取X0/X1=3），220 kV主变变高中性点最大稳态电压为87.6 kV，而四台跳闸主变变高中性点间隙距离分别为280 mm、285 mm、290 mm、330 mm，按最小间隙280 mm核算，考虑正负3倍标准偏移工频放电压区间为[101.1 kV，121.1 kV]。因此，有效接地系统带单相故障运行引起中性点稳态电压升高也不会导致间隙击穿，而是由于间隙放电发生在线路单相接地故障瞬间，

线路雷击闪络产生的侵入波或系统单相接地瞬间产生的内部暂态过电压造成间隙放电。

其中，第三起故障葵湖站2号变高及变高中性点避雷器均有动作，外部侵入波导致中性点间隙击穿可能性较大；第四起故障未有避雷器动作记录，系统单相接地暂态过电压导致立新站1号、3号变高中性点击穿的可能性较大。

以间隙距离280 mm为例，考虑正负3倍标准偏差操作冲放电压区间为正极性[147.3 kV，199.3 kV]、负极性[173.2 kV，234.4 kV]。计算表明，当线路单相接地造成中性点暂态过电压负极性约超过1.4倍、正极性约超过1.2倍中性点最大稳态电压（峰值）时，中性点间隙就会击穿。

此外，第四起故障跃立站2号变高中性点间隙（330 mm）没击穿而变中间隙（150 mm）击穿，是由于变高间隙距离较大，变高中性点较高的零序暂态过电压通过高、中压绕组间静电耦合方式传递至变中中性点使其间隙击穿。如果变高间隙不大于295 mm，变高间隙可能击穿而变中间隙不会击穿。

2 间隙距离的整定及其动作分析 2.1 整定原则

采用分级绝缘的主变压器不接地中性点运行中将受到雷电、操作及工频过电压的作用，现行规程规定的中性点过电压保护方式包括采用避雷器和放电间隙，间隙保护主要防止主变压器中性点绝缘遭受危险的工频过电压及谐振过电压损坏，而采用避雷器不能对此类过电压进行有效保护。

DL/T620- 1997规定：有效接地系统可能形成局部不接地系统、低压侧有电源的主变压器不接地中性点应装设间隙；经验算，如断路器操作出现非全相或发生较危险铁磁谐振过电压，主变压器不接地中性点应装设间隙。

间隙距离整定的基本原则是，当主变压器中性点出现危险的工频稳态、暂态过电压和铁磁谐振过电压时，间隙应动作，否则间隙不应动作，同时应兼顾主变压器中性点雷电过电压的保护要求。可综合以下方面确定间隙距离：

(1) 因接地故障形成局部不接地系统，在工频稳态、暂态过电压下间隙应动作（决定间隙最大距离）；

第2期 彭向阳等. 主变压器中性点间隙保护问题分析 41

(2) 系统以有效接地方式运行发生单相接地故障，在工频稳态、暂态过电压下间隙不应动作（决定间隙最小距离）；

(3) 间隙标准雷电波动作电压应低于标准雷电波耐受值。据此，原粤电生[1999]229号文通过核算推荐：主变压器110 kV中性点间隙距离取110~135 mm、220 kV中性点间隙距离取260~295 mm。

2.2 间隙击穿造成主变压器跳闸分析

四起故障中放电的变高间隙均满足整定要求（260~295 mm），因间隙放电、过流保护动作引致六台次220 kV主变压器误跳。故障时系统均为有效接地系统，主变压器中性点并没有出现危险的工频稳态电压升高，间隙击穿是由于线路雷电侵入波、线路单相接地或单相跳闸瞬间产生较高暂态过电压造成的。事实上，即使满足上述229号文整定要求的间隙，仍可能在中性点未出现危险工频过电压或铁磁谐振过电压下击穿，导致过流保护跳开主变压器。

(1) 雷电过电压下间隙可能动作。线路雷击导致主变压器单相或多相进波时，中性点将出现较高的雷电过电压，超过间隙动作电压时，间隙击穿以保护中性点绝缘。对于中性点间隙并联避雷器的保护方式，在雷电波下如避雷器先动作，视避雷器放电电流而定，大小间隙也可能在避雷器残压下击穿。

(2) 有效接地系统单相接地故障的暂态电压下间隙可能动作。由间隙最大距离核算可知，当失地系统单相接地故障时，间隙在稳态电压下会动作，在暂态电压下更会动作。

由间隙最小距离核算可知，有效接地系统单相接地故障时，间隙在稳态电压下不会动作，但在暂态电压较高时仍会动作。具体对于220 kV中性点间隙295 mm来说，其操作冲放电压U50%(±)±3σ 区间正极性约为[154kV，209kV]、负极性约为[183kV，247kV]，因此，在单相接地瞬间中性点暂态电压负极性超过1.48倍、正极性超过1.25倍中性点最大稳态电压（峰值）间隙将击穿，在单相跳闸瞬间非全相运行系统中性点暂态电压负极性达到1.77倍、正极性达到1.49倍中性点稳态电压（峰值）间隙也将击穿，如果单相接地故障期间中性点暂态电压分别低于上述倍数则不会放电。

2.3 间隙距离能否增大

避免由于间隙击穿而致主变压器不必要的跳闸的措施之一是增大间隙距离，以减小雷电过电压和有效接地系统暂态电压下间隙放电的概率。间隙最大距离本质上由主变压器中性点工频耐受电压及足够的保护裕度决定，主变压器220 kV中性点绝缘等级为110 kV级，考虑绝缘老化累积系数0.85，工频耐受电压为170 kV（200 kV×0.85）、雷电耐受电压为340 kV（400 kV×0.85）。如将间隙距离调整到330 mm，间隙工放电压Ucp±3σ 区间为[117.2 kV，140.4 kV]，标准雷电波负极性冲放电压U50%(－)±3σ区间为[249.3 kV，298.7 kV]，可见中性点绝缘仍有足够的保护裕度。

同时，间隙操作冲放电压U50%(±)±3σ 提高到正极性[172.6 kV，233.6 kV]、负极性[206.8 kV，279.8 kV]，有效系统单相接地时，间隙暂态电压击穿概率将减小,接地瞬间间隙动作暂态电压提高到正、负极性1.40倍、1.68倍，非全相运行单相跳闸瞬间间隙动作暂态电压提高到正、负极性1.68倍、2.01倍。 但是，按照现行规程DL/T620-1997规定，因单相接地故障形成局部失地系统间隙应动作，则间隙最大距离由不接地系统单相故障时主变压器中性点工频稳态电压升高决定，即由系统正常运行相电压（220 kV系统的相电压为127 kV）决定。按间隙工放电压Ucp＋3σ 核算，220 kV中性点间隙最大距离不应大于295 mm，229号文即是严格按照DL/T620的要求进行间隙距离整定的。

如果在295 mm基础上增大间隙距离，则不能保证系统发生单相故障局部失地时在稳态电压下间隙可靠动作，即主变压器中性点绝缘可能承受正常运行相电压直至故障切除，当中性点存在绝缘缺陷或线路保护拒动时，主变压器可能损坏。同时，与间隙并联的避雷器如果额定电压选值较低，则可能在较高工频电压作用下爆炸。间隙增大动作电压提高，一旦击穿还使产生高幅值有害截波的可能性增大。另外，即使最大限度增大间隙距离（至330 mm），间隙放电概率减小，但仍不能完全解决间隙误动问题。因此，建议目前还是严格执行DL/T620以及原粤电生[1999]229-1997号文的规定，不宜增大主变压器中性点间隙距离。

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3 延长间隙保护动作时限对主变压器安全

运行影响的分析 3.1 延长动作时限的必要性

从四起故障的原因分析和间隙距离整定核算过程可知，主变压器中性点间隙保护在一次方面存在局限性，必须在二次方面采取措施，关键是应该避免主变压器在中性点未出现危险过电压时间隙击穿跳闸。

线路（雷击）单相接地故障大多为瞬时故障，重合成功率极高，东莞四起故障线路单相跳闸后均重合成功，但主变压器却在线路重合前跳闸，延长间隙保护动作时限躲开线路重合闸，则可避免主变压器误跳。

按照继电保护规程，线路重合闸时限一般整定为0.8 s，间隙零序保护时限一般整定为0.5 s，考虑到继电保护装置固有时延和开关合闸时延，建议将间隙零序保护动作时限延长至1.2 s，以配合线路重合闸动作时限配合。

3.2 对主变压器继电保护的影响

变压器中性点零序保护包括零序过流保护（如100 A、0.5 s）和零序过压保护（如180 V、0.5 s），间隙零序保护主要用来保护分级绝缘变压器不接地运行的中性点，与主变压器的其他保护完全独立，不存在动作时限配合问题。因此，延长间隙保护动作时限不影响电网中其他继电保护尤其是主变压器继电保护的正常运行，当出现其他故障时，其他保护会正常动作保护主变压器。

考虑到延长间隙保护动作时限突破了继电保护规程的规定，试运行阶段应先缩小影响范围，本次调整应主要针对东莞四起故障进行。建议将220 kV立新站、跃立站、葵湖站主变压器变高中性点间隙零序保护动作时限延长至1.2 s，同时将主变压器中性点间隙距离按229号文规定的最大值整定变高295 mm、变中135 mm。

3.3 零序电流的影响

主变压器故障录波显示，间隙零序电流峰值一般为几百到几千安，峰值一般出现在间隙击穿的第一个周波。有效接地系统单相接地故障时，如果间

隙在单相接地瞬间击穿，故障切除前在稳态电压下将维持较大工频续流约3个周波，故障切除后零序电流变得很小。由于线路跳闸时间始终先于间隙保护动作时间，延长间隙保护动作时限影响很小，主变压器只承受故障切除后较小零序电流作用。如果间隙在线路单相跳闸瞬间击穿，线路重合前在非全相稳态电压下维持较大工频续流，直至线路重合成功或主变压器跳闸。

此外，因单相接地形成局部失地系统，间隙常在开关跳闸瞬间工频稳态或暂态电压下击穿并维持工频续流，直至线路重合成功（0.8 s）或主变压器跳闸（0.5 s）。后两种情况下，延长间隙保护动作时限至重合闸后，将使主变压器承受间隙零序电流的时间增加0.3 s左右。

事实上，故障录波显示主变压器接地运行的中性点零序电流峰值也在几百到几千安范围，有时比不接地中性点间隙零序电流还要大，可见无论中性点是否接地运行均可以承受较大零序电流作用。并且由于危险的零序电流一般出现在间隙击穿第一周波，延长间隙保护动作时限只使主变压器承受稳态零序电流的时间稍有增加，对主变压器影响不大。特殊情况下，在线路保护拒动或重合不成功时，中性点间隙稳态零序电流将持续至间隙过流保护动作主变压器跳闸。近十年运行经验表明，广东电网尚没有发生由于间隙零序电流过大或持续时间过长，对主变压器绕组造成有害冲击的故障。

3.4 间隙（重复）击穿暂态过程的影响

由于变压器中性点入口电容的存在，间隙击穿时，中性点入口电容的电压通过引线电感呈振荡性放电，极端情况可能产生2倍的间隙击穿前电压值（截波）作用于主变压器中性点绝缘。只要主变压器中性点绝缘正常，间隙距离又满足整定要求，间隙放电产生的截波电压一般低于主变压器中性点标准截波耐受值并具足够裕度。但是如果主变压器本身存在绝缘缺陷，或间隙距离不满足整定要求（间隙距离过大动作电压提高、一旦击穿产生高幅值有害截波的可能性增大），极端情况下间隙放电可能导致主变压器绝缘事故且对绕组匝间绝缘危害较大。

广东省电力试验研究所曾于1999年对全省110 kV、220 kV主变压器中性点间隙放电事故进行全面调查，发现由于间隙放电击穿导致中性点匝间

彭向阳等主变压器中性点间隙保护问题分析. 南方电网技术研究, 2005, 1(2): 39-43 第2. 期 彭向阳等. 主变压器中性点间隙保护问题分析 43绝缘事故2起，且均为220 kV主变压器中性点绝缘事故。

一起是枫树坝电厂2号变因开关一相拒分同时又误拉中性点地刀，中性点间隙放电致主变压器绕组绝缘击穿；另一起是黄埔电厂3号主变压器C相雷击单相进波，中性点间隙放电致主变压器B、C相绕组匝间绝缘损坏。

两起事故的内因都是主变压器绝缘本身存在缺陷且使用年限已久。另外，尽管当时110 kV主变压器中性点间隙动作较多，但调查没有发现绝缘事故。主变压器中性点间隙保护是现行规程规定的保护方式，间隙本身动作放电对正常绝缘不会产生太大影响，主变压器绝缘存在缺陷的运行方式可考虑尽量中性点接地运行。

中性点间隙击穿后可能由于工频续流不能保持而熄弧，也可能重复击穿，延长间隙保护动作时限增大了间隙熄弧和重击穿的可能性。间隙放电截波水平与间隙击穿前中性点工频电压值有关，重击穿一般发生在中性点稳态电压作用下，截波水平应比间隙第一次大多在暂态电压下击穿时低，并且从录波图看，中性点间隙发生重击穿的现象不多见。因此，由于间隙保护动作时间延长有限，不太可能显著增大间隙重击穿率，间隙重击穿截波电压也低于间隙首次击穿截波电压值。

3.5 其他方面的影响

延长间隙保护动作时限后，间隙在工频电压作用下燃弧时间加长，由于中性点间隙距主变压器本体较近，极端情况下由于外界条件的作用，间隙电弧波及主变压器本体的概率增大，但可能性极小。考虑到间隙燃弧的影响，一般设计和安装时可适当加大中性点保护间隙和主变压器本体的安全距离。 间隙燃弧时间加长在持续电流作用下，电弧热效应可能烧损间隙棒—棒电极，尤其是间隙多次击穿和电弧作用后，电极端部大多有烧损痕迹，间隙距离可能会变大。但暂时还没有发现间隙多次动作放电后间隙距离有明显变大的情况，每次间隙动作后运行人员应测量间隙距离并备案。

4 结 论

东莞四起共六台次220 kV主变压器不接地中

性点间隙动作致主变压器跳闸均系有效接地系统220 kV线路雷击单相接地故障引起，故障期间主变压器变高中性点并没有出现危险的工频稳态电压升高，中性点间隙在系统暂态电压和雷电波作用下击穿，间隙零序过流保护动作造成在线路重合前主变压器不必要的跳闸。

避免间隙击穿主变压器不必要的跳闸，可能的措施之一是增大间隙距离，以减小雷电过电压和有效接地系统暂态电压下间隙放电的概率。但这种措施不能完全解决间隙误动问题，反而对保护主变压器中性点绝缘本身不利，并超出现行过电压保护规程的规定。因此，增大间隙距离并不可行，还是严格执行DL/T620-1997以及原粤电生[1999]229号文的整定要求为妥。

从四起故障的原因分析和间隙距离整定核算过程可知，主变压器中性点间隙保护在一次方面存在局限性，必须在二次方面采取措施，关键是应避免主变压器在中性点未出现危险过电压时间隙击穿跳闸。延长间隙保护动作时限躲开线路重合闸，则可避免主变压器误跳。

按照继电保护规程，线路重合闸时限一般整定为0.8 s，间隙零序保护时限一般整定为0.5 s，考虑到继电保护装置固有时延和开关合闸时延，建议突破规程，将间隙零序保护动作时限延长至1.2 s，配合线路重合闸动作时限。

延长间隙保护动作时限会使间隙燃弧时间加长，极端情况下间隙电弧波及主变压器本体的概率增大，但可能性极小，设计和安装时应适当加大中性点间隙和主变压器本体的安全距离。同时，间隙燃弧时间加长电弧热效应可能烧损间隙电极，间隙距离可能会变大，间隙动作后运行人员应测量间隙距离并备案。

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收稿日期：2005-01-24 作者简介：

彭向阳（1971－），男，工程师，从事高电压试验以及电力系统过电压与绝缘配合研究；

钟定珠（1951－），男，教授级高工，从事电力系统过电压与高压开关专业研究和管理；

李 谦（1965－），男，电气高级工程师，工学博士，从事高电压绝缘配合研究。