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主變壓器中性點接地及保護的應用

2021年09月22日字體:
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主變壓器中性點接地及保護的應用
大型變壓器是電力生產的核心設備,由于其成本較高,故在110kV及以上的中性點直接接地的電網中,普遍采用分級絕緣的變壓器。
在中性點直接接地的電網中,接地短路故障是較常見的故障(約占故障總數的85%以上)。雖然在實際運行中,部分變壓器的中性點是直接接地的,它能夠反映變壓器高壓繞組、引出線上的接地短路故障,并可作為大型電力變壓器的主保護和相鄰母線、線路接地保護的后備保護。但還有部分變壓器的中性點不接地運行,當系統發生接地故障,中性點接地的變壓器跳開后,電網零序電壓升高或諧振過電壓等都會危及這些不接地的變壓器中性點絕緣。因此,處于該系統中運行的大型變壓器必須裝設中性點保護。
一、變壓器中性點過電壓的三種保護方式
變壓器中性點過電壓保護可采用間隙、避雷器避雷器聯合放電間隙三種方式。變壓器中性點的過電壓可分為三種形式:大氣過電壓、單相接地故障引起的過電壓斷路器非全相分合閘引起的過電壓。
(一)間隙
間隙的優點是結構簡單可靠、運行維護量小,在雷電、操作和工頻過電壓下都可對變壓器進行保護;缺點是間隙參數確定較為困難、放電分散性大、保護性能一般、工頻續流較大、滅弧能力差、在系統有不對稱接地短路故障時有工頻零序電流沖擊主變壓器,另外,間隙放電產生的諧波對主變壓器的繞組絕緣也有一定的影響。
(二)避雷器
避雷器具有非線性伏安特性,殘壓隨沖擊電流波頭時間變化的特性平穩,陡波響應特性好,無間隙的擊穿和滅弧問題,通流容量大,無續流,動作迅速,對主變壓器沖擊??;其缺點是不能防護工頻過電壓,在較高的工頻過電壓下往往自身難保,需定期進行預防性試驗,維護工作量較大。
(三)避雷器聯合放電間隙
避雷器并聯間隙的保護分工是工頻、操作過電壓由間隙承擔,雷電、暫態過電壓由避雷器承擔,同時,又用間隙來限制避雷器上可能出現的過高幅值的工頻過電壓和過高的殘壓。這種方式既對變壓器中性點進行保護,又起到互為保護的作用。但間隙與避雷器配合時,間隙的距離大小較難掌握。間隙距離不能太小,以防止在接地暫態過電壓下動作,引起保護裝置過多動作;同時,間隙也不能太大,否則,起不到限制工頻過電壓、保護避雷器的作用。發電廠采用第三種方式較多,即避雷器聯合放電間隙,放電間隙采用棒-棒間隙,避雷器多配置為氧化鋅避雷器。
二、變壓器中性點間隙過流保護
為防止工頻過電壓損壞變壓器中性點絕緣,對主變壓器中性點目前普遍采取裝設放電間隙的措施,并利用中性點套管電流互感器或在放電間隙回路裝設獨立的電流互感器,構成變壓器中性點放電間隙零序過電流保護(簡稱"間隙過流"保護)。"間隙過流"保護在實際應用中有下列幾種典型接線方式:
1間隙過流保護主變壓器零序過流保護共用一組電流互感器,如圖1所示。

圖1 共用電流互感器接線圖
主變壓器零序電流繼電器與間隙過流繼電器的電流線圈串接在中性點接地的電流互感器上。兩個電流繼電器的動作值不同,且兩種接地電流的性質不同。零序過流主要是工頻量;間隙過流具有間隙、分段發展的性質,間歇時間和電流幅值均為隨機性,且含有大量的諧波分量。
2.將兩套保護的電流互感器相互獨立,即交流回路分開,分別接在各自的正確位置處,如圖2所示。此方案較為合理,但費用高。

圖2 電流互感器相互獨接線圖

3.變壓器出廠時裝設了主變壓器中性點CT,為降低費用,零序過流采用主變壓器自帶中性點CT,間隙過流采用單獨CT的綜合接線,如圖3所示:
 
圖3 綜合接線示意圖
三、發電廠主變壓器的中性點接地要求
在通常情況下,發電廠的主變壓器至少有1臺中性點直接接地。如果電廠主變壓器中性點不接地運行,在線路發生單相接地故障時,電網對側線路開關接地保護動作跳閘;由于零序網絡不通,電廠側線路開關不流過零序電流,接地保護不會動作。而在電網對側線路開關跳閘之后,電廠升壓站所處的系統由大電流接地系統轉變成小電流接地系統,故障相電壓降低,非故障相電壓升高,對整個電廠升壓站系統的絕緣都會造成損害。
發電廠的線路跳閘時,發電機可能會突然甩負荷。發電機輸送功率P愈大,功率因數愈小,發電機的暫態電動勢E愈高;同時,發電機甩負荷后,轉子欲超速運轉,系統頻率有上升趨勢(取決于系統容量),發電機的暫態電動勢E也成比例上升,系統的電壓升高,如果主變壓器中性點不接地運行則可能危及整個系統的絕緣。因此,電廠主變壓器至少有1臺中性點接地運行,但接地主變壓器中性點的數量不能隨意。保護整定若按1臺主變壓器接地運行計算,當有2臺主變壓器接地時,如果發生系統接地產生零序電流,就會產生分流,使得零序電流達不到整定值而啟動不了正常的保護。
四、變壓器中性點的運行操作注意事項
(一)中性點接地閘刀操作
在拉、合主變壓器高壓開關時,必須合上此主變壓器高壓側的中性點接地閘刀,以防操作過電壓對設備的損傷。
因運行方式改變,需要倒換不同變壓器的中性點接地閘刀時,應先合上不接地變壓器的中性點接地閘刀,然后,再拉開接地變壓器的中性點接地閘刀,且2個接地點的并列時間越短越好。這樣,可防止在此期間電網發生接地故障時,因單相接地短路電流大幅度的增大,而擴大電網中零序保護的動作范圍,使電網中的保護有可能出現越級跳閘。同時,對并列接地的變壓器而言,在2個中性點并列接地,當變壓器某側母線發生接地故障時,由于并列接地閘刀的分流作用,使變壓器零序保護的靈敏度降低,有可能造成變壓器保護拒動。
(二)相關二次壓板的對應關系
在操作主變壓器中性點接地閘刀時,還要操作相關的二次保護壓板。
1.由圖3可知,在中性點直接接地的變壓器運行時,必須將"零序過流"保護跳閘壓板2LP投入,"間隙過流"保護的跳閘壓板1LP及時退出,否則,在主變壓器中性點接地閘刀合閘的情況下"間隙過流"保護可能誤動。
在主變壓器中性點接地閘刀拉開時,"間隙過流"保護壓板1LP必須投入,"零序過流"保護壓板2LP可以考慮退出。雖然"零序過流"保護定值遠大于"間隙過流"保護定值,但由于"間隙過流"的電流性質不穩定,如果觸發了"零序電流"出口,會給運行的事故處理、判斷帶來不便。不同企業的二次接線有一定的差別,具體操作要根據實際情況確定。
2.由圖2可知,裝有此類保護的大型電力變壓器零序電流保護和主變壓器間隙過流保護壓板可全部投入,無須投退切換, 2套零序保護可通過主變壓器中性點接地閘刀的分、合自動投退。
3.接線較多的是圖3所示類型。從圖3中可知,它的"零序過流"保護同樣存在第一種類似情況,為減少保護壓板的操作,設計時有的已考慮將主變壓器中性點接地閘刀的二次接點接入保護回路中。如早期繼電器式保護中,用主變壓器中性點接地閘刀常閉接點并聯在"零序過流"CT兩端,當主變壓器中性點接地閘刀分閘時,常閉接點短接"零序電流"CT,"零序電流"保護自動退出。
當主變壓器中性點接地閘刀合閘時,中性點接地閘刀短接"間隙過流"CT一次側,"間隙過流"保護自動退出。
采用微機保護后,用主變壓器中性點接地閘刀二次接點接入微機保護中來自動判斷,但不同企業會有一定的差別,(如圖4所示),與中性點閘刀相關的保護壓板有3塊(1塊間隙過流、2塊零序過流)。220 kV及以上的大型變壓器一般采用雙套保護,故實際有6塊二次保護壓板,在此以1套保護為例進行說明。

圖4 T60保護零序電流、間隙過流部分示意圖
由圖4可知,"間隙過流"是自動與主變壓器中性點接地閘刀對應的(其實在一次回路上已經有此功能,只是這樣更保險);但"零序過流"保護還是存在第一點中的類似情況。為此,建議修改保護邏輯?(如圖5所示),增加虛線部分,不必再操作二次壓板。在未修改邏輯前,保護壓板必須與中性點接地閘刀相對應。對應的關系是主變壓器中性點接地閘刀合閘,投2塊"零序過流"壓板,撤出1塊"間隙過流"壓板;主變壓器中性點接地閘刀分閘,投1塊"間隙過流"壓板,撤出2塊"零序過"壓板。

圖5 改進后的示意圖流
(三)中性點的操作中一、二次的配合問題
下面再分析在主變壓器中性點接地閘刀操作時,與保護壓板配合的問題。以充電運行的主變壓器停役操作為例,說明壓板配合操作的先后順序。
假設充電運行的主變壓器中性點接地閘刀是分閘的,它的1塊"間隙過流"保護壓板投入, 2塊"零序過流"保護壓板撤出。操作如下:
操作時必須先合主變壓器中性點接地閘刀,且在合中性點接地閘刀前,應先投入2塊"零序過流"壓板,再合中性點接地閘刀;合好閘刀,再取下1塊"間隙過流"壓板;最后拉大型變壓器是電力生產的核心設備,由于其成本較高,故在110kV及以上的中性點直接接地的電網中,普遍采用分級絕緣的變壓器。
在中性點直接接地的電網中,接地短路故障是較常見的故障(約占故障總數的85%以上)。雖然在實際運行中,部分變壓器的中性點是直接接地的,它能夠反映變壓器高壓繞組、引出線上的接地短路故障,并可作為大型電力變壓器的主保護和相鄰母線、線路接地保護的后備保護。但還有部分變壓器的中性點不接地運行,當系統發生接地故障,中性點接地的變壓器跳開后,電網零序電壓升高或諧振過電壓等都會危及這些不接地的變壓器中性點絕緣。因此,處于該系統中運行的大型變壓器必須裝設中性點保護。

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