沙河抽水蓄能电站主变中性点的保护及运行分析

肖康乐，崔 石

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

1 主变压器中性点保护分析

变压器是电力生产的核心设备，电网发生的所有类型的故障中，数量上有八成以上为接地短路故障。一般来说，通过中性点进行直接接地的变压器故障可以通过一些现象得以反映，如常规故障中的高压绕组、接地短路等情况。正因为故障点可以明确反映，许多大型变压器采用中性点直接接地的方式，对主保护、相邻母线等提供后备保护支持。电网运行的整个过程，应尽量不少于一台主变中性点接地。但是零序电流的大小与接地点的数目有密切关系，接地点的多少直接影响变压器的零序阻抗。要保持稳定性，方便零序电流保护的整定，系统的零序阻抗不能随意变更。当有两台变压器的中性点直接接地，而仅选用其中一台进行保护定值整定并进行配备计算时，就势必会产生一定的零序电流，即分流现象，由此会使得零序电流值与整定值存在偏差，造成保护失效。

一般情况下，主变压器接地的中性点要达到一台或一台以上，才能起到较好的保护作用。假设主变压器中性点未进行接地设置，那么当变压器线路发生接地故障的情况下，就会造成电网对侧线路开关跳闸，而当零序网络发生阻塞，零序电流没有通路，那么接地保护就会失去效用。

当电网对侧线路上的开关跳闸以后就会造成升压站系统电流的显著变化，大电流接地系统即时转变为小电流接地系统，形成故障相电压下降以及非故障相电压升高，而即使电网对侧线路开关在接地保护的作用下断开，也会形成以上电流变化的过程。这种情况一旦发生将会对电厂整体升压站系统绝缘造成直接损害。而线路侧的跳闸也极易形成甩负荷现象，造成发动机转子运转短时间内严重超速，并且使得系统频率增大，系统电压加大。因此，主变压器中性点接地运行的设置在整个保护作用发挥中十分关键，进行接地运行设置可以避免以上情况的发生，否则极有可能对系统绝缘造成严重损伤。

沙河电站有两台75 000 kVA主变压器，按照两台变压器来整定，如果一个退出检修，零序阻抗也将随之发生较大变化，保护定值也重新计算。如果按一台变压器来整定，虽然可以方便主变压器的投退，但中性点同时接地可能在两台变压器并列时因飘移点差异进而形成环流的情况。为了解决这个矛盾，沙河电站主变压器按照规定仅能有一台进行中性点接地操作。

由此也带来另一个问题，即当系统接地故障发生时，中性点接地变压器会随之跳开，那么零序电压的升高以及谐振过电压两种情况都会造成主变中性点的绝缘。因此，基于主变系统保护的角度思考，中性点保护装置对于系统应用十分重要。

2 沙河电站变压器中性点保护设置

沙河电站变压器的中性点保护设置中，避雷器通过棒-棒间隙的方式进行联合，并且配备氧化锌避雷器。下面结合沙河电站具体情况对该保护方式及原理进行介绍。

2.1 变压器中性点过电压产生

实际应用过程中变压器中性点过电压的反映呈现出多样化的特征，单相接地、大气、断路器非全相分合闸等都会造成过电压的现象。其中大气过电压以感应雷和直击雷为最常见的反映，一旦主变感应到侵入就会反映在中性点电压的变化上，形成过电压。当前沙河电站的变压器线路已形成全架空地线保护，直击雷机会很小；而中性点过电压形成的主要因素与电网断路器非同期重合闸、非全相动作、导线断线等因素直接相关。

2.2 放电间隙作用与不足

对于放电间隙来说，其主要的优点就在于简单的构造、稳定的系统运行、低密度的维护工作量，并且实际应用操作中可以对变压器起到较好的保护作用。然而它客观存在的间隙参数确定困难、灭弧能力差、较大的放电分散性和工频续流等缺点也较为明显。另外当不对称接地短路现象发生并对系统造成冲击时，持续时间较长，谐波对绕组绝缘的影响也客观存在。

2.3 避雷器作用与不足

避雷器主要优势在于非线性伏安特性将使得残压在时间上相对平稳，陡坡响应良好，通流量较大，并没有续流，动作响应速度快，避免了灭弧与间隙击穿现象发生的同时降低对主变的冲击。然而其难以实现工频过电压保护、较高工频电压耐受差等缺点也依然存在，甚至有可能造成避雷器本身的损坏。这就要求避雷器在使用过程中，需进行定期的检查、维护及试验，大大的增加了维护量。

2.4 沙河电站中性点保护设置

综合以上原因沙河电站采用避雷器与间隙保护并联的保护措施。如此安装避雷器将进一步完成过电压的保护工作，间隙设置可以对高幅值工频的过电压与高残压现象进行规避，通过配置可以使得避雷器和间隙各自运行且形成互补，避免雷电以及暂态过电压造成的系统伤害。间隙对工频及操作等形成的过电压进行控制，避雷器对雷电及暂态过电压进行控制，且间隙与避雷器之间的互补作用可以较好地控制避雷器上过高幅值的工频与过电压、残压的产生。沙河电站中性点保护装置作用下，当中性点的电压升高到一定的电压值，间隙首先动作进而使电压降低，无须避雷器动作，降低因避雷器频繁动作对使用寿命的影响，同时也是对变压器中性点的保护措施。

当前许多电站在安装主变压器时，对中性点放电间隙的安装多以垂直安装的方式为主，而实际应用结果也显示出垂直安装的方式存在许多缺陷。当天气状况欠佳时，雨水等会对间隙的距离产生干扰，使其失去保护效用，进而影响主变运行安全。沙河电站主变压器放电间隙的安装改变了以往常用的垂直安装方式，以水平安装的方式进行，如图1所示。

图1 沙河电站主变压器中性点放电间隙的安装方式

2.5 变压器中性点间隙过流保护

沙河电站主变压器中性点以放电间隙与避雷器相结合的方式进行保护，如果出现接地故障，变压器中性点将产生零序电压升高以及电源侧断路器分合闸间隙放电等情况，威胁主变压器的运行安全。所以想单方面通过间隙控制是存在缺陷的，另外电流通过放电间隙的时间也不应过长。因此，沙河电站为了避免由于工频过电压造成中性点绝缘的产生，充分利用电流互感器的作用，形成变压器中性点放电间隙零序过电流的保护（简称“间隙保护”）。

沙河电站采用的是主变零序过流保护与间隙保护共用一组电流互感器（简称“CT”)，如图2所示。主变零序电流保护继电器与间隙过流保护继电器的动作定值、接地电流性质均存在差异，二者电流线圈以串接的方式连接在中性点接地的CT上。间隙过流分段发展特性使其时间、电流幅值呈现出随机、谐波分量大的特征。

图2 中性点保护图

3 变压器中性点的运行操作注意事项

3.1 中性点接地闸刀操作

主变充电、并列、解列、零升前需要首先对主变中性点闸刀进行关闭操作。对于其高压侧来说，这样操作可以避免在开关动作时产生的过电压对主设备造成损伤。当运行方式变化需要对不同的中性点接地闸刀进行倒换操作时，就需要首先将未接地的一方进行关闭，接着再开启接地的一方，需要特别注意的是操作过程中应当尽量减少未接地与接地闸刀并列操作的时间。上述做法的好处是，当电网接地故障发生时，以上操作可以防止由于单相接地短路造成的短时间电流大幅增大，也更大程度地拓展了零序保护范围，降低越级跳闸风险的发生。同时还应当注意并防止闸刀分流作用对并列接地的两台变压器灵敏度的影响，零序保护灵敏度降低可能形成保护拒动情况的发生。

3.2 相关二次压板的对应关系

在进行主变中性点接地闸刀操作的过程中，还需要进行二次压板的操作。二次压板操作的保护作用发挥能够在一定程度上提高操作精准度。操作过程按照以下规则进行，运行中性点直接接地变压器过程中要先进行保护跳闸压板“零序过流”1LP4投入，“间隙过流”1LP5退出，并保持操作的连续性，否则容易造成“间隙过流”跳闸压板因保护定值较小而形成误动。主变中性点接地闸刀拉开过程中进行保护跳闸压板“间隙过流”1LP5投入，“零序过流”1LP4退出。需要注意的是，尽管从保护定值角度来看，“零序过流”大于“间隙过流”，但“间隙过流”电流不稳定的特性易在电流变化中触动“零序电流”出口，进而对正确判断故障原因及故障排查造成影响。

4 中性点的操作中一、二次的配合问题

通过分别阐述中性点接地闸刀、二次压板的操作关键点，明确了操作规程。本节主要分析二者之间的配合问题，通过对充电运行中主变停役的讲解进行操作配合先后顺序的分析。

假设主变中性点接地闸刀为分闸，且保护压板处于“间隙过流”1LP5投入，“零序过流”撤出的状态，就需要在操作当中先对主变中性点接地闸刀进行关闭操作，步骤如下：第一步投入“零序过流”1LP4压板；第二步关闭中性点接地闸刀；第三步取下“间隙过流”1LP5压板；第四步拉开主变压器220 kV开关。如果未按以上步骤顺序进行操作，第一步和第三步顺序颠倒将会造成安全隐患。

具体原因分析如下：如果在中性点接地闸刀合闸前就取下“间隙过流”保护压板1LP5，使其处于退出状态，保护出口被封闭的同时接地闸刀尚未合闸，就会形成220 kV系统接地故障，产生零序电流。此时就需要依靠其他保护装置，扩大了事故范围。如果合闸后“间隙过流”保护压板1LP5未退出，由于其保护定值较小，容易产生误动作。因此选择先投入“零序过流”1LP4压板就是为了防止在操作期间，如果由于接地等原因产生零序过流，“间隙过流”保护由于某种原因未动作，“零序过流”1LP4压板又未投入而无法响应，就会扩大保护装置的触动范围，造成事故范围的扩大。因此应尽可能地按照正确步骤进行操作，其他操作情况的逻辑关系与之类似，这里就不在赘述。

5 结论

本文以沙河电站为例，分析了主变中性点保护的原理和设置，并对运行中主变中性点的操作注意事项进行了说明，从隐患规避的角度出发，提出中性点操作的正确方法与步骤，最大限度地降低操作隐患的发生。