110～220kV变压器中性点保护间隙距离计算选择

110～220kV变压器中性点保护间隙距离计算选择摘要：根据过电压及绝缘配合要求，总结110～220kV变压器中性点保护间隙的整定计算原则，根据目前电力系统实际情况，计算110～220kV变压器中性点保护间隙可调范围值，并提出保护间隙可调范围通用设计值，以供设计单位及中性点设备厂家参考。关键词：变压器中心点保护间隙；棒间隙距离；过电压及绝缘配合中图分类号：0

引言电力系统中110～220kV变压器中性点可采用直接接地方式，部分变压器中性点根据运行要求也可采用不接地方式。为防止在有效接地系统中偶然出现局部不接地系统，并产生较高工频过电压损害变压器中性点绝缘，110～220kV不接地变压器的中性点应采用水平布置的棒间隙保护，当因接地故障形成局部不接地系统时，该间隙应动作。当系统以有效接地系统方式运行发生单相接地故障时，该间隙不应动作。该间隙距离还应兼顾雷电过电压下保护变压器中性点标准分级绝缘的要求。保护间隙虽有限制过电压的能力，但其熄弧能力差，实际工程中常采用在保护间隙旁边并联金属氧化物避雷器，避雷器作为雷电冲击过电压主保护，保护间隙为后备保护。另外，保护间隙的工频击穿电压还应与避雷器持续运行电压配合，以免避雷器长时间运行在中性点工频过电压下而被损坏。1

变压器中性点过电压110～220kV变压器中性点采用经隔离开关接地，并配置与隔离开关并联的中性点避雷器及放电间隙，其典型电气接线示意见图1。当中性点隔离开关处于合闸位置时，变压器中性点为直接接地；当中性点隔离开关处于分闸位置时，变压器中性点为经棒间隙接地。图1

110～220kV变压器中性点成套装置接线示意图（1）侵入雷电波过电压。当雷击线路时，雷电冲击波侵入变压器，在三相同时进波时，变压器不接地的中性点类似于开路情况，在中性点产生的雷电过电压最严重情况可达波幅值的2倍。此过电压会对分级绝缘的变压器中性点造成危害。此情况下，宜优先装设无间隙金属氧化物避雷器MOA作为主保护，间隙可作为后备保护。（2）单相接地故障引起的工频过电压系统以有效接地方式运行发生单相接地故障，由对称系统过渡到不对称系统，变压器中性点出现工频过电压，过电压幅值可由系统零序阻抗、正序阻抗采用对称分量法计算，最大不超过0.6倍系统最高运行相电压。此情况下，间隙不应动作。系统故障前以有效接地方式运行，但因接地故障断路器跳闸后形成局部不接地系统，且变压器低压侧有电源时，变压器中性点位移电压将上升至相电压，该电压对中性点绝缘水平较低的分级绝缘变压器构成威胁。此情况下，间隙应动作。（3）非全相运行时在中性点引起的过电压系统在单相重合闸、线路熔断器非全相熔断、线路断线、断路器单相或两相拒动/不同期切合时，中性点会出现异常的过电压，过电压幅值可达2.0倍系统最高运行相电压，危及110～220kV中性点不接地变压器的中性点绝缘。此情况下，宜装设间隙保护，当继电保护装置设置有缺相保护时，也可装设无间隙MOA保护。2

变压器中性点间隙距离计算原则（1）系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时，中性点棒间隙不应动作。系统以有效接地方式运行，发生单相接地故障后，在中性点直接接地系统中，变压器中性点产生的稳态过电压为：

式（1）式中：为振荡系数；为最高运行相电压；（系统零序电抗/系统正序电抗）。中性点棒间隙的工频击穿电压有效值应满足式（2）要求：式（2）式中：为棒间隙的工频击穿电压有效值，kV；为安全系数，对外绝缘取值为1.05；为大气修正系数，（其中H为设备安装地点的海拔高度，单位m；为指数，对空气间隙的工频击穿电压、雷电击穿电压，取值1.0）；σ为空气间隙工频击穿电压的标准偏差，一般取值0.03。（2）间隙的工频击穿电压应低于变压器中性点的短时工频耐受电压。为保护变压器中性点绝缘，应使间隙的工频击穿电压低于变压器中性点的1min短时工频耐受电压：式（3）式中：为变压器中性点的1min短时工频耐受电压有效值，kV。（3）间隙的工频击穿电压应低于并联避雷器的持续运行电压。为避免间隙并联避雷器长时间运行在工频过电压下而导致其损坏甚至爆炸，宜使间隙的工频击穿电压低于避雷器的持续运行电压（若配合有困难，可提高至避雷器的额定电压，但故障必须在10s内切除）：式（4）式中：为避雷器的持续运行电压有效值，kV。（4）间隙的雷电冲击击穿电压应低于变压器中性点的雷电冲击耐受电压。为保护变压器中性点绝缘，应使间隙的雷电冲击击穿电压低于变压器中性点的额定雷电冲击耐受电压：

式（5）式中：-棒间隙的50%雷电冲击击穿电压（峰值），kV;为变压器中性点的雷电冲击耐受电压（峰值），kV。（5）根据棒间隙击穿电压计算值，对照棒间隙击穿电压曲线，查取对应的棒间隙值（最大值、最小值），选取用于设备订货的棒间隙可调范围，形成可广泛使用的标准化通用设计值。3

变压器中性点保护间隙距离计算实例3.1设备参数根据《绝缘配合第1部分定义、原则和规则》GB311.1-2012要求，110～220kV变压器中性点额定耐受电压参数如下：表1

110kV～220kV变压器中性点额定耐受电压数据来源110kV主变中性点（不固定接地方式下）220kV主变中性点（不固定接地方式下）雷电冲击耐受电压（峰值，kV）短时工频耐受电压（有效值，kV）雷电冲击耐受电压（峰值，kV）短时工频耐受电压（有效值，kV）GB311.1国标要求值25095400200注：表中耐受电压基于设备运行条件为正常环境条件，已按海拔1000m进行了修正。根据《交流无间隙金属氧化物避雷器》GB11032-2010要求，110kV～220kV变压器中性点MOA标准参数如下：表2

110kV～220kV变压器中性点MOA标准参数主变压器中性点避雷器额定电压（kV）持续运行电压（kV）标称放电电流（kA）1.5kA雷电冲击电流下的最大残压（峰值，kV）110kV中性点避雷器72581.5186220kV中性点避雷器1441161.53203.2系统参数110～220kV系统中性点采用有效接地方式，国标GB/T50064-2014要求在各种条件下系统的零序电抗与正序电抗之比（）应为正值并且不应大于3。现状系统参数经常出现系统零序电抗略小于正序电抗的情况，例如。根据中性点稳态过电压计算公式（1）分析可知，的比值越大，稳态过电压的数值越高；的比值越小，稳态过电压的数值越低。鉴于保护间隙设备参数选取宜满足通用性要求，取110～220kV系统计算条件为：（适用于当前电网大部分情况，若有特例，应按实际比值计算）。3.3间隙距离计算示例3.3.1110kV变压器中性点保护间隙距离计算计算条件：海拔H=1000m；；110kV变压器中性点绝缘水平取国标要求值，雷电冲击耐受电压250kV（峰值），短时工频耐受电压95kV（有效值）。Step1：计算大气修正系数。Step2：系统以有效接地方式运行发生单相接地故障时，中性点棒间隙不应动作。系统以有效接地方式运行，发生单相接地故障后，在中性点直接接地系统中，变压器中性点产生的稳态过电压为：（）（）中性点棒间隙的工频击穿电压有效值应满足：（）（）Step3：间隙的工频击穿电压应低于变压器中性点的短时工频耐受电压。因110kV变压器中性点绝缘水平的国标要求值短时工频耐受电压95kV（有效值）已按海拔1000m进行了修正，此处计算中取。Step4：间隙的工频击穿电压应低于并联避雷器的持续运行电压。Step5：间隙的雷电冲击击穿电压应低于变压器中性点的雷电冲击耐受电压。因110kV变压器中性点绝缘水平的国标要求值雷电冲击耐受电压250kV（峰值）已按海拔1000m进行了修正，此处计算中取。Step6：保护间隙取值。综上，间隙的工频击穿电压、雷电冲击击穿电压满足以下条件：间隙的工频击穿电压（有效值）：；间隙的雷电冲击击穿电压（峰值）：。对照棒间隙击穿电压曲线（基于海拔H=0m条件下），查取间隙可调范围：工频击穿电压要求的间隙范围：；雷电冲击击穿电压要求的间隙范围：。小结：海拔H=1000m条件下，系统参数满足，110kV变压器中性点采用GB311.1标准绝缘水平或高于标准绝缘水平，中性点避雷器采用标准参数时，110kV变压器中性点的保护间隙距离可取。具体项目保护间隙距离整定值需根据其实际值采用上述流程计算得出。3.3.2高海拔地区变压器中性点保护间隙距离计算工程实际运行环境条件多变，为便于设备统一设计及制造，实际运用中可将海拔高度划分为5档：0m、1000m、2000m、3000m、4000m。根据前述计算流程，分别计算各档位海拔条件下变压器中性点保护间隙距离。海拔（大气）修正系数计算结果见下表：表3

海拔修正系数海拔高度（m）010002000300040001.01.1311.2781.4451.6340.8851.01.1311.2781.445当系统参数取，变压器中性点采用GB311.1要求的标准绝缘水平，中性点避雷器采用标准参数时，各档位海拔条件下变压器中性点保护间隙击穿电压要求值的计算结果见表4。根据表4计算结果，对照棒间隙击穿电压曲线（基于海拔H=0m条件下），查取间隙距离的要求范围，详见表5。表4

保护间隙击穿电压要求值海拔高度（m）01000200030004000110kV变压器中性点保护间隙的工频击穿电压要求（kV，有效值）26.05（35.97）＜Ubg＜50.6829.45（40.67）＜Ubg＜57.3033.30（45.98）＜Ubg＜64.7737.64（51.98）＜Ubg＜73.2342.56（58.77）＜Ubg＜82.79110kV变压器中性点保护间隙的雷电冲击击穿电压要求（kV，峰值）UbL＜193.21UbL＜218.44UbL＜246.95UbL＜279.19UbL＜315.64220kV变压器中性点保护间隙的工频击穿电压要求（kV，有效值）52.10（71.95）＜Ubg＜101.3558.90（81.34）＜Ubg＜114.5966.59（91.96）＜Ubg＜129.5475.28（103.96）＜Ubg＜146.4685.11（117.53）＜Ubg＜165.57220kV变压器中性点保护间隙的雷电冲击击穿电压要求（kV，峰值）UbL＜309.14UbL＜349.50UbL＜395.12UbL＜446.70UbL＜505.02备注：保护间隙的工频击穿电压最小要求值按边界值计算，括号外数据按计算得出，括号内数据按计算得出。表5

保护间隙距离要求值海拔高度（m）01000200030004000工频击穿电压要求的110kV变压器中性点保护间隙距离L整定要求（mm）92.10(127.17)＜L＜179.18104.12（143.79）＜L＜202.59117.73（162.56）＜L＜228.99133.08（183.78）＜L＜258.91150.47（207.78）＜L＜292.71雷电冲击击穿电压要求的110kV变压器中性点保护间隙距离L整定要求（mm）L＜189.82L＜227.66L＜270.43L＜318.78L＜373.45工频击穿电压要求的220kV变压器中性点保护间隙距离L整定要求（mm）184.20（254.38）＜L＜358.33208.24（287.58）＜L＜405.14235.43（325.13）＜L＜459.93266.16（367.55）＜L＜517.81300.91（415.53）＜L＜585.38雷电冲击击穿电压要求的220kV变压器中性点保护间隙距离L整定要求（mm）L＜363.71L＜424.25L＜492.68L＜570.06L＜657.53备注：保护间隙距离L整定要求按边界值计算，括号外数据按计算得出，括号内数据按计算得出。4

结语110～220kV变压器中性点保护间隙距离最小值由系统参数“”控制，受海拔高度影响；变压器中性点短时工频耐受电压、雷电冲击耐受电压、并联MOA的持续运行电压为间隙距离最大值的计算条件，其中并联MOA的持续运行电压作为间隙距离最大值的控制条件。为便于工程设计及设备制造标准化，表6给出各档海拔范围条件下，中性点保护间隙可调范围的推荐设计值。该值适用于对应海拔范围条件下，系统参数满足，变压器中性点采用GB311.1要求的标准绝缘水平或高于其规定的准绝缘水平，中性点避雷器采用GB11032推荐的标准参数时，保护间隙出厂可调范围标准值，满足实际工程需求。表6

变压器中性点保护间隙距离可调范围选择海拔高度（m）110kV变压器中性点保护间隙距离设计推荐值（mm）220kV变压器中性点保护间隙距离设计推荐值（mm）0～1000100～200200～4001000～2000100～200200～4002000～3000150～300250～5003000～4000150～300250～5004000～5000200～400300～600具体项目的变压器中性点保护间隙距离整定值需根据其实际值，考虑工程地实际海拔高度影响、变压器中性点耐受电压、并联MOA的持续运行电压等因素，采用前述流程计算得出，以满足实际运行时，间隙能保护变压器中性点绝缘，并兼顾保护并联MOA安全运行。参考文献[1]《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》：GB/T50064，2014．[2]《绝缘配合第1部分定义、原则和规则》：GB311.1，2012.[3]《绝缘配合第２部分：使用导则》：GB/T311.2，2013．[4