变压器中性点用棒间隙若干问题的探讨

110kV、220kV系统变压器中性点用棒间隙若干问题的探讨一前言对于110kV、220kV电压等级的变电站（含发电厂内的升压站），装设于110kV、220kV变压器中性点的棒间隙是结构最简单、价格最低廉的器件，在布置整齐的高压设备群中，也是外观形式最多、制造工艺最不讲究的设备。造成这种现象的原因是多方面的，既有设备制造商的原因，也有一定的历史原因。上世纪八十年代中后期，当我国电力工业蓬勃发展时，由于按原有设计规范，装设于此类变压器中性点的FS系列的中性点专用避雷器爆炸事故频发，对电网运行及站内主设备安全构成很大的威胁，引起电力系统管理人员和专业人员的极大关注，经业内人士广泛讨论（读者可查阅八十年代中后期及各省电力技术刊物的相关讨论），大家一致认为：安装于此类变压器中性点的所谓“专用避雷器”，在电网出现特殊运行状况时，发生爆炸是不可避免的；同时业内专家取得共识，应以“间隙”替代避雷器更为合理。由此，新颁布的中华人民共和国电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护及绝缘配合》中规定：110kV、220kV有效接地系统中，不接地变压器的中性点，取消避雷器，装设间隙，并将此内容列入技术规范。从八十年代后期到九十年代初，国内部分省市电网已开始用自制的棒间隙来替换运行中的避雷器，并取得了一定的运行经验。DL/T620-1997规程颁布至今已有11年的时间，此后再没有出台过，用以规范棒间隙生产制造的法规性文件。在规程实施后的最初几年中，中性点棒间隙都是由使用单位自行制作，或由基建单位在现场制作，因而造成棒间隙的外观结构多种多样，没有形成规范统一的产品。本公司是国内专业研制生产110kV、220kV变压器中性点棒间隙的厂家之一，在市场上占有一定的份额，从生产、销售过程中获得的信息表明，目前在间隙的设计和使用过程中，对于间隙的作用、保护的对象、电极的形状、工频放电电压值、间隙调定距离、放电电流互感器参数的选择等方面，相关人员的认识尚不完全一致，并在某些方面存在不小分歧，笔者根据自己对DL/T620-1997规程的理解和分析，在此，与业内同行就变压器中性点棒间隙经常涉及的问题进行探讨。二缩写注释DL/T620-1997规程颁布后，国家电力公司于2000年制定并下达了《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》，随后国家电力公司发输电运营部又组织编写了《〈防止电力生产重大事故的二十五项重点要求〉辅导教材》，文中为了方便引述，简称为〈规程〉、〈要求〉和〈教材〉，其具体含义说明如下：〈规程〉---指中华人民共和国电力行业标准DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护及绝缘配合》〈要求〉---指国家电力公司制定的《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》（国电发〔2000〕589号文）〈教材〉---指为配合电力企业贯彻〈要求〉精神，由国家电力公司发输电运营部组织编写的《〈防止电力生产重大事故的二十五项重点要求〉辅导教材》三对DL/T620-1997规程的解读为方便阅读，首先将〈规程〉DL/T620-1997中P1、P3、P20页与间隙有关的内容摘录如下：3.1系统接地方式3.1.1110kV～500kV系统应该采用有效接地方式，即系统在各种条件下应该使零序与正序电抗之比（∕）为正值并且不大于3，而其零序电阻与正序电抗之比（∕）为正值并且不0X1X0R1X大于1。110kV及220kV系统中变压器中性点直接或经低阻抗接地，部分变压器中性点也可不接地。……4.1.1b）应避免在110kV及220kV有效接地系统中偶然形成局部不接地系统，并产生较高的工频过电压。对可能形成这种局部系统、低压侧有电源的110kV及220kV变压器不接地的中性点应装设间隙。因接地故障形成局部不接地系统时该间隙应动作；系统以有效接地方式运行发生单项接地故障时间隙不应动作。间隙距离的选择除应满足这两项要求外，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（参见7.3.5）。……7.3.5有效接地系统中的中性点不接地的变压器，如中性点采用分级绝缘且未装设保护间隙，应在中性点装设雷电过电压保护装置，且宜选变压器中性点金属氧化物避雷器。如中性点采用全绝缘，但变电所为单进线且为单台变压器运行，也应在中性点装设雷电过电压保护装置。通过原文我们可以读到以下关键的内容：①〈规程〉规定110kV、220kV有效接地系统中，不接地的变压器中性点“应装设间隙”，这显然是针对原设计规范中，此处装设避雷器而言的。②装设间隙的目的是“为了避免此有效接地系统中偶然形成局部不接地系统，并产生较高的工频过电压”，此处所指“产生较高的工频过电压”显然不仅仅只指针对不接地变压器的中性点，而是指不接地系统中的所有设备。③对于“因接地故障形成局部不接地系统时该间隙应动作”，可以理解为：间隙的工频放电电压值要低于此时在中性点可能出现的最小的工频电压值，这样才能保证间隙可靠动作，此时不接地系统中所有变压器的中性点都不接地。④对于“系统以有效接地方式运行，发生单相接地故障时，间隙不应动作”，可以理解为：间隙的工频放电电压值要高于此时不接地变压器中性点可能出现的最高的工频电压值，这样才能做到间隙不发生动作。⑤对于“还应兼顾雷电过电压下保护变压器中性点为标准分级绝缘的要求”，注意：这里的“兼顾”仅是对中性点为标准分级绝缘而言的；对于中性点为标准绝缘是否可以理解为无“兼顾”之必要。因为中性点为标准绝缘时，雷电冲击耐受峰值电压为250kV，是标准分级绝缘下，雷电冲击耐受峰值电压185kV的1.35倍。⑥7.3.5是对于“如果中性点为标准分级绝缘，不接地且未装间隙”而言的，故应装设MOA雷电过电压保护装置，反之，如果已装设间隙，且间隙已能“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”，当然也就没有装设MOA的必要了。对上述内容分析后，则可以进一步得出如下结论：第一，110kV、220kV有效接地系统装设间隙的根本目的在于，因接地故障偶然形成局部不接地系统时，防止此不接地系统出现较高的工频过电压，避免对此局部不接地系统中所有在线设备的损坏，它是对整个系统的安全保护，既包括对线端设备的保护，也包括对变压器中性点绝缘的保护。第二，为了达到上述目的，间隙的工频放电电压值，必须低于“应该动作时”变压器中性点可能出现工频电压的最小值；必须高于“不应动作时”变压器中性点可能出现工频电压的最大值，间隙的工频放电电压应该调整在此范围内。第三，规程中没有直接指出应对变压器中性点工频耐受给以保护，显然是因为只要间隙工频放电电压在上述范围内，就一定会比中性点的工频耐受电压低得多，并有较大的保护余度，无需再说明。第四，对于中性点为标准分级绝缘，且未装设保护间隙时，为应对雷电过电压，才有装设MOA的问题；并强调单台运行的中性点为标准绝缘的变压器，也应该装设MOA。第五，规程中没有具体指出间隙“应动作时”及“不应动作时”的工频放电电压值，如果能直接指出间隙的最高工频放电电压值及最低工频放电电压值，问题就简单得多，也就不会引起不必要的争论；同时〈规程〉没有对间隙的结构作任何规定；对间隙“动作”的实质含意没有做出具体说明。四对《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》相关内容的解读为了保障安全生产，国家电力公司于2000年发布589号文《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》，其中与间隙相关的规定见第十七章“防止接地网事故”17.9节，原文如下：17.9为防止在有效接地系统中出现孤立不接地系统并产生较高的工频过电压的异常运行工况，110～220kV不接地变压器的中性点过电压保护应采用棒间隙保护方式。对于110kV变压器，当中性点绝缘的冲击耐受电压≤185kV时，还应在间隙旁并联金属氧化锌避雷器，间隙距离及避雷器参数配合要进行校核。”17.9条以文件的形式强调指出“在不接地变压器的中性点装设棒间隙”是对DL/T620-1997〈规程〉的贯彻实施，但它也容易让读者误认为装设棒间隙的目的只是为了保护变压器中性点本身的工频绝缘耐受。对于110kV变压器，当中性点绝缘的冲击耐受电压≤185kV时，即标准分级绝缘，要求在间隙旁并联MOA，且要求间隙与MOA进行参数配合，此处，如果棒间隙已能同时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，即间隙的雷电冲击放电电压已低于变压器中性点的雷电冲击耐受电压，那么是否还需要在间隙旁并联MOA？对此文中没有做出明确说明。五对《〈防止电力生产重大事故的二十五项重点要求〉辅导教材》相关内容的解读为了贯彻实施〈国电发〔2000〕589号文〉，国家电力公司发输电运行部组织编写了《〈防止电力生产重大事故的二十五项重点要求〉辅导教材》一书，书中对《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》第十七章“防止接地网事故”17.9节的内容进行了注释，注释原文如下：1）在有效接地系统中，当变压器中性点不接地运行时，为防止因断路器非同期操作，线路非全相断线或因继电保护的原因造成中性点不接地的孤立系统且带单相接地运行时产生较高工频过电压，则过电压保护只能采用棒间隙保护方式。这样，不仅保护了变压器中性点的绝缘，而且避免了形成孤立不接地系统带单相接地故障的运行方式所引起线端设备的损坏。2）棒间隙距离应按电网具体情况确定，220kV选用250～300mm（当接地系数K≥1.87时，选用285～300mm），110kV选用105～115mm。3）对于110kV变压器，当中性点绝缘的冲击耐受电压为180～185kV时，还应在间隙旁并联金属氧化锌避雷器，其U1mA≥67kV,1mA雷电残压不大于120kV。4）棒间隙可使用直径Φ14mm或Φ16mm的圆钢，棒间隙宜采用水平布置，端部为半球形，表面加工细致无毛刺并镀锌，尾部应留有15～20mm螺扣，用于调节间隙距离。5）在安装棒间隙时，应考虑与周围物体的距离大于1m，接地棒长度应不小于0.5m,离地面距离应不小于2m.上述1）中的文字内容，充分揭示了装设棒间隙的必要性，首先是为了避免形成局部不接地系统带单相接地故障运行时，系统出现较高的工频过电压，引起线端设备的损坏；同时又起到了保护变压器中性点绝缘安全的作用，这就是装设棒间隙的根本目的；2）--5）部分对间隙的结构要素和现场安装做出了具体规定，尽管此注释并不是技术法规，但事实上它已成为主要间隙生产厂家的设计依据，并对规范间隙设计和制造起到了决定性的作用。通过上述三个相关文件，我们看到技术主管部门对变压器中性点应该采用棒间隙保护方式的阐述，其核心内容可以归纳为以下三点：1）110kV、220kV有效接地系统中不接地变压器的中性点应装设棒间隙。2）棒间隙的主要作用是防止由于偶然原因形成局部不接地系统并发生单相接地运行时系统产生较高的工频过电压对线端设备的损坏，同时保护变压器中性点的绝缘免受损伤。3）如果变压器中性点绝缘为标准分级绝缘，装设的间隙应能兼顾雷电冲击过电压下对变压器中性点绝缘的保护，即间隙的雷电冲击放电电压要低于变压器中性点的雷电冲击耐受电压，如果装设的间隙无法做到这点，则要在间隙旁并装MOA，并需进行参数配合的校核。六棒间隙工作过程分析法规和文件均明确了要在变压器的中性点装设间隙，下面我们对间隙的工作过程展开分析。6.1有效接地系统的基本特征1）有效接地系统运行中，中性点必须接地，接地是通过变压器中性点的直接接地或经小电阻、小电抗的接地来实现的，因而正常运行时电网的中性点对地电压为“0”，不接地变压器中性点的对地电压也为“0”，或接近“0”。2）在有效接地系统中，线（相）端对地的绝缘配置、绝缘配合、绝缘保护等，都是以中性点对地电压为“0”，线端对地为相电压来考虑的（这与66kV以下的不接地系统是完全不同的）。3）在有效接地系统发生单相接地故障时，所有在线且直接接地的变压器都形成单相接地短路故障，都向接地故障点输出单相接地电流，三相电压的对称性被破坏，电能不能正常传输，因而属严重故障，故障点必须立即切除（而66kV以下的不接地系统发生单相接地故障时，三相电压的对称性未受破坏，因而电能可照常传输）。4）在有效接地系统