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如何保護高壓試驗變壓器中性點間隙形式

為避免在110kV及220kV有效接地系統(tǒng)中偶然形成局部不接地系統(tǒng)，并產(chǎn)生較高的工頻過電壓。對可能形成的這種局部系統(tǒng)，低壓側(cè)有電源的110kV及220kV變壓器不接地的中性點要裝設間隙。因接地故障形成局部不接地系統(tǒng)時該間隙動作；系統(tǒng)以有效接地方式運行發(fā)生單相接地故障時間隙不動作。當變壓器中性點絕緣的沖擊耐受電壓偏低時，還應在間隙旁并聯(lián)金屬氧化鋅避雷器測試儀。
近幾年中性點保護間隙和避雷器并聯(lián)成套設備（有些還帶接地隔離開關）的制造正在初步形成規(guī)模，各企業(yè)對設備制造的理論依據(jù)各有不同，但實際產(chǎn)品都存在兩個常見問題。
一、放電間隙與避雷器的分工配合不理想。
二、間隙放電后燒損嚴重，往往一兩次工作就完全變形無法繼續(xù)使用。
我們依據(jù)多年制造維護經(jīng)驗，并結合具體試驗，對出現(xiàn)的上述問題進行了如下思考和改進。
變壓器中性點產(chǎn)生過電壓常見以下幾種情況：
一、系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障。
出現(xiàn)這種情況時，依據(jù)從故障點看的系統(tǒng)零序電抗和正序電抗，可以計算出在不接地中性點上的過電壓數(shù)值。
二、形成局部不接地系統(tǒng)且變壓器低壓側(cè)有電源。
出現(xiàn)局部不接地系統(tǒng)（如系統(tǒng)發(fā)生接地故障跳閘，故障保留在局部系統(tǒng)中），變壓器中性點電壓將可能升高到相電壓。
三、雷電過電壓。
出現(xiàn)感應雷或侵入雷，導致瞬間沖擊形式的過電壓。
四、其它斷線過電壓。
如導線意外斷落，斷路器意外拒動作等造成的過電壓。這類過電壓主要為諧振形式。
分析上面的四種主要形式的過電壓，顯然雷電過電壓需要避雷器來工作吸收。由于避雷器（目前都采用MOA）存在無法吸收持續(xù)能量的問題，其它形式的過電壓不能靠避雷器來吸收。
單相接地產(chǎn)生的中性點電壓升高，其值不高，可按下式估算：

   這個過電壓是變壓器中性點絕緣能力可以承受的，不需要特別的設備進行保護。
而對于前面歸納的**和第四兩類過電壓，才是需要間隙來保護的。由于這兩類過電壓都是幅值變化大，持續(xù)時間比較長的，無法歸納出**的保護點，所以一般設計上都按照間隙工頻放電電壓不大于其保護的變壓器中性點工頻絕緣水平（工頻1min耐受值）來設計間隙的工頻擊穿值。
   *后，還需要分析間隙沖擊放電范圍，以及避雷器的工頻耐受能力，以實現(xiàn)比較好的配合。
通過上面分析的變壓器中性點保護間隙和避雷器成套設備的選型原則，我們可以大致了解廠家設計此類設備的計算過程。從理論上說，這個設計是可靠的，**性能比較好。但是為什么實際使用中卻出現(xiàn)燒間隙問題？我們通過對多年實踐的總結，認為是材料和間隙形式的缺陷導致實際使用效果遠不如理論。
   前些年沒有出現(xiàn)這類成套設備，變電站多采用自己采購配件（隔離開關、避雷器、絕緣支柱），現(xiàn)場用兩根金屬棒按電力規(guī)程要求拉開合適的距離，做成一個棒-棒間隙，用來進行變壓器中性點保護。這個辦法雖然簡單，但是還是有一些效果。有時出現(xiàn)間隙不正常放電或者燒損，一般也解釋成安裝單位不是避雷器廠，對絕緣配合理論理解不深刻，導致間隙和變壓器的配合、和避雷器的配合設計有誤，也可以說得過去。
   但是現(xiàn)在由專門做過電壓保護設備的企業(yè)，按嚴格的絕緣配合計算設計的變壓器中性點保護間隙成套設備，依然不時出現(xiàn)燒間隙的問題，這恐怕已經(jīng)不是絕緣配合理論理解不深刻的問題，我們要思考更深層次的因素。我們結合生產(chǎn)實踐，認為依然出現(xiàn)這些問題，是間隙形式的不合理造成的。
   傳統(tǒng)的棒-棒間隙，由于實際使用中事故率比較高，所以并不得到多數(shù)企業(yè)的認可。目前專門做變壓器中性點保護間隙成套設備的廠家，很多都傾向改變間隙結構為水平球型間隙。因為球型間隙有一個明顯的優(yōu)點，就是放電分散性比較小，可以比較理想的達到與理論計算差不多的實際放電電壓控制值。但是間隙燒損嚴重真的是因為實際工作電壓與理論計算不一致導致的嗎？如果說間隙燒損是由于放電分散性太大，大到了在低于前面列舉的*類過電壓（單相接地導致中性點電壓升高）時就放電，那采用球型間隙是一個合理的選擇。然而事實上大多數(shù)時候間隙的燒損并不是放電電壓偏低誤工作造成，而是放電以后拉弧時間過長電弧持續(xù)灼燒一點造成，這個是采用球型間隙也無法解決的問題，滅弧性能球型間隙并不比簡單的棒-棒間隙好到哪里去。所以我們雖然把放電分散性控制下來了，但是并不能真的解決掉燒間隙的問題。只有提高間隙的滅弧能力，才可以解決電弧長時間灼燒導致間隙使用壽命很低的問題。
   基于這個考慮，我們考察了各種間隙滅弧能力的運行經(jīng)驗，認為采用角型間隙可以有效解決這個問題。相關的運行經(jīng)驗已經(jīng)很多，但為了直觀驗證擊穿后滅弧時間和滅弧后燒損情況，我們又進行了如下比較試驗。
試驗為單相電源，間隙擊穿900ms后自動跳閘。在三種短路電流下對比球型間隙和角型間隙各做5次試驗。
間隙球直徑100mm，間隙角45度，長度100mm。

試驗http://www.jssxdq.com結果如下：

短路電流		500A	1500A	3000A
球間隙	滅弧情況	自動滅弧3次，2次跳閘	自動滅弧2次，3次跳閘	5次均靠跳閘才能滅弧
球間隙	燒損情況	均輕微燒損，可繼續(xù)使用	3只燒損比較大，但還可繼續(xù)使用	銅球均嚴重燒損，無法繼續(xù)使用
角間隙	滅弧情況	全部自動滅弧	全部自動滅弧	全部自動滅弧
角間隙	燒損情況	幾乎無損傷	幾乎無損傷	2只輕微燒損，可繼續(xù)使用。3只幾乎無損傷

   由于條件限制，此項試驗的調(diào)節(jié)廣度和次數(shù)均不大，還不能作為定量科學分析的依據(jù)。但可以從中定性的看出，角型間隙的滅弧能力遠遠優(yōu)于球間隙，而且在短路電流偏高的情況下，優(yōu)勢更為明顯。雖然沒有進行重合閘的模擬，但是可以推論如果自動滅弧成功，重合閘是成功率很高的。角型間隙產(chǎn)生弧光后可以自動拉長電弧降低短路電流，對滅弧的實際作用很明顯。
   *后分析一下降低沖擊系數(shù)（沖擊因數(shù)）的問題。球型間隙的另一個賣點是沖擊系數(shù)低。沖擊系數(shù)降低是否真的那么重要呢？我們認為不是的。
   前文已經(jīng)列舉了中性點過電壓產(chǎn)生的幾個主要類別，會出現(xiàn)高幅值的沖擊放電的，就是雷擊。事實上并聯(lián)避雷器可以非常好的限制這類過電壓，在有并聯(lián)避雷器的情況下，不需要特別考慮放電間隙的沖擊系數(shù)是不是需要很低，實際使用中的出現(xiàn)感應雷和侵入雷，根本不靠放電間隙工作來釋放。
   為了節(jié)約成本，在變壓器中性點絕緣水平比較高的時候，有的廠家建議用戶可以只安裝間隙而不需要并聯(lián)避雷器，因此這個時候間隙的沖擊系數(shù)就很重要。但是由于間隙自身放電還存在響應時間遠遠大于MOA的缺點，為了能夠有效的釋放雷擊（而且實際往往是多重雷）這樣很短的瞬間沖擊，即使間隙沖擊系數(shù)理論計算上可以滿足絕緣配合要求，我們認為也不宜在變壓器中性點只安裝間隙而不并聯(lián)避雷器。
   綜上所述，對于變壓器中性點保護間隙成套設備，采用角型間隙代替球型間隙，可以有效提高間隙滅弧性能，真正意義上降低間隙燒損事故，大大提高間隙的使用壽命。而同時換用角型間隙并不破壞設備間的絕緣配合設計，對產(chǎn)品的保護性能沒有影響，是一個合理的選擇。

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