110kV變壓器中性點接地方式的選擇與保護配置最佳化

介紹

在高壓電力系統中，變壓器中性點接地方式是影響系統安全、可靠性和穩定性的關鍵因素。對於110kV電力系統，中性點接地方式的選擇直接影響設備的絕緣等級、過電壓保護、繼電器保護配置以及供電可靠性。在中國，110kV系統通常採用… 部分有效的接地方法其中，部分變壓器中性點直接接地，而其他中性點則不接地，目的是限制單相短路電流，同時防止過電壓威脅。

本文分析了110kV變壓器中性點接地方式的不同特性、優點和局限性，探討了最佳保護配置策略，並提出了未來的發展趨勢。

110kV變壓器中性點接地的主要方法

1.1 直接接地

直接接地指變壓器中性點直接接地。此方法有效地固定了中性點電位，確保在單相接地故障時，非故障相電壓升幅不超過相電壓的1.4倍。這有助於降低設備絕緣要求並減少成本。

然而，一個顯著的缺點是 極高的單相接地故障電流（電流可達數千安培），這會影響斷路器的分斷能力和系統穩定性。因此，在需要快速排除故障的110kV以上電壓系統中，通常會採用直接接地。

1.2 未接地中性線

在 非接地系統變壓器中性點與大地絕緣。當發生單相接地故障時，故障電流非常小（主要為系統的容性電流），使得系統能夠在短時間內（通常不超過2小時）繼續運作。這顯著提高了… 電源可靠性。

然而，在不接地系統中，單相接地故障會導致非故障相電壓升高至線電壓等級。如果絕緣較弱，則可能導致擊穿，進而發展為相間故障。此外，間歇性電弧接地也會產生 電弧過電壓電壓可達相電壓的 3～3.5 倍，對變壓器絕緣構成威脅。

1.3 透過小阻抗接地

為了平衡直接接地系統和非接地系統的優缺點， 阻抗接地法常會用到這種方法。這包括透過小電阻或小電抗進行接地。

• 小電阻接地：將故障電流限制在數百安培以內，降低對系統的影響，同時仍能達到快速保護動作。此方法能有效抑制過電壓，適用於電纜密集、容性電流大的配電網路。
• 小電抗接地：可透過感性電流抵消系統的容性電流，從而降低電弧再燃的可能性。這種方法通常被認為是一種補償接地方法。

透過小阻抗接地結合了直接接地和非接地系統的優點，既能抑制過電壓，又能確保較高的電源可靠性。它廣泛應用於110kV系統中，特別適用於存在較大容性電流或對電能品質要求較高的系統。

2. 110kV變壓器中性點保護配置

2.1 過電壓威脅

110kV變壓器中性點的絕緣等級通常為 半絕緣其耐壓額定值僅為線路末端的三分之一。這使得中性點容易受到過電壓損壞。主要的過電壓類型包括：

• 工頻過電壓：由線路切換、不對稱短路或突然的負載損失所引起。
• 諧振過電壓：由系統運作或故障期間電感元件和電容元件之間的相互作用引起的振盪所致。
• 開關過電壓：斷路器開啟或關閉過程中磁能和靜電能轉換的結果。
• 雷擊過電壓：由閃電引起，具有振幅大、持續時間短的特徵。

2.2 常用保護裝置

為保護變壓器中性點，通常採用下列保護裝置：

• 突波抑制器這些裝置可以限制雷擊過電壓和某些開關過電壓。然而，由於110kV變壓器中性點的絕緣等級較低，標準突波保護器通常不足以應對這種情況，因此選型頗具挑戰性。
• 隔離間隙這些裝置可防止工頻過電壓和諧振過電壓。當發生過電壓時，間隙擊穿，將中性點接地，從而限制電壓升高。缺點是間隙距離難以精確調節，這可能導致保護功能失調。
• 突波抑制器和間隙的並聯連接這是一種廣泛應用的保護方法。避雷器處理雷電過電壓，而間隙則處理工頻和諧振過電壓。間隙還能保護避雷器免受可能導致其失效的過工頻過電壓的影響。這種方法具有互補的優勢。

2.3 繼電器保護配置

110kV變壓器中性點繼電器保護主要包括以下幾個方面：

• 零序電流保護對於直接接地變壓器，配置零序電流保護以快速排除接地故障。此保護通常分為多個部分，短延時用於故障定位，長延時用於使變壓器所有側跳脫。
• 零序電壓保護與間隙電流保護對於不接地變壓器，通常設定零序電壓保護和間隙電流保護。當接地故障導致系統失去接地端，造成中性點電壓升高時，間隙會發生擊穿。間隙電流保護或零序電壓保護會以一定的延遲（0.3～0.5秒）使變壓器各側跳脫。
• 備份保護協調為確保選擇性，零序保護時延必須協調一致。例如，變壓器後備保護的時延應長於其所後備的線路保護的延遲。

3. 優化建議與案例分析

3.1 傳統方法的局限性

雖然使用 與間隙平行的突波保護器雖然這種方法很常見，但它存在一些缺陷：

• 突波抑制器選擇的困難：要找到既符合110kV變壓器中性點高連續工作電壓又符合低雷電衝擊殘餘電壓要求的標準避雷器，是一個挑戰。
• 差距設定中的挑戰空氣間隙擊穿電壓容易分散，因此難以準確協調「失地」和「有地」故障條件下的間隙動作。
• 繼電器保護的複雜性：防止「接地損失」（例如零序過電壓和間隙過電流保護）的保護可能會失效，需要額外的阻塞標準，這會增加複雜性並降低可靠性。

3.2 小電抗接地的優勢

研究和實踐表明 透過一個小電抗將中性點接地與傳統的局部接地方法相比，具有顯著優勢：

• 降低絕緣等級要求採用小電抗接地後，變壓器中性點的絕緣等級可從 35kV 降低到 20kV，無需避雷器和間隙，簡化了保護配置。
• 統一接地模式此方法消除了孤立未接地系統的發生，從而可以簡化或省略相關保護措施，進而提高可靠性。
• 保持優勢：它保留了部分接地的優點，例如簡單可靠的零序保護，同時限制了單相短路電流。

3.3 個案研究分析

例如，一個110kV終端變電站的變壓器電路。最初的設計採用了一種 與間隙平行的突波保護器對於中性點保護而言，採用小電抗接地後，變壓器中性點的絕緣需求降低，保護裝置簡化，運轉可靠性提高。計算表明，接地電阻可以將故障電流限制在數百安培，並且易於協調零序保護。

另一起案例則涉及一座110kV變電站的故障，進線瞬態單相接地故障導致中性點間隙擊穿和變壓器跳脫。分析表明，儘管線路故障是瞬態的，但 來自大量異步馬達的回饋負載側為電弧提供了能量，維持了故障。這凸顯了對於具有大量馬達負載（等效電源）的變壓器，在設計階段必須具備完整的零序過電流、間隙電流和零序電壓保護等中性點保護功能。

4 結論與展望

110kV變壓器中性點接地方式的選擇及其保護配置是一項複雜的任務，需要考慮系統結構、負載特性和可靠性要求。雖然傳統的局部接地方式結合避雷器和間隙接地較為常見，但在設備選擇和設置協調方面仍面臨挑戰。 小電抗接地法提供了一種很有前景的替代方案，有可能降低絕緣要求，簡化保護，並提高可靠性。

未來的發展趨勢將集中在以下幾個方面：

• 新設備的應用例如，複合間隙或可控間隙與突波保護器並聯使用，可提高保護的可靠性和準確性。
• 數位保護技術：利用基於微型電腦的保護技術，結合先進的演算法（例如波形辨識、諧波分析），提高接地故障保護的靈敏度和可靠性。
• 標準化和模組化：開發標準化和模組化的中性點保護設備，以簡化設計和維護。

總之，優化110kV變壓器中性點接地方式和保護配置對於提高電力系統的安全、可靠和經濟運作至關重要。隨著技術的進步，有望湧現出更多智慧高效的解決方案並且廣泛應用。