一、放電間隙的原理與作用

放電間隙的工作原理：在正常情況下，帶電部分與大地被間隙隔開，而當(dāng)通過過電壓時(shí)，間隙被擊穿，過電流就被泄入大地，使線路絕緣子或其他電氣設(shè)備的絕緣不致發(fā)生閃絡(luò)。放電間隙是最簡(jiǎn)單的過電壓保護(hù)裝置，構(gòu)造簡(jiǎn)單，成本低，容易維護(hù)，但保護(hù)特性較差。由于放電間隙熄弧能力差。放電間隙動(dòng)作主要由于以下幾種原因造成:(1)雷擊造成;(2)雷擊后造成系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，即大氣過電壓和內(nèi)部過電壓共同作用;(3)內(nèi)部過電壓。

我國(guó)110kV及以上電力系統(tǒng)為中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)，但是不是所有的110kV及以上電壓等級(jí)的變壓器中性點(diǎn)都要直接接地，因?yàn)榭紤]到系統(tǒng)短路容量的問題，如果全部接地，系統(tǒng)短路容量太大，斷路器切很難斷故障電流，因此要部分直接接地，不接地的變壓器中性點(diǎn)要采取間隙保護(hù)措施，間隙一般串聯(lián)電流互感器，當(dāng)間隙放電時(shí)用零序電流來啟動(dòng)變壓器后備保護(hù)，跳開各側(cè)斷路器，保護(hù)變壓器。中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)所使用的變壓器為分級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)，即變壓器繞組中性點(diǎn)的絕緣水平低于繞組端部絕緣水平，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB311《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》規(guī)定：見下表

在有效接地系統(tǒng)中，為了限制單相接地短路電流、防止通信干擾和滿足繼電保護(hù)整定配置等要求，將部分變壓器中性點(diǎn)不直接接地運(yùn)行，形成局部不接地系統(tǒng)。

對(duì)于有效接地系統(tǒng)，變壓器中性點(diǎn)是直接接地的，其中性點(diǎn)不需要采取過電壓保護(hù)措施，而對(duì)中性點(diǎn)不接地的變壓器，中性點(diǎn)絕緣就必須采取過電壓保護(hù)。當(dāng)雷電波從線路侵入變電站到達(dá)變壓器中性點(diǎn)以及系統(tǒng)單相接地、非全相運(yùn)行、特別是伴隨產(chǎn)生變壓器勵(lì)磁電感與線路對(duì)地電容諧振時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的雷電過電壓或工頻暫態(tài)過電壓，對(duì)分級(jí)絕緣變壓器中性點(diǎn)構(gòu)成威脅，甚至使絕緣損壞。因此，對(duì)局部不接地系統(tǒng)的變壓器中性點(diǎn)的過電壓保護(hù)需采用氧化鋅避雷器加并聯(lián)間隙的保護(hù)方式。

變壓器中性點(diǎn)配置的放電間隙和避雷器都是為了防止由于過電壓造成中性點(diǎn)絕緣損壞。但二者不盡相同。變壓器，中性點(diǎn)產(chǎn)生過電壓分為內(nèi)部過電壓和外部侵人造成過電壓2種。由于諧振過電壓和操作過電壓可以通過一些有效的措施解決，變壓器中性點(diǎn)的內(nèi)部過電壓主要是指工頻過電壓，即系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，中性點(diǎn)產(chǎn)生的位移電壓。外部侵人過電壓是指雷擊過電壓。

當(dāng)避雷器和放電間隙并聯(lián)使用時(shí)，間隙的配置同時(shí)要考慮變壓器的沖擊放電電壓和工頻耐壓水平，放電間隙用來防止內(nèi)部過電壓，避雷器用來防止雷擊過電壓。

在變壓器中性點(diǎn)放電間隙和避雷器配合使用時(shí)，應(yīng)滿足如下要求:

(1)、當(dāng)變壓器中性點(diǎn)電壓達(dá)到或超過其工頻耐受電壓時(shí)，放電間隙應(yīng)能可靠動(dòng)作，從而在工頻過電壓時(shí)，起到保護(hù)變壓器中性點(diǎn)絕緣的作用。

(2)、保護(hù)間隙的放電電壓應(yīng)大于因電網(wǎng)一相接地而引起的中性點(diǎn)電位升高的暫態(tài)值，以免繼電保護(hù)不能正確動(dòng)作。

(3)、當(dāng)大氣過電壓時(shí)，盡量由避雷器保護(hù)變壓器，棒-棒間隙不應(yīng)動(dòng)作，防止棒一棒間隙頻繁擊穿。這就要求避雷器要比棒一棒間隙靈敏得多。

(4)、避雷器的滅弧電壓應(yīng)大于因電網(wǎng)一相接地而引起的中性點(diǎn)電位升高的穩(wěn)態(tài)值U0,防止避雷器爆炸。目前，電網(wǎng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用氧化鋅避雷器，對(duì)于氧化鋅避雷器來說，由于沒有間隙，不存在滅弧電壓這個(gè)參數(shù)，只要求額定電壓大于Uo即可。

二、相關(guān)規(guī)范中對(duì)變壓器中性點(diǎn)保護(hù)配置的要求

2.1、《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程GB/T14285-2006》第4.3.8條

4.3.8、在110kV、220kV中性點(diǎn)直接接地的電力網(wǎng)中，當(dāng)?shù)蛪簜?cè)有電源的變壓器中性點(diǎn)可能接地運(yùn)行或不接地運(yùn)行時(shí)，對(duì)外部單相接地短路引起的過電流，以及對(duì)因失去接地中性點(diǎn)引起的變壓器中性點(diǎn)電壓升高，應(yīng)按下列規(guī)定裝設(shè)后備保護(hù)：

4.3.8.1、全絕緣變壓器

應(yīng)按4.3.7.1條（在中性點(diǎn)直接接地的電網(wǎng)中，如變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行，對(duì)單相接地引起的變壓器過電流，應(yīng)裝設(shè)零序過電流保護(hù)，保護(hù)可由兩段組成，其動(dòng)作電流與相關(guān)線路零序過電流保護(hù)相配合。每段保護(hù)可設(shè)兩個(gè)時(shí)限，并以較短時(shí)限動(dòng)作于縮小故障影響范圍，或動(dòng)作于本側(cè)斷路器，以較長(zhǎng)時(shí)限動(dòng)作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。）規(guī)定裝設(shè)零序過電流保護(hù)，滿足變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行的要求。此外，應(yīng)增設(shè)零序過電壓保護(hù)，當(dāng)變壓器所連接的電力網(wǎng)失去接地中性點(diǎn)時(shí)，零序過電壓保護(hù)經(jīng)0.3s～0.5s時(shí)限動(dòng)作斷開變壓器各側(cè)斷路器。

4.3.8.2、分級(jí)絕緣變壓器

為限制此類變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的中性點(diǎn)過電壓，在變壓器中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)放電間隙。此時(shí)應(yīng)裝設(shè)用于中性點(diǎn)直接接地和經(jīng)放電間隙接地的兩套零序過電流保護(hù)。此外，還應(yīng)增設(shè)零序過電壓保護(hù)。用于中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行的變壓器按4.3.7.1條的規(guī)定裝設(shè)保護(hù)。用于經(jīng)間隙接地的變壓器，裝設(shè)反應(yīng)間隙放電的零序電流保護(hù)和零序過電壓保護(hù)。當(dāng)變壓器所接的電力網(wǎng)失去接地中性點(diǎn)，又發(fā)生單相接地故障時(shí)，此電流電壓保護(hù)動(dòng)作，經(jīng)0.3s～0.5s時(shí)限動(dòng)作斷開變壓器各側(cè)斷路器。

2.2、《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T50064-2014》第4.1.4條：

4.1.4、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免110kV及220kV有效接地系統(tǒng)中偶然形成局部不接地系統(tǒng)產(chǎn)生較高的工頻過電壓,其措施應(yīng)符合下列要求:

1、當(dāng)形成局部不接地系統(tǒng),且繼電保護(hù)裝置不能在一定時(shí)同內(nèi)切除110kV或220kV變圧器的低、中壓電源時(shí),不接地的變壓器中性點(diǎn)應(yīng)裝設(shè)間隙。當(dāng)因接地故障形成局部不接地系統(tǒng)時(shí),該間隙應(yīng)動(dòng)作;系統(tǒng)以有效接地系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生單相接地故障時(shí),間隙不應(yīng)動(dòng)作。間隙距離還應(yīng)兼顧雷電過電壓下保護(hù)變壓器中性點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)絕緣的要求。

2、當(dāng)形成局部不接地系統(tǒng),且繼電保護(hù)裝置設(shè)有失地保護(hù)可在一定時(shí)問內(nèi)切除110kV及220kV變壓器的三次、二次繞組電源時(shí),不接地的中性點(diǎn)可裝設(shè)無間隙金屬氧化物避雷器(MOA),應(yīng)驗(yàn)算其吸收能量。該避雷器還應(yīng)符合雷電過電壓下保護(hù)變壓器中性點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)絕緣的要求。

2.3、《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》第14.3條防止變壓器過電壓事故

14.3.1、切合 110kV 及以上有效接地系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地的空載變壓器時(shí)，應(yīng)先將該變壓器中性點(diǎn)臨時(shí)接地。

14.3.2、為防止在有效接地系統(tǒng)中出現(xiàn)孤立不接地系統(tǒng)并產(chǎn)生較高工頻過電壓的異常運(yùn)行工況，110～220kV 不接地變壓器的中性點(diǎn)過電壓保護(hù)應(yīng)采用棒間隙保護(hù)方式。對(duì)于110kV變壓器，當(dāng)中性點(diǎn)絕緣的沖擊耐受電壓185kV 時(shí)，還應(yīng)在間隙旁并聯(lián)金屬氧化物避雷器，間隙距離及避雷器參數(shù)配合應(yīng)進(jìn)行校核。間隙動(dòng)作后，應(yīng)檢查間隙的燒損情況并校核間隙距離。

三、變壓器中性點(diǎn)保護(hù)原理

3.1、變壓器中性點(diǎn)保護(hù)配置方式

110～220kV電力變壓器通常都是按圖1裝設(shè)后備保護(hù)。

圖1變壓器中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行接線

1）、零序電流保護(hù)

變壓器中性點(diǎn)刀閘閉合時(shí)（即中性點(diǎn)接地）。變壓器零序電流保護(hù)是由專門零序電流互感器以及各電壓等級(jí)的電壓互感器采集零序電流和電壓源。

2）、中性點(diǎn)間隙保護(hù)

電壓等級(jí)為 110kV 及 110kV以上的變壓器中性點(diǎn)間隙保護(hù)，應(yīng)用零序電流繼電器與零序電壓繼電器并聯(lián)模式，帶有0.3～0.5s的時(shí)限構(gòu)成。當(dāng)接地部分突發(fā)故障使得放電間隙放電時(shí)，有間隙零序電流通過，使放電間隙接地一端的間隙電流互感器的零序電流繼電器動(dòng)作；若放電間隙不放電，則利用零序電壓繼電器動(dòng)作。間歇性弧光接地時(shí)，間隙保護(hù)公用的時(shí)間元件，避免其中途回返，確保間隙接地保護(hù)有效。

3.2、變壓器兩種中性點(diǎn)接地方式下故障電流分析

1）、中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行 閉合中性點(diǎn)刀閘時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱接地故障，故障零序電流從中性點(diǎn)刀閘形成回路流過，主變中性點(diǎn)零序電流互感器為保護(hù)裝置采集故障電流I0。而間隙電流互感器無電流通過，未執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，詳見圖1。

2）、主變中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地運(yùn)行 如圖2所示，切斷中性點(diǎn)刀閘時(shí)，主變中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地。安裝在間隙保護(hù)部位間隙電流互感器。系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障后，間隙被擊穿，通過安裝在間隙保護(hù)部位間隙電流互感器產(chǎn)生間隙零序電流IJ0，最后間隙零序保護(hù)動(dòng)作將故障切除。若間隙未被擊穿，則由過電壓保護(hù)動(dòng)作將變壓器切掉。

圖2 變壓器中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地運(yùn)行接線