戴何笠，劉 能，王 旭，楊 鑫，曾玲麗

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司新昌縣供電公司，浙江 新昌312500；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司開(kāi)封供電公司，河南 開(kāi)封475000）

變壓器中性點(diǎn)并聯(lián)保護(hù)間隙距離確定方法研究

戴何笠1，劉 能2，王 旭3，楊 鑫1，曾玲麗1

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司新昌縣供電公司，浙江 新昌312500；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司開(kāi)封供電公司，河南 開(kāi)封475000）

變壓器中性點(diǎn)常采用避雷器與放電間隙相并聯(lián)方式來(lái)保護(hù)中性點(diǎn)絕緣，但由于間隙放電的分散性，使得其配合困難從而常導(dǎo)致間隙誤放電和拒放電。為了防止誤放電和拒放電，準(zhǔn)確地確定間隙的距離是絕緣配合的關(guān)鍵，最好的方法是繪制伏秒特性曲線，但此曲線繪制工作量過(guò)于繁雜。因此，提出運(yùn)用正態(tài)概率分布，對(duì)雷電沖擊放電和工頻放電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取間隙距離的方法，減小了間隙誤放電和拒放電的概率，提高變壓器中性點(diǎn)絕緣保護(hù)能力和供電可靠性。并應(yīng)用該方法對(duì)金屬氧化物避雷器并聯(lián)保護(hù)間隙裝置進(jìn)行放電試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)證明了該方法是準(zhǔn)確、有效的。

變壓器中性點(diǎn)；正態(tài)分布；間隙距離；工頻放電電壓；雷電沖擊放電電壓

0 引言

在我國(guó)110～220 kV有效接地系統(tǒng)中，為了防止通訊干擾，限制單相接地短路電流和滿(mǎn)足繼電保護(hù)的整定配置等要求，通常采取部分變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行[1－4]。經(jīng)調(diào)研，對(duì)不接地變壓器中性點(diǎn)絕緣的保護(hù)通常采用棒間隙與金屬氧化物避雷器相并聯(lián)的方式[2－6]。在該方式下，當(dāng)線路遭受雷擊時(shí)，通過(guò)避雷器泄放雷電沖擊電流，利用避雷器的殘壓保護(hù)變壓器中性點(diǎn)；當(dāng)線路出現(xiàn)單相接地且中性點(diǎn)失地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的工頻過(guò)電壓，威脅到避雷器安全工作，此時(shí)，通過(guò)并聯(lián)的棒間隙放電來(lái)保護(hù)避雷器，同時(shí)釋放過(guò)電流。

在實(shí)際應(yīng)用中，確定棒間隙的間距是棒間隙與金屬氧化物避雷器相并聯(lián)的變壓器中性點(diǎn)保護(hù)方式的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[2-5]中，棒間隙距離按照間隙50%放電電壓值對(duì)應(yīng)間隙距離來(lái)選取，這種方式也是目前常用的方式。但由于間隙放電具有分散性，這樣選取的距離在實(shí)際運(yùn)用中往往存在比較大的偏差，常導(dǎo)致間隙的“誤放電”和“拒放電”。

合理的間隙距離，需要同時(shí)滿(mǎn)足雷電沖擊電壓和工頻電壓的要求。工頻電壓主要限制了間隙的最大距離，該指標(biāo)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于滿(mǎn)足雷電沖擊電壓的要求。對(duì)雷電沖擊絕緣配合，最好的方法是制作伏秒特性曲線，但該曲線的確定非常復(fù)雜，需要大量的試驗(yàn)[8-10]，需要一種便捷、準(zhǔn)確的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)絕緣配合。

相關(guān)規(guī)程中規(guī)定電介質(zhì)擊穿電壓的概率分布一般符合 Weibull distribution（韋伯分布）、Normal distribution（正態(tài)分布）和 Exponential Distribution（指數(shù)分布）[11-15]。在文獻(xiàn)[8]和[9]中楊慶、司馬文霞等人，采用了Normal分布的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)雷電沖擊絕緣配合。因此，筆者Normal分布的方法來(lái)得到不同擊穿概率的工頻和雷電沖擊電壓值，進(jìn)而確定變壓器中性點(diǎn)并聯(lián)棒間隙的間隙距離。通過(guò)對(duì)220 kV變壓器中性點(diǎn)采用不同避雷器時(shí)，并聯(lián)棒間隙的距離確定實(shí)例對(duì)該方法的可靠性和實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法的提出為變壓器的防雷保護(hù)提供了一種新方法，對(duì)提高其運(yùn)行可靠性具有重要意義。

1 并聯(lián)棒間隙間距的確定方法

1.1 棒間隙與避雷器的絕緣配合原則

依據(jù)DL/T620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》的有關(guān)規(guī)定，使用棒形間隙與金屬氧化物避雷器并聯(lián)保護(hù)方式對(duì)變壓器中性點(diǎn)絕緣進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)雷電沖擊波，由避雷器動(dòng)作保護(hù)，保護(hù)間隙不應(yīng)動(dòng)作。當(dāng)出現(xiàn)超過(guò)絕緣水平的操作或工頻過(guò)電壓時(shí)，由保護(hù)間隙進(jìn)行放電保護(hù)，避雷器不應(yīng)動(dòng)作。因此，間隙與避雷器應(yīng)滿(mǎn)足如下配合原則：

1）系統(tǒng)形成不接地系統(tǒng)時(shí)，需要棒間隙動(dòng)作。220 kV系統(tǒng)中，保護(hù)間隙工頻放電電壓需小于失地系統(tǒng)單相接地故障電壓（即140 kV），由此得出棒間隙的最大距離。

2）棒間隙的雷電沖擊放電電壓值應(yīng)大于避雷器上的殘壓，由此得出棒間隙的最小距離。

1.2 棒間隙擊穿放電試驗(yàn)方法

為了能夠準(zhǔn)確、方便地運(yùn)用Normal概率分布的方法對(duì)保護(hù)間隙的擊穿放電電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)了如下試驗(yàn)方法：

1.2.1 雷電沖擊放電試驗(yàn)方法

1）設(shè)定一組間隙距離（h1，h2，…，hi）。在距離下，間隙兩端試驗(yàn)電壓由低往高增加。也就是開(kāi)始時(shí)施加一個(gè)較低的電壓，如果沒(méi)有發(fā)生擊穿，則增加5 kV電壓繼續(xù)進(jìn)行，直到發(fā)生擊穿為止，記錄此時(shí)的雷電沖擊擊穿電壓，重復(fù)試驗(yàn)20次，得到20次擊穿電壓值（U1，U2，…，U20）。

2）按上述步驟，重復(fù)試驗(yàn)距離 h2，h3，…，hi，得出不同距離對(duì)應(yīng)的20次擊穿電壓值。

1.2.2 工頻放電試驗(yàn)方法

1）設(shè)定一組間隙距離（d1，d2，…，di）。在 d1距離下，采用連續(xù)升壓法，通過(guò)調(diào)壓器按1.5 kV/s的速度升高間隙兩端電壓，直到發(fā)生放電為止，記錄工頻放電電壓V，重復(fù)試驗(yàn)20次，得到20次擊穿電壓值（V1，V2，…，V20）。

2）按上述步驟，重復(fù)試驗(yàn)距離 d2，d3，…，di，得出不同距離對(duì)應(yīng)的20次工頻放電電壓。

1.3 保護(hù)間隙距離的確定方法

因?yàn)殚g隙在放電時(shí)，具有延時(shí)性，存在一個(gè)擊穿概率P，空氣間隙擊穿電壓的概率符合Normal分布。因此，對(duì)多次擊穿放電的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照Normal概率分布的方法進(jìn)行處理，用Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算，可方便得到任意擊穿放電概率的放電電壓值。

對(duì)于二維參數(shù)的分布，其概率函數(shù)為

式（1）中u是隨機(jī)變量，這里指間隙擊穿電壓值；μ為數(shù)學(xué)期望、σ2為方差。用Matlab軟件采用Normal概率分布的方法對(duì)保護(hù)間隙雷電沖擊放電電壓和工頻放電電壓進(jìn)行處理，分別計(jì)算得出50%概率的雷電沖擊放電電壓Ug50%和工頻放電電壓Ui50%，0.1%概率的雷電沖擊放電電壓Ug0.1%，99.9%概率的工頻放電電壓Ui99.9%。再擬合得出冪函數(shù)，繪制雷電沖擊電壓與間隙距離，工頻放電電壓與間隙距離的曲線關(guān)系圖。根據(jù)Ui99.9%小于失地系統(tǒng)單相接地故障電壓的配合原則以及Ug0.1%大于殘壓的配合原則選擇間隙距離。

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

保護(hù)間隙的放電試驗(yàn)整體裝置接線圖如圖1所示。此放電試驗(yàn)裝置為確定保護(hù)間隙的距離，整個(gè)裝置為水平放置，金屬移動(dòng)滑塊套在與絕緣子連接的導(dǎo)體上，保護(hù)間隙固定在金屬移動(dòng)滑塊上，金屬移動(dòng)滑塊上有螺栓可固定位置；保護(hù)間隙兩端為球型，直徑為16 mm，保護(hù)間隙可調(diào)節(jié)距離范圍200～500 mm；支柱絕緣子用于支撐放電裝置。

圖1 保護(hù)間隙放電試驗(yàn)裝置Fig.1 Protective gap discharge test device

圖1中，做雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)，電壓發(fā)生器為1 200 kV沖擊電壓發(fā)生器，可以提供波前時(shí)間為1.2μs和半波峰值時(shí)間為50 μs（誤差分別在30%和20%以?xún)?nèi)），其峰值范圍為30～1200 kV的雷電沖擊波。分壓器為BHT1200 kV弱阻尼電容式分壓器，變比為 1380：1。

做工頻放電試驗(yàn)時(shí)，電壓發(fā)生器為工頻試驗(yàn)變壓器，電壓范圍為0.38～200 kV，額定容量為200 kVA，分壓器為電容式分壓器，分壓比200：1。

依據(jù)目前220 kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙大致距離，實(shí)驗(yàn)時(shí)棒間隙距離選擇為220 mm，260 mm，300 mm，340 mm，380 mm，420 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按1.2.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同保護(hù)間隙距離對(duì)應(yīng)的20次雷電沖擊放電電壓結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同距離對(duì)應(yīng)20次雷電沖擊放電電壓結(jié)果Fig.2 20 times lightning impact breakdown voltage results corresponding to each gap distance

按1.2.2節(jié)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)不同間隙距離對(duì)應(yīng)的20次工頻放電電壓結(jié)果如圖3所示。

對(duì)各個(gè)間隙下的20次工頻放電電壓按照Normal分布的方法進(jìn)行處理，可計(jì)算對(duì)應(yīng)概率的工頻放電電壓，結(jié)果如表2所示。

表1 不同間隙距離對(duì)應(yīng)概率的雷電沖擊放電電壓值Table 1 Protection gap corresponding to the probability of lightning impulse discharge voltage value

圖3 不同間隙距離對(duì)應(yīng)的20次工頻放電電壓結(jié)果Fig.3 20 times power frequency breakdown voltage results corresponding to each gap distance

表2 保護(hù)間隙對(duì)應(yīng)概率的工頻放電電壓值Table 2 Protection gap corresponding to the probability of frequency discharge voltage value

2.3 220 kV變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙距離的確定

由于間隙放電電壓與間隙距離的關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)曲線，可以擬合得出Ug0.1%雷電擊穿電壓與間隙距離的曲線函數(shù)為式（2）

其函數(shù)曲線圖如圖2所示。

由Matlab擬合的Ug50%雷電擊穿電壓與間隙距離的曲線函數(shù)為式（3）

其函數(shù)曲線圖如圖5所示。

為進(jìn)行駕駛艙泄壓計(jì)算，首先要建立飛機(jī)增壓艙模型，對(duì)增壓艙進(jìn)行區(qū)域劃分。飛機(jī)增壓艙通常包括有駕駛艙、客艙、設(shè)備艙、貨艙等，在計(jì)算中可將飛機(jī)的增壓艙室劃分為若干個(gè)獨(dú)立的艙室。圖1為某型民用飛機(jī)的增壓艙室劃分。其中A為駕駛艙，B為客艙，C為后貨艙，D為前貨艙，E為前設(shè)備艙，F(xiàn)為后設(shè)備艙，G艙為尾艙。

擬合的工頻放電電壓與間隙距離函數(shù)為式（4）

其函數(shù)曲線圖形，如圖6所示。

圖4 Ug0.1%擊穿電壓與間隙距離的曲線關(guān)系圖Fig.4 Ug0.1%breakdown voltage and gap distance curve

圖5 Ug50%擊穿電壓與間隙距離的曲線關(guān)系圖Fig.5 Ug50%breakdown voltage and gap distance curve diagram

圖6 Ui99.9%工頻放電電壓與間隙距離曲線關(guān)系圖Fig.6 Ui99.9%discharge power frequency voltage and gap distance curve diagram

擬合的工頻放電電壓與間隙距離函數(shù)為式（5）

其函數(shù)曲線圖形如圖7所示。

圖7 Ui50%工頻放電電壓與間隙距離曲線關(guān)系圖Fig.7 Ui50%discharge power frequency voltage and gap distance curve diagram

2.4 保護(hù)間隙最佳絕緣配合距離選擇

依據(jù)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在220 kV變壓器中性點(diǎn)上所使用的避雷器額定電壓不能低于79.6 kV。用于保護(hù)220 kV變壓器中性點(diǎn)可用的金屬氧化物避雷器型號(hào)有 HY5W－100/260，HY5W－108/280其參數(shù)特征見(jiàn)表3。

表3 不同型號(hào)避雷器參數(shù)特征Table 3 Parameter characteristics of different types of surge arrester

根據(jù)本文采用的Normal概率分布處理?yè)舸╇妷?，?9.9%概率的工頻擊穿電壓Ug99.9%小于失地系統(tǒng)單相接地故障電壓；0.1%概率的雷電沖擊擊穿電壓Ui0.1%大于避雷器標(biāo)準(zhǔn)殘壓的配合原則選擇間隙距離。由此，得出不同型號(hào)避雷器對(duì)應(yīng)的羊角間隙距離范圍如表4所示。

表4 基于Normal分布不同型號(hào)避雷器對(duì)應(yīng)羊角間隙距離范圍Table 4 Different types of lightning arrester corresponding horn gap distance range based on Normal distribution

根據(jù)Ui99.9%小于失地系統(tǒng)單相接地故障電壓的配合原則，依據(jù)式（4），得出間隙的距離都應(yīng)小于347 mm。根據(jù)Ug0.1%大于殘壓的配合原則選擇間隙距離，依據(jù)式（2），對(duì)于 HY5W－100/260型號(hào)避雷器，間隙距離大于290 mm，間隙距離范圍為290～347 mm；對(duì)于HY5W－108/280型號(hào)，間隙距離大于312 mm，間隙距離范圍為312～347 mm。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 基于Normal概率分布棒間隙距離確定方法的精度分析

目前工程上大多使用50%放電電壓來(lái)表征間隙的放電特性。若根據(jù)通常采用的間隙50%放電電壓值選取對(duì)應(yīng)的間隙距離，即50%概率的工頻擊穿電壓Ug50%小于失地系統(tǒng)單相接地故障電壓；50%概率的雷電沖擊擊穿電壓Ui50%大于避雷器標(biāo)準(zhǔn)殘壓的配合原則選擇間隙距離；得出不同型號(hào)避雷器對(duì)應(yīng)的棒間隙距離范圍如表5所示。

50%概率的工頻放電電壓Ug50%小于失地系統(tǒng)單相接地故障電壓，依據(jù)式（5），間隙距離都應(yīng)小于417mm。50%概率的雷電沖擊放電電壓Ui50%大于避雷器標(biāo)準(zhǔn)殘壓的配合原則選擇間隙距離，依據(jù)式（3），對(duì)于HY5W－100/260型號(hào)，間隙距離大于271 mm，間隙距離范圍為271～417 mm；對(duì)于HY5W－108/280型號(hào)避雷器，間隙距離大于293 mm，間隙距離范圍為 293～417 mm。

表5 基于50%放電電壓不同型號(hào)避雷器對(duì)應(yīng)棒間隙距離范圍Table 5 Different types of lightning arrester corresponding horn gap distance range based on 50%discharge voltage

通過(guò)基于Normal概率分布方法得出的棒間隙距離與表5中的數(shù)據(jù)相比較，距離范圍平均減少66%，范圍更加精確，有效地降低了間隙放電電壓的分散性，減小了“誤放電”和“拒放電”發(fā)生的概率。

3.2 基于Normal概率分布棒間隙距離確定方法的可靠性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的裝置在3.1節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，與連接可調(diào)保護(hù)間隙的導(dǎo)體上并聯(lián)了要選取的避雷器，如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)驗(yàn)證裝置Fig.8 Test verification device

由3.3節(jié)得出的避雷器與保護(hù)間隙的配合結(jié)果，首先，選取HY5W－108/280型號(hào)避雷器并聯(lián)距離調(diào)為340 mm（根據(jù)基于Normal分布的方法選擇），對(duì)間隙兩端施加140 kV的工頻電壓，結(jié)果為20次工頻放電試驗(yàn)中，間隙均放生放電。再將并聯(lián)距離調(diào)為380 mm（根據(jù)50%放電電壓值選擇），同樣對(duì)間隙兩端施加140 kV的工頻電壓，結(jié)果為20次工頻放電試驗(yàn)中，間隙未發(fā)生放電次數(shù)為3次，即發(fā)生了“拒放電”3次（拒放電概率15%）。

表6 根據(jù)不同方法選取棒間隙距離試驗(yàn)拒放電概率Table 6 The probability of the gap reject discharge according to different methods

然后，選取HY5W－100/260型號(hào)避雷器并聯(lián)距離調(diào)為330 mm（根據(jù)基于Normal分布的方法選擇），施加峰值為280 kV的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，進(jìn)行20次放電試驗(yàn)，間隙均未放生擊穿。再將間隙距離調(diào)為280 mm（根據(jù)50%擊穿電壓值選擇），同樣施加峰值為280 kV的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，進(jìn)行20次放電試驗(yàn)，間隙放生擊穿2次，即發(fā)生了“誤放電”2次（誤放電概率10%）。

表7 根據(jù)不同方法選取棒間隙距離試驗(yàn)誤放電概率Table 7 The probability of the gap mischarging according to different methods

試驗(yàn)說(shuō)明采用50%放電值選擇的間隙距離，由于其距離范圍過(guò)大，導(dǎo)致距離選擇時(shí)精度不高，間隙放電分散性過(guò)大，間隙均發(fā)生拒放電和誤放電。而通過(guò)基于Normal分布的方法選擇的距離范圍明顯減少，精度提高，降低了間隙的放電分散性，間隙未出現(xiàn)拒放電和誤放電。這說(shuō)明基于Normal分布的避雷器與并聯(lián)保護(hù)間隙的雷電沖擊絕緣配合方法是準(zhǔn)確有效的。

4 結(jié)論

1）系統(tǒng)分析了基于Normal分布的金屬氧化物避雷器與并聯(lián)保護(hù)間隙的雷電沖擊絕緣配合方法。該方法具有簡(jiǎn)單、易實(shí)施的特點(diǎn)，可以準(zhǔn)確方便地確定保護(hù)間隙的間隙距離，并且減少了間隙誤動(dòng)和拒動(dòng)的概率，對(duì)于變壓器中性點(diǎn)保護(hù)和提高供電可靠性具有重要的意義。

2）針對(duì)220 kV變壓器中性點(diǎn)常使用的金屬氧化物避雷器進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)證明了基于Normal分布的金屬氧化物避雷器與并聯(lián)保護(hù)間隙的雷電沖擊絕緣配合方法其準(zhǔn)確性。

3）基于Normal分布的避雷器與并聯(lián)保護(hù)間隙的絕緣配合方法還可以運(yùn)用到其他電壓等級(jí)的變壓器上，為其選擇間隙距離提供依據(jù)和方法。

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Research on the Method of Determining the Gap Distance of Parallel Protection for Transformer Neutral Point

DAI Heli1，LIU Neng2，WANG Xu3，YANG Xin1，ZENG Lingli1
（1.Changsha University of Science and Technology，College of Electrical and Information Engineering，Changsha 410004，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Corporation Xinchang Power Supply Company，Xinchang 312500，China；3.State Grid Henan Electric Power Company Kaifeng Power Supply Company，Kaifeng 475000，China）

The discharge gap parallel arrester is often used to protect the transformer neutral point insulation.But due to the dispersion of the gap discharge，it is difficult to coordinate and often leads to gap mis－discharge or refused to discharge.To prevent the mis－discharge and refused to discharge.Accurately determine the gap distance is the key to the insulation coordination，the best method is to draw the volt－second characteristic curve，but the curve plotting workload is too multifarious.Therefore，it is proposed to use the normal probability distribution，of lightning impact discharge and power frequency discharge data are analyzed，and the gap distance selection method，the probability of gap mis－discharge and refused to discharge are reduced，the ability of transformer neutral point insulation protection and the power supply reliability are improved.The method is applied to the discharge test of metal oxide surge arrester parallel protective gap device.The method is proved to be accurate and effective.

transformer neutral point；normal distribution；gap distance；power frequency discharge；lightning impulse discharge

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.03.029

2016－02－29

戴何笠（1992—），男，碩士，主要研究方向?yàn)楦唠妷航^緣技術(shù)和間隙放電特性。