中性點(diǎn)空氣間隙擊穿事故的仿真分析

陸忠心，李衛(wèi)彬，瞿衛(wèi)東，丁 丁，高勤踐

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司長(zhǎng)興供電公司，上海 201913；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司崇明供電公司，上海 202150）

0 引言

35 k V系統(tǒng)作為配網(wǎng)的主干網(wǎng)，其安全運(yùn)行直接關(guān)系到客戶的用電。隨著35 k V系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，35 k V系統(tǒng)的防雷問(wèn)題越來(lái)越突出，各地發(fā)生的多起線路遭受雷擊導(dǎo)致系統(tǒng)事故的教訓(xùn)值得重視和警惕。

針對(duì)35 k V紅星變電站變壓器中性點(diǎn)接線樁頭與A相接線排放電，空氣間隙擊穿所引發(fā)的過(guò)電壓事故進(jìn)行了分析。該事故引發(fā)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，高低壓斷路器跳閘，10 k V母線失電。

1 事故過(guò)程及初步分析

35 k V紅星變電站為單母線、單主變接線方式，主變中性點(diǎn)不接地（但該系統(tǒng)為有效接地系統(tǒng)），其一次接線圖如圖1所示。

圖135 k V紅星變電站一次接線

2012年7月14日15：49，35 k V紅星變電站主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，高低壓斷路器跳閘，10 k V母線失電。事故發(fā)生后，在變壓器中性點(diǎn)接線樁頭與A相接線排處發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡，如圖2所示?？梢猿醪酱_定是一起由于該處發(fā)生空氣擊穿，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作跳閘所引起的事故。

圖2 中性點(diǎn)接線樁頭與A相接線排放電痕跡

在故障發(fā)生當(dāng)天，長(zhǎng)興地區(qū)為雷雨天氣。通過(guò)雷電定位系統(tǒng)查核落雷時(shí)間、位置和幅值數(shù)據(jù)。2012年7月14日15：48至15：49時(shí)段，該地區(qū)共計(jì)落雷14次，落雷幅值最大為－41.1 k A，最小為－8 k A，如表1所示。落雷14次中，3次落雷有1次回?fù)簦?次落雷有2次回?fù)簦?次落雷有3次回?fù)?。長(zhǎng)興地區(qū)落雷分布如圖3所示。

表12012 年7月14日落雷時(shí)間、位置和幅值

圖37 月14日15：48至15：49落雷分布

35 k V紅星變電站斷路器動(dòng)作時(shí)間為7月14日15：48：550，雷電定位系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)比紅星變電站時(shí)間基準(zhǔn)約快50 s，因此可以認(rèn)為此次事故的雷擊相關(guān)性很強(qiáng)，可以大致判斷為雷電過(guò)電壓侵入主變所致。該站只有一條新紅35 k V進(jìn)線，避雷器無(wú)計(jì)數(shù)器，無(wú)法判斷有無(wú)動(dòng)作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀況，初步分析是該站的進(jìn)線遭受雷擊，雖然由站外線路避雷器進(jìn)行了限制，但由于線路避雷器的雷電沖擊電流殘壓較高（134 k V），仍可能有較高幅值的雷電過(guò)電壓沿進(jìn)線侵入該站母線。

2 反擊雷仿真分析

根據(jù)35 k V紅星變電站主變尺寸資料，A相接線排和中性點(diǎn)接線樁頭之間距離為43 cm，根據(jù)1.5／40（＋）棒－板空氣間隙擊穿曲線［1－3］，可大致推算A相接線排和中性點(diǎn)接線樁頭之間的空氣擊穿電壓為200 k V。為了進(jìn)一步確定事故原因，針對(duì)可能引發(fā)事故的反擊雷進(jìn)行了仿真，根據(jù)該站的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備參數(shù)，構(gòu)建了反擊雷仿真電路。

在雷電電壓下，由于雷電波的頻率很高，電感效果不予考慮，但是可以將變電站中的設(shè)備等效為電容，即仿真時(shí)變壓器入口電容為1000 p F，電磁式電壓互感器入口電容為100 p F，斷路器入口電容為200 p F，隔離斷路器入口電容為50 p F，電流互感器入口電容為50 p F。

避雷器所用的伏安特性曲線如圖4所示，從圖4中選取相應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的伏安數(shù)據(jù)就可以將避雷器分段擬合為一非線性電阻。

圖4 避雷器伏安特性曲線

桿塔的模型一般可由一系列的波阻抗和接地電阻來(lái)等效，其中波阻抗可由桿塔的尺寸計(jì)算得到。波阻抗的等效模型采用Π型。仿真中雷電電源加在桿塔上，當(dāng)圖2中A相的絕緣子閃絡(luò)就形成了反擊雷。反擊時(shí)的雷電流幅值可根據(jù)桿塔高度、絕緣子50%閃絡(luò)電壓等近似計(jì)算，本文選擇雷電流為20 k A進(jìn)行仿真計(jì)算。此時(shí)A相、B相、C相端子和中性點(diǎn)上的電壓波形和幅值如圖5所示。

圖5 三相電壓及中性點(diǎn)電壓波形

由圖5可以看出，由于雷電反擊的緣故，使得A相的電壓波形方向和B相、C相方向相反，此時(shí)變壓器三相和中性點(diǎn)的電壓差如圖6所示。

圖6 變壓器三相和中性點(diǎn)電壓差

各部分過(guò)電壓值的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 各部分過(guò)電壓數(shù)值 k V

由表2數(shù)據(jù)可以看出，在反擊雷下，A相和中性點(diǎn)的電壓差達(dá)到200 k V，已經(jīng)達(dá)到了空氣間隙的擊穿電壓。這是因?yàn)锳相電壓和中性點(diǎn)O的電壓波形方向相反，雖然兩者的過(guò)電壓不是很高，但兩者之間會(huì)產(chǎn)生比較高的電壓差，造成兩者之間的空氣間隙擊穿，進(jìn)而造成事故。屠幼萍在《氣隙的擊穿特性》（第4講）中指出：在標(biāo)準(zhǔn)波形下，棒－棒及棒－板空氣間隙的雷電沖擊50%擊穿電壓下，空氣的擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系，呈現(xiàn)為近似直線。

根據(jù)35 k V紅星變電站主變尺寸：A相接線排和中性點(diǎn)接線樁頭之間距離為43 cm，中性點(diǎn)接線樁頭以及A相、B相、C相接線排至外殼距離為70 cm。由1.5／40（＋）棒－板空氣間隙擊穿曲線［7］可大致推算：A相接線排和中性點(diǎn)接線樁頭之間的閃絡(luò)電壓為290 k V；中性點(diǎn)接線樁頭和三相接線排對(duì)地閃絡(luò)電壓為265 k V。根據(jù)GB 1094.3—2003《電力變壓器第3部分：絕緣水平、外絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙》中表5，可再次確定A相接線排和中性點(diǎn)接線樁頭之間的雷電沖擊閃絡(luò)電壓至少為200 k V。

3 改進(jìn)措施和完善建議

從確保設(shè)備安全運(yùn)行的角度考慮，不論是中性點(diǎn)對(duì)A相接地排放電擊穿空氣間隙，還是A相接地排對(duì)中性點(diǎn)放電擊穿空氣間隙，都應(yīng)該避免。據(jù)此，制定如下防范措施和建議。

1）加裝中性點(diǎn)避雷器，以便抑制雷電侵入波導(dǎo)致的中性點(diǎn)電位升高，從而避免此類事故的重復(fù)發(fā)生。該方法已在其他網(wǎng)省公司得到應(yīng)用［7］。

DL／T620—1997交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合中第7.3.5條指出：有效接地系統(tǒng)中的中性點(diǎn)不接地的變壓器，如中性點(diǎn)采用分級(jí)絕緣且未裝設(shè)保護(hù)間隙，應(yīng)在中性點(diǎn)裝設(shè)雷電過(guò)電壓保護(hù)裝置，且宜選變壓器中性點(diǎn)金屬氧化物避雷器。如中性點(diǎn)采用全絕緣，但變電所為單進(jìn)線且為單臺(tái)變壓器運(yùn)行，也應(yīng)在中性點(diǎn)裝設(shè)雷電過(guò)電壓保護(hù)裝置。

不接地、消弧線圈接地和高電阻接地系統(tǒng)中的變壓器中性點(diǎn)，一般不裝設(shè)保護(hù)裝置，但多雷區(qū)單進(jìn)線變電所且變壓器中性點(diǎn)引出時(shí)，宜裝設(shè)保護(hù)裝置；中性點(diǎn)接有消弧線圈的變壓器，如有單進(jìn)線運(yùn)行可能，也應(yīng)在中性點(diǎn)裝設(shè)保護(hù)裝置。該保護(hù)裝置可任選金屬氧化物避雷器或碳化硅普通閥式避雷器。

根據(jù)DL／T 804—2002《交流電力系統(tǒng)金屬氧化物避雷器使用導(dǎo)則》中表8變壓器中性點(diǎn)用避雷器額定電壓Ur的建議值：全絕緣、系統(tǒng)標(biāo)稱電壓35 k V為51 k V。據(jù)此可按現(xiàn)有35 k V母線避雷器參數(shù)選用中性點(diǎn)避雷器（在單相接地故障下，中性點(diǎn)升高為相電壓時(shí)，避雷器持續(xù)運(yùn)行電壓滿足工況要求）。

2）根據(jù)使用年限及避雷器的運(yùn)行狀況，建議調(diào)換35 k V紅星變電站主變及線路側(cè)避雷器，提高紅星變電站雷電過(guò)電壓“2道防線”的可靠性，從而降低避雷器閥片性能老化的風(fēng)險(xiǎn)。

3）根據(jù)2011年頒發(fā)的《上海電網(wǎng)若干技術(shù)原則的規(guī)定（第四版）》第2.5.6條電網(wǎng)的供電可靠性要求：應(yīng)符合國(guó)家電網(wǎng)公司《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》中“電網(wǎng)供電安全準(zhǔn)則”規(guī)定，力爭(zhēng)做到檢修方式下的“N－1”安全要求，建議將長(zhǎng)興電網(wǎng)單電源、單主變進(jìn)線設(shè)備改造成雙電源雙主變。

4）其它35 k V變電站如果系統(tǒng)接線及運(yùn)行方式相同，也有類似事故，可參考采用相應(yīng)的反事故措施建議。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一起35 k V變電站的變壓器中性點(diǎn)空氣擊穿事故仿真計(jì)算，分析了在雷電反擊狀況下變壓器中性點(diǎn)和A相接線排之間的電壓分布狀況。結(jié)果表明：當(dāng)存在反擊時(shí)會(huì)引發(fā)A相接線排和中性點(diǎn)接線樁頭之間空氣擊穿，導(dǎo)致變電站發(fā)生過(guò)電壓故障。

［1］ 施圍，邱毓昌，張喬根.高電壓工程基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 嚴(yán)璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

［3］ GB 1094.3—2003.電力變壓器第3部分絕緣水平：外絕緣試驗(yàn)和外絕緣空氣間隙［S］.

［4］ GB 11032—2010.交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器［S］.

［5］ 王秉鈞.金屬氧化物避雷器［M］.北京：水利水電出版社，1993.

［6］ 解廣潤(rùn).電力系統(tǒng)過(guò)電壓［M］.北京：水利水電出版社，1985.

［7］ 許紅兵，馬燦明，包曉東.35k V主變中性點(diǎn)避雷器的運(yùn)用［J］.供用電，2006，23（1）：55-57.