220 kV變壓器中壓側(cè)雷電侵入對中性點(diǎn)的影響

韓雨川

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

我國的220 kV電力系統(tǒng)大多采用有效接地方式運(yùn)行。一般的220 kV變電站內(nèi)安裝有兩臺主變壓器，其中一臺中性點(diǎn)直接接地，另一臺不接地[1]。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓保持平衡，中性點(diǎn)不接地變壓器的中性點(diǎn)電壓幾乎為零。但是當(dāng)線路上發(fā)生斷線、接地短路或者雷電流反擊繞擊時(shí)，會造成三相電壓不平衡，在變壓器中性點(diǎn)上產(chǎn)生過電壓[2-3]。嚴(yán)重時(shí)，會破壞變壓器的中性點(diǎn)絕緣水平，引起間隙零序過流保護(hù)動作，導(dǎo)致變壓器三側(cè)跳閘，負(fù)荷側(cè)失電[4]。因此，研究變壓器中性點(diǎn)過電壓的大小對變壓器中性點(diǎn)的絕緣水平和保護(hù)配置選擇有著十分重要的意義。

在眾多引起變壓器中性點(diǎn)過電壓的因素中，雷電是最為嚴(yán)重的情況。線路上發(fā)生雷電反擊或者繞擊后，雷電波沿著輸電線路侵入變電站。對于不接地的變壓器中性點(diǎn)來說，一般通過避雷器和保護(hù)間隙并聯(lián)，進(jìn)行絕緣保護(hù)[5]。但即便是在這樣的保護(hù)下，中性點(diǎn)也會產(chǎn)生很大的過電壓?，F(xiàn)有的仿真分析大多是針對雷電波從高壓側(cè)侵入，對高壓側(cè)中性點(diǎn)造成的過電壓進(jìn)行研究[6-8]。但實(shí)際中，雷電波也可能從中壓側(cè)侵入變電站，在變壓器的高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點(diǎn)同時(shí)產(chǎn)生過電壓[9-10]。

本文利用PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件，對典型的220 kV有效接地系統(tǒng)進(jìn)行了建模，仿真分析在變電站中壓側(cè)線路分別發(fā)生雷電反擊和繞擊時(shí)，220 kV變壓器中性點(diǎn)的過電壓大小及其影響因素，并對中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙未擊穿和擊穿兩種情況下的高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓進(jìn)行對比分析。

1 220 kV變電站系統(tǒng)建模

理想情況下，變電站內(nèi)有兩臺主變并列運(yùn)行時(shí)要滿足下面三個(gè)條件：一是電壓比相等；二是短路阻抗相等；三是繞組連接組別相同。當(dāng)不滿足理想并列運(yùn)行條件時(shí)，有關(guān)三相電力變壓器運(yùn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定變壓器可并列運(yùn)行的條件是：電壓比差的標(biāo)幺值不得超過0.5%；短路電壓之差不得超過10%[11]。下述分析均以變壓器在理想并列運(yùn)行條件下運(yùn)行為前提。

浙江某一典型的220 kV變電站內(nèi)安裝有兩臺并列運(yùn)行的變壓器，均為YNyn0d11接線。1號主變的高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地，2號主變的高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點(diǎn)均不接地，但有保護(hù)間隙和避雷器并聯(lián)，對中性點(diǎn)絕緣進(jìn)行保護(hù)。變電站進(jìn)線處和變壓器入口處均安裝有避雷器。系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某220 kV變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雷電流是高頻沖擊波，仿真時(shí)可將站內(nèi)變壓器、斷路器、互感器等設(shè)備用入口電容進(jìn)行等效[12-13]。在我國，電網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)中的雷電流波形一般采用負(fù)極性的(2.6/50)μs[14]，仿真時(shí)采用雙指數(shù)波形進(jìn)行模擬。

110 kV線路為同塔雙回架空線，桿塔為貓型桿塔，用波阻抗模型進(jìn)行等效[15]。

2 中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙未擊穿時(shí)的中性點(diǎn)雷電過電壓仿真分析

對于高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點(diǎn)都不接地的變壓器，發(fā)生雷電反擊和繞擊時(shí)，中壓側(cè)和高壓側(cè)中性點(diǎn)會感應(yīng)出很大的過電壓。下文就分別發(fā)生雷電反擊和繞擊時(shí)，中壓側(cè)和高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓的大小進(jìn)行仿真分析。

2.1 雷電反擊下的變壓器中性點(diǎn)過電壓仿真

反擊雷引起的變壓器中性點(diǎn)過電壓大小與反擊發(fā)生位置、雷電流幅值和桿塔接地電阻大小都有很大關(guān)系。線路的反擊耐雷水平一般在200 kA以上，對應(yīng)的波阻抗在250 Ω～400 Ω之間。仿真時(shí)，取雷道波阻抗為300 Ω。在線路桿塔發(fā)生雷電反擊時(shí)，某回110 kV架空線路的A相導(dǎo)線絕緣子串被擊穿，導(dǎo)線通過桿塔接地。

當(dāng)雷電流幅值為230 kA，桿塔接地電阻為10 Ω時(shí)，就雷擊不同桿塔發(fā)生反擊時(shí)，變壓器中性點(diǎn)過電壓的大小進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 雷擊不同桿塔時(shí)的中性點(diǎn)過電壓

當(dāng)雷擊1號桿塔，桿塔接地電阻為10 Ω時(shí)，不同幅值的雷電流反擊作用下，對變壓器中性點(diǎn)過電壓的大小進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同幅值雷電流反擊時(shí)的中性點(diǎn)過電壓

當(dāng)幅值為260 kA的雷電流反擊作用在1號桿塔時(shí)，對不同大小桿塔接地電阻下的變壓器中性點(diǎn)過電壓大小進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同大小接地電阻桿塔發(fā)生雷擊時(shí)的中性點(diǎn)過電壓

從仿真結(jié)果來看，雷電反擊的作用位置離變壓器越近，雷電流幅值越大，桿塔接地電阻越大，變壓器中性點(diǎn)產(chǎn)生的過電壓越嚴(yán)重。中壓側(cè)中性點(diǎn)最大時(shí)達(dá)到107 kV，高壓側(cè)中性點(diǎn)最大時(shí)達(dá)到130 kV。高壓側(cè)的中性點(diǎn)過電壓要大于中壓側(cè)的中性點(diǎn)過電壓。但相比于兩者的電壓等級和絕緣耐壓水平，差距并不十分大。

2.2 雷電反擊下變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙動作分析

220 kV變壓器高壓側(cè)的棒-棒保護(hù)間隙一般在300 mm左右，負(fù)極性雷電50%放電電壓在250 kV左右。因此在上述仿真條件下不會被擊穿。中壓側(cè)的棒-棒保護(hù)間隙一般在110 mm左右，負(fù)極性雷電50%放電電壓在110 kV左右[16]。因此，當(dāng)發(fā)生雷電反擊時(shí)，中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙極容易被擊穿。有必要在中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙擊穿的情況下，對高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓的大小變化情況進(jìn)行分析。

2.3 雷電繞擊下的變壓器中性點(diǎn)過電壓仿真

在變壓器進(jìn)線段，因?yàn)楸芾揍樅捅芾拙€的保護(hù)作用較好，往往不容易發(fā)生雷電繞擊故障。在距離變電站較遠(yuǎn)的位置，雖然輸電線路上有避雷線的保護(hù)，但由于保護(hù)角較大，雷電有時(shí)候會繞過避雷線，直接擊中輸電線路。繞擊時(shí)變壓器中性點(diǎn)過電壓的大小受雷電流幅值、雷電繞擊發(fā)生位置的影響。繞擊雷電流幅值大小一般在20 kA～40 kA，雷道波阻抗約為1 000 Ω～600 Ω。仿真時(shí)取雷道波阻抗為800 Ω，繞擊發(fā)生在某回110 kV架空線路的A相導(dǎo)線上。

當(dāng)幅值為35 kA的雷電流在不同位置發(fā)生繞擊時(shí)，對變壓器高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓的大小進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表4所示。

表4 雷擊線路不同位置時(shí)的中性點(diǎn)過電壓

在距離220 kV變電站50 km處，不同幅值大小的雷電流發(fā)生繞擊時(shí)，對變壓器中性點(diǎn)過電壓進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表5所示。

表5 不同幅值雷電流繞擊時(shí)的中性點(diǎn)過電壓

同雷電反擊相比，因?yàn)槔纂娎@擊是雷電流直接通過導(dǎo)線侵入變電站內(nèi)的變壓器，所以中性點(diǎn)過電壓要嚴(yán)重得多。幅值為35 kA左右的雷電流發(fā)生繞擊時(shí)，對變壓器中性點(diǎn)過電壓的影響與260 kA左右的雷電流發(fā)生反擊時(shí)相當(dāng)。

2.4 雷電繞擊下變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙動作分析

參考2.2節(jié)中所述的現(xiàn)有220 kV變壓器保護(hù)間隙配置情況，在發(fā)生雷電繞擊時(shí)，中壓側(cè)和高壓側(cè)的棒-棒保護(hù)間隙極有可能會被擊穿。下文就線路發(fā)生繞擊，中壓側(cè)保護(hù)間隙首先被擊穿時(shí)，對高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓大小進(jìn)行仿真分析。

3 中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙擊穿時(shí)的雷電過電壓仿真分析

通過以上仿真分析，可知在中壓側(cè)線路發(fā)生雷電反擊或者繞擊時(shí)，雷電流沿著中壓側(cè)輸電線路侵入變電站內(nèi)的變壓器，對于中性點(diǎn)不接地變壓器，由于三相電壓的不平衡，中壓側(cè)中性點(diǎn)會產(chǎn)生極大的過電壓，導(dǎo)致保護(hù)間隙擊穿。中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙擊穿后，高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓會出現(xiàn)嚴(yán)重的上升。下面就不同條件下變壓器中壓側(cè)輸電線路發(fā)生雷電反擊和繞擊，中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙被擊穿時(shí)，對高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓的大小進(jìn)行仿真分析。

3.1 雷電反擊下變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓仿真分析

圖2 雷擊不同桿塔時(shí)高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓

對于中性點(diǎn)不接地變壓器，在發(fā)生雷電反擊時(shí)，中壓側(cè)中性點(diǎn)首先接地的情況下，對線路不同位置發(fā)生雷電反擊時(shí)高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓的大小進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在雷擊1號桿塔，高壓側(cè)中性點(diǎn)產(chǎn)生的過電壓達(dá)到最大值超過220 kV。與中壓側(cè)中性點(diǎn)未接地情況相比，中壓側(cè)中性點(diǎn)接地時(shí)，高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓更嚴(yán)重，是前者的兩倍左右。

圖3 不同幅值雷電流反擊時(shí)高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓

在桿塔接地電阻為10 Ω，不同幅值大小的雷電流反擊作用在1號桿塔時(shí)，變壓器中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙擊穿的情況下，就高壓側(cè)中性點(diǎn)產(chǎn)生的過電壓大小進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，在雷電流幅值為200 kA時(shí)，過電壓為215 kV左右。在雷電流幅值上升到300 kA時(shí)，過電壓上升到230 kV。中壓側(cè)保護(hù)間隙擊穿時(shí)高壓側(cè)的中性點(diǎn)過電壓是未擊穿時(shí)的兩倍左右。

當(dāng)幅值為260 kA的雷電流作用在1號桿塔，變壓器中壓側(cè)保護(hù)間隙擊穿，桿塔接地電阻為不同值時(shí)，對高壓側(cè)中性點(diǎn)產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 雷擊不同接地電阻桿塔時(shí)高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓

從仿真結(jié)果可以看出，在接地電阻為15 Ω時(shí)，過電壓達(dá)到了230 kV。變壓器中壓側(cè)接地時(shí)，高壓側(cè)中性點(diǎn)的雷電反擊過電壓相比不接地時(shí)更加嚴(yán)重。

綜上分析，對于中性點(diǎn)不接地變壓器，發(fā)生雷電反擊時(shí)，雷電侵入波從變壓器中壓側(cè)侵入，中壓側(cè)保護(hù)間隙會被擊穿。此時(shí)，高壓側(cè)中性點(diǎn)會產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓，最大時(shí)超過230 kV。與中壓側(cè)中性點(diǎn)未擊穿時(shí)相比，此時(shí)的過電壓要嚴(yán)重得多，近乎翻了一倍?？梢娎纂姴◤淖儔浩髦袎簜?cè)侵入時(shí)，要特別注意高壓側(cè)中性點(diǎn)的絕緣水平和中性點(diǎn)的絕緣保護(hù)配合是否能滿足要求。

3.2 雷電繞擊下的變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓仿真分析

圖5 雷電繞擊發(fā)生在不同位置時(shí)高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓

幅值為35 kA的雷電流在線路不同位置發(fā)生繞擊，變壓器中壓側(cè)中性點(diǎn)擊穿時(shí)，對高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓的大小進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓最大時(shí)接近250 kV。變壓器中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙被擊穿時(shí)，高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓相比于中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙未被擊穿時(shí)要大。

圖6 不同幅值雷電流繞擊時(shí)高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓

不同幅值的雷電流在距離變壓器50 km處發(fā)生繞擊時(shí)，變壓器中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙擊穿，對高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓大小進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。

從仿真結(jié)果來看，在雷電流幅值為20 kA時(shí)，過電壓為234 kV左右，在雷電流幅值為40 kA時(shí)，過電壓達(dá)到了243 kV。相比于中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙未被擊穿時(shí)，高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓在擊穿時(shí)要更加嚴(yán)重。

綜上所述，對于中性點(diǎn)不接地變壓器，中壓側(cè)線路發(fā)生雷電繞擊時(shí)，變壓器中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙會被擊穿。此時(shí)，在高壓側(cè)中性點(diǎn)會產(chǎn)生很大的過電壓，接近250 kV。參考2.2節(jié)中所述的現(xiàn)有220 kV變壓器保護(hù)間隙配置情況，此時(shí)高壓側(cè)中性點(diǎn)的保護(hù)間隙很有可能會被擊穿。

與雷電反擊相比較，高壓側(cè)中性點(diǎn)在中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙被擊穿情況下的過電壓雖然比在未被擊穿情況下要大，但差距并沒有雷電反擊時(shí)大。前者接近2倍，后者在1.1倍左右。

4 機(jī)理分析

通過以上仿真可以發(fā)現(xiàn)，雷擊中壓側(cè)線路時(shí)，對于中性點(diǎn)不接地變壓器，在中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙被擊穿后，高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓會顯著增大。這主要是因?yàn)楫?dāng)中壓側(cè)保護(hù)間隙未被擊穿時(shí)，中性點(diǎn)電位會增大；當(dāng)中壓側(cè)保護(hù)間隙被擊穿時(shí)，中性點(diǎn)電位被鉗制在零電位。這樣就會導(dǎo)致后者的中壓側(cè)故障相繞組電壓相對于前者變化更大。而變壓器高壓側(cè)和中壓側(cè)之間的電壓變比是一定的，因此，電壓通過變比傳遞到高壓側(cè)，后者就會引起更大的電壓波動，使得原先為零電位的高壓側(cè)中性點(diǎn)出現(xiàn)很高的電位。

5 結(jié)束語

針對典型的部分中性點(diǎn)接地、部分不接地運(yùn)行的220 kV變電站系統(tǒng)，本文首先仿真分析了變壓器中壓側(cè)出線發(fā)生雷電反擊和繞擊時(shí)，不接地變壓器高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓的大小。對故障發(fā)生位置、雷電流幅值和桿塔接地電阻這些影響因素下的過電壓水平進(jìn)行了分析，得出在中壓側(cè)出線發(fā)生雷電反擊或者繞擊時(shí)，中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙會被擊穿這一結(jié)論。

在中壓側(cè)出線發(fā)生雷電反擊和繞擊時(shí)中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙被擊穿的情況下，本文又對高壓側(cè)中性點(diǎn)的過電壓大小進(jìn)行了仿真分析。得到在不同的故障發(fā)生位置、雷電流幅值和桿塔接地電阻下，高壓側(cè)中性點(diǎn)的過電壓水平。相比于中壓側(cè)中性點(diǎn)保護(hù)間隙未擊穿的情況，此時(shí)高壓側(cè)中性點(diǎn)過電壓更加嚴(yán)重。

綜上所述，在實(shí)際的變壓器中性點(diǎn)絕緣水平設(shè)計(jì)和中性點(diǎn)保護(hù)配置時(shí)，要充分考慮雷電流從中壓側(cè)侵入的情況，綜合考慮高壓側(cè)保護(hù)間隙及避雷器和中壓側(cè)保護(hù)間隙及避雷器的配合，避免因?yàn)楸Ｗo(hù)配合不恰當(dāng)或者變壓器中性點(diǎn)絕緣水平不夠而導(dǎo)致的三相跳閘現(xiàn)象。在實(shí)際工程中，變壓器應(yīng)該避免使用高壓側(cè)中性點(diǎn)不接地，中壓側(cè)接地的運(yùn)行方式。