特高壓變壓器中性點經(jīng)小電抗接地及其過電壓保護(hù)研究

趙宏成，張旭航.2，曹 煒，陳宗正，高生凱

(1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090； 2.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200120；3.國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲市新區(qū)供電分公司，河北 邯鄲 056107)

0 引言

在特高壓變電站建設(shè)過程中，線路單相短路電流超過三相短路電流的情況時有發(fā)生。1 000 kV變壓器500 kV側(cè)線路的絕緣性能要求單相短路電流水平控制在50 kA內(nèi)。采用中性點經(jīng)小電抗接地的方法，可以將單相短路電流水平限制在安全范圍內(nèi)[1]。變壓器中性點經(jīng)小電抗接地后，需根據(jù)中性點絕緣耐受能力選擇過電壓保護(hù)，保護(hù)若配置不當(dāng)會引起變壓器跳閘等事故[2]。國內(nèi)外對500 kV變壓器中性點經(jīng)小電抗接地以限制線路單相短路電流水平[3-4]以及變壓器中性點串接小電抗的取值方法[5-7]已有相應(yīng)的研究，但對1 000 kV變壓器相關(guān)的研究還較少。除此以外，中性點經(jīng)小電抗接地后的過電壓保護(hù)配置也尚待進(jìn)一步的研究。

本研究運用EMTP對華東某特高壓變電站建模仿真，對主變中性點串接不同阻值小電抗后短路電流水平進(jìn)行分析，從而選定最適合的電抗值。根據(jù)中性點絕緣水平和經(jīng)小電抗接地后發(fā)生故障時的過電壓情況，在變壓器中性點配置氧化鋅避雷器和放電間隙作為過電壓保護(hù)，并對兩者參數(shù)進(jìn)行整定配合。氧化鋅避雷器雖然保護(hù)性能優(yōu)異，但在保護(hù)配合中存在殘壓過高的問題，采用可控避雷器可避免放電間隙因為殘壓過高而擊穿放電。

1 中性點經(jīng)小電抗接地限流理論

1 000 kV變壓器多為YNynd接線自耦變壓器[8]，其中性點必須采用有效接地運行方式[9]。為了對變壓器兩側(cè)短路電流進(jìn)行限制，中性點串接小電抗后的變壓器電氣接線和零序網(wǎng)絡(luò)見圖1。

圖1 中性點經(jīng)小電抗接地變壓器電氣接線和零序網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Electrical wiring and zero sequence network diagram of neutral point through small reactance grounding transformer

(1)

由于變電站中壓側(cè)的電抗接近為零，中性點直接接地時Xn=0，小電抗相關(guān)項也為零，中壓側(cè)的零序電抗很小，發(fā)生單相短路時短路電流很大[10]。中性點經(jīng)小電抗接地時Xn≠0，高、中、低壓繞組零序電抗均含有3倍小電抗相關(guān)項，小電抗越大，零序電抗也越大，降低中壓側(cè)單相短路電流的能力也越大。由于小電抗僅存在于零序網(wǎng)絡(luò)，不會對正序阻抗產(chǎn)生影響，所以不會改變?nèi)喽搪冯娏鞔笮　?/p>

2 中性點小電抗阻值選取

表1 變壓器銘牌參數(shù)Table 1 Transformer nameplate parameters

在對該變電站建模的過程中，需要對所在電網(wǎng)進(jìn)行等值處理，等值遵循以下4條原則：

1)采用工頻等值，維持等值前后潮流和節(jié)點電壓不變，數(shù)據(jù)具有一定精度。

2)抓住主要影響因素，變電站周邊的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備詳細(xì)建模；變電站遠(yuǎn)處的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備適當(dāng)簡化。

3)被等值部分的網(wǎng)絡(luò)是對稱的，其性能可以用對稱分量法描述，且從等值點看去的正、零序自阻抗和互阻抗相同。

4)不考慮等值網(wǎng)絡(luò)中非線性元件的作用及變壓器結(jié)構(gòu)不同等因素帶來的影響。

依據(jù)上述4條等值原則，采用EMTP對電網(wǎng)等值簡化，圖2為該變電站建立的等值模型。

圖2 變電站EMTP等值模型Fig.2 Substation EMTP equivalent model

由于變壓器中壓側(cè)電抗接近為零，短路電流較大，所以在對模型進(jìn)行單相短路仿真時，將故障設(shè)置在變壓器中壓側(cè)出口處。中性點小電抗阻值按照實際工程選取5 Ω、8 Ω、10 Ω、12 Ω、15 Ω、18 Ω、20 Ω 7種規(guī)格。通過故障仿真，比較中性點經(jīng)不同阻值小電抗接地后，發(fā)生暫態(tài)故障時故障點短路電流波形周期分量的有效值，分析不同阻值小電抗對單相短路電流的抑制能力，進(jìn)而確定小電抗的取值。

在變壓器中性點設(shè)置不同阻值小電抗后，對500 kV側(cè)出口處發(fā)生三相短路、單相短路進(jìn)行故障仿真，將故障點處所得短路電流波形的周期分量有效值匯總整理成表2和圖3。

表2 中性點加裝小電抗后短路電流情況Table 2 Short-circuit current after installing a small reactance at the neutral point

圖3 中性點小電抗對短路電流的影響
Fig.3 Influence of neutral point small reactance on short-circuit current

從圖3可見中性點加小電抗不影響三相短路電流大小。對圖中各個區(qū)間的平均每歐姆短路電流下降幅度進(jìn)行計算，將小電抗對短路電流的限制能力進(jìn)一步量化，表3可以更加直觀地表現(xiàn)出變壓器中性點加小電抗后，小電抗阻值增加對降低線路單相短路電流水平的變化趨勢。

表3 小電抗限制短路電流能力Table 3 Short-circuit current capability limited by small reactance

對上述圖表數(shù)據(jù)分析可得：變壓器中性點經(jīng)小電抗接地可有效限制500 kV側(cè)單相短路電流水平，使其控制在電氣設(shè)備要求的50 kA短路電流水平內(nèi)。小電抗阻值取0～5 Ω時，短路電流下降幅度較大，曲線斜率較大，限流效果較好；小電抗阻值取15～20 Ω時，短路電流下降幅度較小，曲線斜率較小，抑制效果已不明顯。短路電流會隨電網(wǎng)發(fā)展而增加，小電抗取值時應(yīng)留有一定裕度，該變電站中性點小電抗取20 Ω較為合理。

3 中性點串接小電抗過電壓保護(hù)配置

主變中性點經(jīng)小電抗接地后，在正常運行時，中性點的理論電位為零；發(fā)生單相接地或兩相接地等故障時，中性點會產(chǎn)生工頻過電壓；當(dāng)發(fā)生切除或合閘等操作時，中性點會產(chǎn)生操作過電壓；當(dāng)發(fā)生直擊雷或感應(yīng)雷時，中性點會產(chǎn)生雷電過電壓。

將該變電站變壓器中性點小電抗設(shè)置為20 Ω，在1 000 kV側(cè)和500 kV側(cè)出口處分別設(shè)置單相和兩相短路故障，將中性點小電抗承受的電壓和電流波形峰值匯總成表4。

表4 串接小電抗后中性點工頻過電壓情況Table 4 Neutral power frequency overvoltage after series connection of small reactance

變壓器中性點小電抗的熱穩(wěn)定電流按照單相或兩相接地故障時流過小電抗的最大短路電流整定設(shè)計，根據(jù)國標(biāo)GB 1094.5-2008《電力變壓器 第五部分承受短路的能力》要求小電抗承受短路耐熱能力的電流的持續(xù)時間為2 s。

根據(jù)表4的仿真結(jié)果，變壓器中性點加裝20 Ω小電抗時，通過中性點小電抗的最大工頻電流為5.53 kArms，考慮一定的裕度，中性點小電抗的短時熱穩(wěn)定電流可按6.6 kA(2 s)選取。

變壓器中性點的長期工作電流為變壓器的三相不平衡電流，一般只有幾安培。在規(guī)劃設(shè)計中可以把小電抗長期工作額定電流的25倍作為小電抗的熱穩(wěn)定電流。

變壓器中性點加裝20 Ω小電抗時，根據(jù)中性點小電抗的2 s熱穩(wěn)定電流為6.6 kA，通過計算可以得出中性點小電抗的額定電流為264 A，額定容量為1.39 Mvar。

該主變中性點串接20 Ω小電抗，在降低線路單相短路電流的同時，提高了中性點在線路發(fā)生故障時的過電壓水平。需要根據(jù)中性點過電壓情況和絕緣水平，對變壓器中性點過電壓保護(hù)進(jìn)行配置[11]。

對表4數(shù)據(jù)比較可以看出，在500 kV側(cè)發(fā)生單相接地時中性點小電抗承受的電壓值最高，此時EMTP輸出的電壓波形見圖4。在對避雷器和放電間隙參數(shù)整定時，需要重點考慮在這一工況下避雷器和放電間隙的絕緣配合情況。

圖4 500 kV側(cè)單相短路時中性點電壓波形Fig.4 Neutral point voltage waveform of single-phase short circuit at 500 kV side

小電抗的絕緣水平由中性點的最大工頻過電壓水平和避雷器的殘壓共同決定[12]。變壓器中性點并聯(lián)避雷器能在發(fā)生瞬時過電壓時提供保護(hù)，但在承受持續(xù)的工頻過電壓時會有爆炸危險。變壓器中性點并聯(lián)放電間隙能在發(fā)生工頻暫態(tài)過電壓時提供保護(hù)，但存在滅弧能力弱、放電分散性大、受環(huán)境因素影響大等問題，在發(fā)生瞬時過電壓時保護(hù)性能較差。為使變壓器中性點串接小電抗后過電壓保護(hù)配置合理，考慮在變壓器中性點并聯(lián)氧化鋅避雷器和放電間隙[13]。該方式可彌補(bǔ)兩者的缺陷，使工頻過電壓由放電間隙承擔(dān)，瞬態(tài)過電壓由避雷器承擔(dān)，從而保證變壓器運行可靠性。

4 變壓器中性點過電壓保護(hù)參數(shù)整定

在對變壓器中性點并聯(lián)的避雷器和放電間隙參數(shù)進(jìn)行整定時，應(yīng)當(dāng)先選定避雷器參數(shù)，再根據(jù)中性點和避雷器確定放電間隙參數(shù)[14]。

典型的氧化鋅避雷器參數(shù)見表5，選取避雷器的參數(shù)要低于中性點相應(yīng)的耐受能力，能承受中性點可能出現(xiàn)的暫態(tài)和瞬態(tài)過電壓，并留有一定裕度[15-16]。額定電壓為96 kV的氧化鋅避雷器參數(shù)滿足上述要求。

隨著國家對西南邊疆民族地區(qū)扶貧工作開展和力度的加大和關(guān)注，越來越多扶貧政策的制定和落實，貧困群眾對于黨的政策的期冀和信心越來越大，但同時依賴心理也越來越強(qiáng)。甚至在部分貧困戶看來，黨和政府有責(zé)任給予他們幫助，有義務(wù)解決他們生產(chǎn)生活中出現(xiàn)的一切問題和苦難，認(rèn)為扶貧工作是幫扶單位“要我脫貧”、不是“我要脫貧”，“等靠要”思想未徹底消除，進(jìn)取心不強(qiáng)，有困難就向有關(guān)部門和扶貧單位反映，等著他們幫解決。貧困有物質(zhì)上的貧困還有精神文化上的貧困，物質(zhì)上的可以靠外力解決，但是精神上的貧困還需群眾自身的自覺和努力，如果群眾脫貧攻堅的內(nèi)生動力不足，國家相關(guān)扶貧政策的落實和推動就嚴(yán)重受阻。

表5 典型氧化鋅避雷器參數(shù)Table 5 Typical zinc oxide arrester parameters kV

在正常運行時，中性點電壓Uw=0 kV，Uc=77 kV>Uw=0 kV；

在雷電過電壓時，Uref=137 kV

在工頻過電壓時，Ur=96 kV

被保護(hù)設(shè)備和避雷器緊靠一起時，設(shè)備額定雷電沖擊耐受電壓與避雷器保護(hù)水平相除所得的安全裕度系數(shù)要大于或等于1.25。主變中性點雷電沖擊耐受電壓為325 kV，選定的氧化鋅避雷器雷電沖擊電流殘壓為260 kV，兩者相除所得安全裕度系數(shù)為1.25，滿足絕緣配合要求。

該變電站變壓器中性點加裝20 Ω小電抗后不對稱故障下的最高工頻電壓Us=94.924 kV。參照實際工程，選取棒-棒電極形狀的放電間隙[17]。在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下，放電間隙的工頻平均場強(qiáng)Ejac≈3.8 kV/cm，雷電沖擊平均場強(qiáng)Ejli≈6 kV/cm。

取間隙工頻放電電壓Ujac=Ur=96 kV，間隙最大凈距dmax=Ur/Ejac=25.2 cm，間隙最小凈距d0=Us/Ejac=24.98 cm，dmin=max(Uref/Ejli，d0)=24.98 cm，故間隙范圍：(dmin，dmax)=(24.98 cm，25.2 cm)，放電間隙間距d可選取25 cm。

間隙的雷電沖擊放電電壓Ujli=Ejlid=150 kV，Uref=137 kV

5 可控型避雷器的應(yīng)用

將氧化鋅避雷器替換為可控避雷器，可通過動態(tài)改變避雷器的伏安特性曲線來實現(xiàn)避雷器和放電間隙的最佳配合[18-20]。

可控避雷器內(nèi)部由受控閥片和固定閥片兩部分串聯(lián)而成，真空觸發(fā)開關(guān)并聯(lián)在受控閥片兩端，控制系統(tǒng)通過對線路高中壓側(cè)電壓互感器傳輸?shù)碾妷盒盘栠M(jìn)行邏輯運算控制真空觸發(fā)開關(guān)，從而控制受控閥片的投入和退出。變壓器中性點并聯(lián)可控避雷器的配置圖見圖5。

圖5 變壓器中性點過電壓保護(hù)配置示意圖Fig.5 Schematic diagram of transformer neutral point overvoltage protection configuration

在工頻穩(wěn)態(tài)運行時，可控避雷器控制系統(tǒng)接收到的電壓信號未達(dá)到觸發(fā)條件，真空觸發(fā)開關(guān)保持?jǐn)嚅_，中性點電壓由受控閥片和固定閥片共同承擔(dān)，從而降低了荷電率。當(dāng)高中壓側(cè)發(fā)生瞬態(tài)過電壓時，控制系統(tǒng)接收到的電壓信號達(dá)到觸發(fā)值，真空觸發(fā)開關(guān)閉合，受控閥片被短接，過電壓由固定閥片承擔(dān)，避雷器殘壓水平隨閥片數(shù)目減少而降低。

可控避雷器通過控制系統(tǒng)控制真空觸發(fā)開關(guān)，動態(tài)改變閥片的投入數(shù)量，從而優(yōu)化避雷器的伏安特性曲線。圖6為可控避雷器的伏安特性曲線：在工頻穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過電壓情況下，可控避雷器工作于區(qū)域A；當(dāng)發(fā)生瞬態(tài)過電壓時，控制系統(tǒng)達(dá)到觸發(fā)條件，控制真空觸發(fā)開關(guān)閉合，使受控閥片被短接，可控避雷器工作曲線從區(qū)域B的曲線1下降到曲線2，降低可控避雷器的殘壓水平。

圖6 可控避雷器伏安特性曲線Fig.6 Volt-ampere characteristic curve of controllable arrester

可控避雷器在正常運行時荷電率低，在發(fā)生瞬態(tài)過電壓時，能夠大幅度降低殘壓水平。在中性點并聯(lián)可控避雷器和放電間隙，可為特高壓主變中性點經(jīng)小電抗接地后的中性點提供最佳的過電壓保護(hù)。

6 結(jié) 論

1)特高壓主變中性點串接小電抗接地有效降低了線路單相短路電流。隨著中性點小電抗阻值的逐步增加，短路電流減小的幅度逐漸降低，中性點的過電壓逐漸升高，所以該變電站主變小電抗值選取20 Ω較為合適。

2)為防止主變中性點串接小電抗后升高的過電壓對變壓器繞組產(chǎn)生危害，通過整定計算，在中性點并聯(lián)氧化鋅避雷器和放電間隙作為過電壓保護(hù)一定程度上對中性點起到了保護(hù)作用。但兩者由于自身特性都存在缺陷，絕緣配合很難達(dá)到理想狀態(tài)。

3)用可控避雷器替代氧化鋅避雷器，通過動態(tài)改變投入的閥片數(shù)量，優(yōu)化避雷器的伏安特性曲線，從而使避雷器和放電間隙各項參數(shù)實現(xiàn)理想配合。由于目前可控避雷器仍處于理論研究和試驗階段，在特高壓變壓器中性點實際應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。