變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓分析與絕緣配合

楊智,詹江楊,徐星,玉林威,鄒國(guó)平,陳向榮

(1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院,杭州 310014;2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院 浙江省電機(jī)系統(tǒng)智能控制與變流技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 310027)

0 引 言

目前,我國(guó)110 kV系統(tǒng)通常采用中性點(diǎn)有效接地的方式,但考慮到限制單相接地電流和繼電保護(hù)的需要,同時(shí)為了便于實(shí)現(xiàn)變電站在不同運(yùn)行方式下的零序保護(hù)及減小對(duì)通訊網(wǎng)絡(luò)的干擾,系統(tǒng)中存在部分變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行[1-2]。但對(duì)于中性點(diǎn)不接地變壓器,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地、單相斷線(xiàn)以及雷擊桿塔和線(xiàn)路等故障時(shí),變壓器中性點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)電壓,對(duì)中性點(diǎn)絕緣造成較大威脅。因此有必要對(duì)變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓開(kāi)展研究,確定相應(yīng)的中性點(diǎn)絕緣保護(hù)方案。

針對(duì)上述問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了廣泛的研究。文獻(xiàn)[3]提出了在雷電沖擊電壓下的精確簡(jiǎn)化的變壓器高頻模型,在不同的平衡負(fù)載下驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[4]考慮接地效應(yīng),建立了變壓器接地系統(tǒng)的頻域模型,在ATP-EMTP中對(duì)變壓器過(guò)電壓進(jìn)行了時(shí)域計(jì)算。文獻(xiàn)[5]提出一種基于羊角電極的新型復(fù)合間隙,很好的抑制了間隙放電電極的燒蝕現(xiàn)象,同時(shí)保證了放電電壓的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]改進(jìn)常用的棒-棒間隙,研制了新型棒-板-棒組合保護(hù)間隙,降低了工頻放電電壓,提高了雷電沖擊放電電壓。文獻(xiàn)[7]提出一種水間隙,即通過(guò)控制水流的形成減小間隙的放電分散性,利用水間隙和避雷器并聯(lián)來(lái)共同保護(hù)110 kV變壓器中性點(diǎn)。文獻(xiàn)[8]提出了一種球-球電極保護(hù)間隙,間隙利用被保護(hù)點(diǎn)的過(guò)電壓進(jìn)行觸發(fā)控制,實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有的中性點(diǎn)保護(hù)避雷器的理想配合。文獻(xiàn)[9]提出利用小電抗接地的變壓器中性點(diǎn)保護(hù)方式,大幅減小中性點(diǎn)過(guò)電壓且無(wú)需安裝放電間隙。但是,如何實(shí)現(xiàn)變壓器中性點(diǎn)保護(hù)更加優(yōu)化的絕緣配合,仍需進(jìn)行全面系統(tǒng)的工作。

文中采用PSCAD電磁暫態(tài)仿真軟件,基于浙江雙嶼變電站的實(shí)際線(xiàn)路參數(shù),搭建了110 kV輸電系統(tǒng),針對(duì)線(xiàn)路中的單相接地、單相斷線(xiàn)及雷擊等故障,對(duì)變電站主變壓器中性點(diǎn)的過(guò)電壓進(jìn)行了仿真計(jì)算。根據(jù)仿真結(jié)果提出了系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)的絕緣保護(hù)方案。為實(shí)現(xiàn)放電間隙和避雷器的良好配合,分析了棒-棒間隙距離的選擇方法,得到110 kV系統(tǒng)棒-棒間隙距離的最優(yōu)取值。

1 110 kV輸電系統(tǒng)模型建立

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和線(xiàn)路參數(shù)

選取浙江雙嶼變電站為研究對(duì)象,建立的110 kV輸電系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)同塔雙回線(xiàn)路對(duì)變電站進(jìn)行供電。架空線(xiàn)路長(zhǎng)100 km,采用6分裂LGJ-400/35鋼芯鋁絞線(xiàn)。輸電線(xiàn)路桿塔為六角形結(jié)構(gòu),系統(tǒng)用兩臺(tái)主變壓器為不同電壓等級(jí)區(qū)域輸送電能,主變壓器中壓側(cè)和高壓側(cè)均采用避雷器并聯(lián)保護(hù)間隙的方式對(duì)變壓器中性點(diǎn)進(jìn)行保護(hù),避雷器型號(hào)為Y1.5W-72/186。

圖1 110 kV輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 桿塔模型

考慮到雷擊時(shí)雷電波在桿塔內(nèi)的傳播特性,目前通常采用集中電感、單波阻抗、多波阻抗3種模型[10-11]。集中電感模型便于計(jì)算,但是忽略了桿塔的波過(guò)程,會(huì)造成比較大的誤差;單波阻抗模型有較高的計(jì)算精度,但忽視了橫擔(dān)支柱的影響;多波阻抗模型則能夠全面真實(shí)的反映波在桿塔中的傳播情況。文中采用Hara無(wú)損多波阻抗模型,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多波阻抗模型結(jié)構(gòu)

1.3 絕緣子模型

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定,當(dāng)絕緣子兩端電壓峰值達(dá)到U50%時(shí),即判定絕緣子發(fā)生閃絡(luò)。根據(jù)相交法,絕緣子伏秒特性曲線(xiàn)與兩端過(guò)電壓波形的交點(diǎn)即為閃絡(luò)點(diǎn),在仿真中利用壓控開(kāi)關(guān)模擬絕緣子[12-13]。絕緣子的伏秒特性曲線(xiàn)由IEEE提出的式(1)得到:

(1)

式中t為閃絡(luò)時(shí)間(μs);Lin為絕緣子的有效長(zhǎng)度(m)。

1.4 變電站內(nèi)模型

在雷電波入侵變電站時(shí),套管、電壓互感器和隔離開(kāi)關(guān)等變電站內(nèi)設(shè)備可以等效為入口電容[14]。其中變壓器入口電容Cr的計(jì)算公式如式(2)所示:

(2)

式中S為三相變壓器的容量(MV·A);k、n為常數(shù),對(duì)于110 kV 變壓器,k=540,n=3。

變電站具體等效參數(shù)經(jīng)計(jì)算如表1所示。

1.5 雷電流模型

目前被廣泛使用的雷電流模型為雙指數(shù)模型,其表達(dá)式簡(jiǎn)單,易于計(jì)算,但是這一模型只適用于雷電在某一點(diǎn)放電的情形。與雙指數(shù)模型相比,Hodler模型能更準(zhǔn)確的反映雷電流的特征[15]。文中采用Hodler模型模擬雷電流。雷電流大小滿(mǎn)足式(3):

(3)

式中Im為峰值電流(kA);τ1為波頭時(shí)間常數(shù)(μs);τ2為波尾時(shí)間常數(shù)(μs);k為波峰修正系數(shù)。

由于線(xiàn)路遭受雷電過(guò)電壓大約90% 是由負(fù)極性雷電流引起的,故文中仿真雷電流采用負(fù)極性波。按照我國(guó)防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),仿真中取τ1為2.6 μs,τ2為50 μs。反擊時(shí)雷電波阻抗取300 Ω,繞擊時(shí)雷電波阻抗取800 Ω。

2 變壓器中性點(diǎn)暫態(tài)電壓仿真分析

2.1 單相接地仿真

輸電線(xiàn)路單向接地故障是最常見(jiàn)的故障,單向接地故障產(chǎn)生的三相不平衡會(huì)導(dǎo)致變壓器中性點(diǎn)產(chǎn)生零序過(guò)電壓,且接地故障出現(xiàn)的位置和時(shí)刻與過(guò)電壓的幅值大小有很大的關(guān)系。圖3所示為1號(hào)主變進(jìn)線(xiàn)段B相線(xiàn)路電壓相位為90°,在距離變電站10 km的B相架空線(xiàn)路處發(fā)生單向接地故障時(shí)1號(hào)和2號(hào)主變高壓側(cè)中性點(diǎn)典型過(guò)電壓波形。從圖中可以得出,線(xiàn)路1發(fā)生單相接地故障時(shí),故障波侵入1號(hào)主變會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)處產(chǎn)生較高的過(guò)電壓,而線(xiàn)路2上由于金屬導(dǎo)體之間的電磁感應(yīng)作用會(huì)感應(yīng)出過(guò)電壓波并侵入2號(hào)主變,故2號(hào)主變中性點(diǎn)處也會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓,但其幅值小于1號(hào)主變。

圖3 發(fā)生接地故障時(shí)變壓器中性點(diǎn)典型波形

對(duì)于單相接地故障發(fā)生的不同時(shí)刻和位置,仿真得到1號(hào)和2號(hào)主變高壓側(cè)中性點(diǎn)過(guò)電壓最大值如表2和表3所示。

表2 不同距離接地時(shí)中性點(diǎn)過(guò)電壓

表3 不同時(shí)刻接地時(shí)中性點(diǎn)過(guò)電壓

單相接地故障發(fā)生的位置與變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓幅值成反比,故障發(fā)生位置越遠(yuǎn),過(guò)電壓幅值越小。當(dāng)單相接地故障發(fā)生距離為10 km時(shí),暫態(tài)過(guò)電壓幅值最大,為117 kV;在相位為90°時(shí)刻發(fā)生單相接地故障,變壓器中性點(diǎn)產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓幅值最大,這是因?yàn)橄辔粸?0°時(shí)線(xiàn)路相電壓處于峰值,電壓由峰值變?yōu)榱銜?huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩波并侵入變壓器,導(dǎo)致中性點(diǎn)處產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值最大。

2.2 單相斷線(xiàn)仿真

在系統(tǒng)三相輸電線(xiàn)路處于斷線(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí),三相輸電線(xiàn)路出現(xiàn)電壓電流的不平衡,導(dǎo)致中性點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)電壓。圖4所示為0.1 s時(shí)1號(hào)主變進(jìn)線(xiàn)側(cè)斷路器的B相跳閘時(shí)1號(hào)和2號(hào)主變高壓側(cè)中性點(diǎn)典型過(guò)電壓波形。

圖4 發(fā)生斷線(xiàn)故障時(shí)變壓器中性點(diǎn)典型波形

1號(hào)主變高壓側(cè)中性點(diǎn)產(chǎn)生的最大過(guò)電壓約為52 kV。2號(hào)變壓器的高壓側(cè)的中性點(diǎn)未產(chǎn)生明顯的過(guò)電壓。斷路器單相跳閘所引起的中性點(diǎn)過(guò)電壓幅值比單向接地故障所引起的中性點(diǎn)過(guò)電壓幅值小。

對(duì)于單相斷線(xiàn)故障發(fā)生的不同時(shí)刻和位置,仿真計(jì)算得到1號(hào)和2號(hào)主變高壓側(cè)中性點(diǎn)過(guò)電壓大小,結(jié)果如表4和表5所示。由表4和表5可以看出:在B相斷線(xiàn)時(shí)變壓器中性點(diǎn)產(chǎn)生的過(guò)電壓基本保持不變,即單相斷線(xiàn)故障時(shí)刻及故障距離對(duì)中性點(diǎn)過(guò)電壓值影響很小[16-17]。

表4 不同距離斷線(xiàn)時(shí)中性點(diǎn)過(guò)電壓

表5 不同時(shí)刻斷線(xiàn)時(shí)中性點(diǎn)過(guò)電壓

2.3 雷擊仿真

2.3.1 雷電反擊過(guò)電壓

由于輸電桿塔存在阻抗,雷擊桿塔產(chǎn)生的雷電流會(huì)導(dǎo)致橫擔(dān)處電位急劇攀升,達(dá)到絕緣子閃絡(luò)電壓時(shí)會(huì)使得線(xiàn)路絕緣子串被擊穿,輸電線(xiàn)路出現(xiàn)接地故障。統(tǒng)計(jì)得到反擊雷的大小為230 kA左右。文中仿真幅值為230 kA的雷電流在距離變電站不同位置處雷擊桿塔導(dǎo)致輸電線(xiàn)路A相發(fā)生反擊,變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓的大小變化,圖5為其典型波形。因雷擊而發(fā)生絕緣子閃絡(luò)時(shí),反擊雷電波會(huì)沿著故障相輸電線(xiàn)侵入1號(hào)主變并在變壓器中性點(diǎn)處產(chǎn)生過(guò)電壓,暫態(tài)過(guò)電壓的最大值接近120 kV。同時(shí)由于金屬導(dǎo)體間的電磁感應(yīng)作用,線(xiàn)路2上會(huì)感應(yīng)出過(guò)電壓波并侵入2號(hào)主變并在變壓器中性點(diǎn)處產(chǎn)生過(guò)電壓,暫態(tài)過(guò)電壓最大值超過(guò)90 kV。

圖5 發(fā)生雷擊故障時(shí)變壓器中性點(diǎn)典型波形

對(duì)于反擊發(fā)生的不同位置,仿真計(jì)算得到1號(hào)和2號(hào)主變高壓側(cè)中性點(diǎn)過(guò)電壓值,結(jié)果如表6所示。由表6可以看出:變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓幅值與線(xiàn)路發(fā)生反擊的距離大小成反比,即發(fā)生反擊的距離越遠(yuǎn),過(guò)電壓幅值越小。反擊發(fā)生距離為0.4 km時(shí),暫態(tài)過(guò)電壓幅值最大,為118 kV。

表6 不同距離反擊時(shí)中性點(diǎn)過(guò)電壓

2.3.2 雷電繞擊過(guò)電壓

雷電流除了擊中桿塔,引起反擊之外,也會(huì)繞過(guò)避雷線(xiàn),直接擊中導(dǎo)線(xiàn)。繞擊雷的大小一般取30 kA左右,雷道波阻抗取800 Ω。對(duì)于雷電繞擊桿塔發(fā)生的不同位置進(jìn)行仿真計(jì)算,結(jié)果如表7所示。

表7 不同距離繞擊時(shí)中性點(diǎn)過(guò)電壓

表7可以看出:在線(xiàn)路發(fā)生繞擊時(shí),1號(hào)主變中性點(diǎn)的最大過(guò)電壓約為102 kV,由于電磁耦合作用,2號(hào)主變的中性點(diǎn)最大過(guò)電壓約為54 kV。

3 變壓器中性點(diǎn)絕緣配合分析

3.1 棒-棒間隙距離的理論計(jì)算

目前110 kV系統(tǒng)中不接地變壓器中性點(diǎn)通常經(jīng)過(guò)放電間隙接地,當(dāng)產(chǎn)生工頻過(guò)電壓時(shí),放電間隙擊穿接地,將中性點(diǎn)的電壓鉗制在其絕緣耐受范圍內(nèi),起到保護(hù)作用。常用的放電間隙為棒-棒間隙,其放電分散性較大,在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)及誤動(dòng)的情況,喪失其對(duì)中性點(diǎn)的保護(hù)作用。采用放電間隙并聯(lián)避雷器能夠克服棒-棒間隙的上述缺點(diǎn)。但是,必須選擇合理的間隙距離實(shí)現(xiàn)兩者的良好配合,文中根據(jù)110 kV系統(tǒng)中變壓器中性點(diǎn)故障時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值來(lái)確定放電間隙的距離。

在確定系統(tǒng)所用避雷器的條件下,放電間隙與避雷器的配合需要滿(mǎn)足下列關(guān)系:

(1)棒-棒間隙工頻放電電壓小于中性點(diǎn)工頻耐受電壓,滿(mǎn)足式(4):

(4)

式中Ug為棒-棒間隙工頻放電電壓(kV);Ugn為中性點(diǎn)工頻耐受電壓(kV);σ為棒-棒間隙工頻放電電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差;K1為安全系數(shù);K2為氣象修正系數(shù);

(2)棒-棒間隙工頻放電電壓要大于有效接地中性點(diǎn)的最大暫態(tài)過(guò)電壓,滿(mǎn)足式(5):

(5)

式中Uyd為有效接地中性點(diǎn)的最大暫態(tài)過(guò)電壓(kV);

(3)棒-棒間隙雷電沖擊放電電壓要小于中性點(diǎn)雷電耐受電壓,滿(mǎn)足式(6):

(6)

式中Uzn為中性點(diǎn)雷電耐受電壓(kV)。

110 kV變壓器中性點(diǎn)短時(shí)工頻耐受電壓有效值為95 kV,雷電沖擊耐受電壓電壓為250 kV。Y1.5W-72/186 避雷器額定電壓為72 kV,殘壓為186 kV。仿真得到有效接地中性點(diǎn)的最大暫態(tài)過(guò)電壓為61 kV。根據(jù)式(4)～式(6)計(jì)算得到棒-棒間隙工頻放電電壓需介于79.05 kV～73.90 kV之間;棒-棒間隙雷電沖擊放電電壓需小于208.03 kV。

3.2 棒-棒間隙距離的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用實(shí)驗(yàn)室YDTW-250/250型250 kV工頻高壓發(fā)生器和CJDY-1型1 500 kV沖擊電壓發(fā)生器對(duì)棒-棒放電間隙進(jìn)行工頻放電和雷電沖擊放電實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。裝置水平放置,采用端部直徑為16 mm的半球形的棒-棒電極,高壓電極置于支柱絕緣子之上,接地極采用高度可調(diào)的金屬支柱以調(diào)整兩電極處于同一高度。支柱絕緣子固定于底座上,金屬支柱采用滑塊與底座連接以調(diào)節(jié)棒-棒間隙的水平間距。

圖6 棒-棒放電間隙裝置結(jié)構(gòu)圖

工頻放電實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)升壓法,升壓速度為1 kV/s,同一間隙距離下進(jìn)行10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。雷電沖擊實(shí)驗(yàn)采用1.2/50 μs的負(fù)極性雷電波,同一間隙距離下進(jìn)行20次重復(fù)實(shí)驗(yàn),得到U50%。試驗(yàn)大廳的大氣壓氣壓為101.51 kPa,溫度為27 ℃,相對(duì)濕度為38%。實(shí)際試驗(yàn)條件下的間隙擊穿電壓必須換算到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下才能進(jìn)行比較,滿(mǎn)足式(7):

(7)

式中U為實(shí)際試驗(yàn)條件下的間隙擊穿電壓(V);U0為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的間隙擊穿電壓(V);K1為空氣密度校正因數(shù);K2為濕度校正因數(shù);δ為空氣的相對(duì)密度;p為氣壓,kPa;T為溫度(K);因數(shù)K取決于試驗(yàn)電壓類(lèi)型;指數(shù)m和ω與電極形狀、間隙距離、電壓類(lèi)型及極性有關(guān),具體取值參考有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[18]。

經(jīng)校正得到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下棒-棒間隙放電特性如圖7所示。

圖7 棒-棒間隙放電試驗(yàn)

由圖7可知,棒-棒間隙的50%工頻放電電壓和50%雷電沖擊放電電壓幅值隨著間隙距離的增大而增大。棒-棒間隙距離為13 cm時(shí)50%工頻放電電壓幅值為74.39 kV,50%雷電沖擊放電電壓幅值為128.49 kV。棒-棒間隙距離為14 cm時(shí)50%工頻放電電壓幅值為78.67 kV,50%雷電沖擊放電電壓幅值為136.99 kV。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與上述計(jì)算結(jié)果比較可以確定棒-棒間隙為13 mm～14 mm能和避雷器達(dá)到最優(yōu)的絕緣配合效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)單相接地故障發(fā)生的位置與變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓幅值成反比,故障發(fā)生位置越遠(yuǎn),過(guò)電壓幅值越小。且相電壓處于峰值時(shí),發(fā)生單向接地故障所產(chǎn)生的中性點(diǎn)過(guò)電壓最嚴(yán)重。B相電壓相位為90°,故障為10 km時(shí)的中性點(diǎn)暫態(tài)過(guò)電壓最大值為117.73 kV;

(2)單相斷線(xiàn)時(shí)中性點(diǎn)最大過(guò)電壓為52 kV,過(guò)電壓值較小,且過(guò)電壓大小與故障發(fā)生的時(shí)刻和位置無(wú)關(guān);

(3)線(xiàn)路發(fā)生雷擊的位置距離變電站越近,中性點(diǎn)過(guò)電壓越嚴(yán)重。反擊時(shí)中性點(diǎn)過(guò)電壓最大值為118 kV,繞擊時(shí)中性點(diǎn)過(guò)電壓最大值為102 kV;

(4)采用放電間隙并聯(lián)避雷器的中性點(diǎn)保護(hù)方式,放電間隙距離為13 mm～14 mm時(shí)能達(dá)到最佳的絕緣配合效果。