35 kV 單進線變電站主變壓器中性點過電壓原因分析及預防措施

李登

(四川明珠集團有限責任公司，四川射洪 629000)

1 故障現象及處理經過

某35 kV 變電站2011年初投運，為35 kV 單進線，單母線接線，主變壓器一臺，型號為SZ11-5000/35，Ynd11接線。35 kV 進線門形架及35 kV 母線各設置電站型避雷器一組，避雷器型號為HY5WZ-51/134;主變高壓側電流互感器變比為200/5，低壓側為400/5，差流速斷整定值為28.6 A，比例差動最小動作電流為1.75 A。電氣主接線見圖1。

圖1 電氣主接線圖

2011年雷雨季節，該變電站發生了三次主變差動保護動作情況。

1.1 2011年5月1日差動保護動作情況

9時0分，該站I#主變差動速斷保護動作，I#主變兩側開關跳閘，10 kV 母線失壓。35 kV 進線避雷器三相各動作1次;母線避雷器A、C 相各動作一次，I#主變35 kV 側A 相套管與中性點套管間有放電現象。保護動作時，天氣狀況惡劣，通過雷電定位系統查詢，該站附近區域有密集的落雷。I#主變差動保護裝置故障信息為:09∶00∶37∶181;相對動作時限11 ms;A 相差流速斷。

高壓側:Ia=43.71 Ib=20.75 Ic=21.08

低壓側:Ia=0.99 Ib=0.58 Ic=0.44

差動電流:Iopa=62.04 Iopb=0.16 Iopc=61.91。

1.2 2011年6月21日差動保護動作情況

3時58分，I#主變差動速斷保護動作，I#主變兩側開關跳閘，10 kV 母線失壓。35 kV 進線避雷器A、C 相各動作3次，B 相動作6次。母線避雷器A、C 相各動作2次，B 相動作4次。I#主變35 kV 側A 相套管與中性點套管間有放電現象。保護動作時，天氣狀況惡劣，通過雷電定位系統查詢，該站附近有密集的落雷。I#主變差動保護裝置故障信息為:03∶58∶30∶415;相對動作時限11 ms;A 相差流速斷。

高壓側:Ia=41.19 Ib=20.48 Ic=21.63

低壓側:Ia=0.56 Ib=0.43 Ic=0.3

差動電流:Iopa=62.19 Iopb=0.09 Iopc=62.12。

1.3 2011年8月21日差動保護動作情況

1時33分，I#主變差動速斷保護動作，I#主變兩側開關跳閘，10 kV 母線失壓。35 kV 進線避雷器及母線未動作。I#主變35 kV 側A 相套管與中性點套管間有放電現象。保護動作時，天氣狀況較惡劣，通過雷電定位系統，在35 kV 進線對側變電站出線附近有強度為-34.4 kA 的雷電電流。

保護動作信號與上兩次相似。

1.4 設備主要受損情況

在變壓器高壓側A 相與中性點之間有電弧放電現象。兩套管最上端的釉面有電弧灼傷痕跡(圖2、3)。

1.5 檢查處理情況

圖2 A 相與N 相放電痕跡

圖3 N 相放電痕跡

將I#主變及兩側開關置于檢修狀態后，由變壓器制造廠及電氣試驗班工作人員對差動保護區內的設備進行預防性試驗和檢測，試驗結果合格，設備未受損。接地電阻測量值為0.3Ω，在合格范圍之內。

2 故障原因分析

(1)故障后的預防性試驗參數合格，可以排除變壓器內部故障的可能性。

(2)從放電痕跡看，這幾次故障均系相與中性點弧光短路，沒有相對殼體(地)、中性點對殼體(地)放電現象，可以推斷出故障現象為相與中性點之間電壓升高至擊穿其空氣絕緣(約33 cm，正常情況下絕緣強度約為330 kV 以上，濕度降低時應為200 kV 左右)。

(3)從故障發生的部件分析，主要集中于A相與中性點套管，B 相無損傷，由此可以推斷造成故障的高電壓源來自中性點。若A 相套管處出現高電壓源，必然造成A 相與B 相絕緣擊穿放電。

3 中性點過電壓原因分析

在輸電線上形成的雷閃過電壓會沿輸電線路運動至變電所的母線上，并對與母線有聯接的電氣設備構成威脅。針對該站故障現象，需重點分析主變中性點過電壓產生的原因。

3.1 單母線進線變電站雷電侵入波幅值的分析

按彼德遜規則，把一個分布參數電路計算折射和反射波的問題化成為一個熟悉的集中參數電路計算問題:等值圖中的電源是把入射電壓加倍，等值圖中的電阻在數值上分別等于波阻抗Z1和Z2(圖4)。

圖4 集中參數等值電路圖(彼德遜規則)

按此規則，變電所母線上接有幾回出線(如圖5所示)，每回線路的波阻抗均為Z，當一條線路落雷時，有雷電波u(t)入侵變電所，母線上的電壓u2(t)為:

圖5 多條線路母線電壓計算等值圖

當n=1時(單進線時)，u2(t)=2u(t)。

即單進線變電站因雷電侵入波造成35 kV 母線上的過電壓幅值為雷電侵入波幅值的兩倍，考慮到線路避雷器的泄流限幅作用，35 kV 母線上的過電壓幅值為線路避雷器動作殘壓的兩倍。

3.2 變壓器繞組在過電壓襲擊時的行為

在過電壓作用下，三相變壓器繞組末端(即中性點)可能接地，也可能不接地。以無窮長直角波這種最簡單但又是最嚴厲的波形為例，研究繞組在過電壓襲擊時的行為，所得到的結論雖偏于嚴格，但卻能充分揭示變壓器繞組中產生過電壓的物理過程。

由于變壓器繞組的穩態電位分布與起始電位分布不一致，因此，在這個復雜電路中會出現振蕩，如圖6所示。圖6中給出了不同時刻繞組電位分布的情形，曲線3是最大對地電位包絡線。在中點接地的情況下，最大電位出現在繞組首端附近，其值可達(1.2～1.3)Uo，在中點絕緣情況下(復興站的工況)，最大電位出現在繞組末端，其值約為(1.5-1.8)Uo。可見，隨著振蕩的發展，不但在首端，而且在繞組的其它部分，特別是在繞組的末端部分，也會出現大的電位梯度。其對變莊器的縱絕緣(匝間、線盤間絕緣)威脅很大。

圖6 繞組最大電位的近似確定

3.3 單進線中性點不接地變壓器在外部雷電侵入波時的最大可能電壓估算

根據3.1及3.2的計算參數，最大可能電壓Um=2×1.8U0=3.6 U(t)。

線路避雷器的殘壓值為142 kV，Um=3.6×142=511.2(kV)。

該電壓足以擊穿中性點與A 相套管之間的空氣絕緣。

4 預防措施

4.1 加裝中性點避雷器

按文獻［1］第7.3.5條“不接地、消弧線圈接地和高電阻接地系統中的變壓器中性點，一般不裝設保護裝置，但多雷區單進線變電所且變壓器中性點引出時，宜裝設保護裝置;中性點接有消弧線圈的變壓器，如有單進線運行可能，也應在中性點裝設保護裝置。該保護裝置可任選金屬氧化物避雷器或碳化硅普通閥式避雷器”。

按氧化鋅避雷器的選型辦法，該變壓器中性點避雷器可選用Y1.5W-48/109。由于中性點過電壓幅值達雷電侵入波幅值的3.6倍，則中性點處的短路電流應為該變電站計算短路電流的3.6倍。為盡量降低中性點處的過電壓，在避雷器制造生產能力許可的情況下，應盡可能選通流能力大的同參數避雷器。最終采用了Y5W-48/109并加裝了避雷器在線監視儀。

4.2 校核變電站進線的架空避雷線末端所加裝的避雷器參數，應確保其在35 kV 母線避雷器保護范圍內

按文獻［1］第7.3.2條“未沿全線架設避雷線的35～110 kV 線路，其變電所的進線段應采用圖7所示的保護接線”。該站進線保護實際接線情況見圖8。

圖7 35～110 kV 變電所的進線保護接線示意圖

圖8 進線保護實際接線圖

避雷器FE 具有的主要作用:在雷雨季節，若線路的進線斷路器或隔離開關經常處于開路狀態，而線路又是帶電的，則沿線路襲來的雷電波在斷口處發生全反射，就可能使斷路器或隔離開關發生對地閃絡，進而導致工頻短路并可能將絕緣支座燒毀。因此，應在靠近隔離開關或斷路器處裝設一組管型避雷器FE 進行保護。但當斷路器閉合運行時，入侵雷電波不應使FE 動作，否則會產生截波而危及變壓器的縱絕緣，也就是說，FE應在變壓器母線避雷器的保護范圍之內。

目前，該站母線避雷器大于出線避雷器的額定值，即線路避雷器超出了母線避雷器的保護范圍，可能會產生截波而危及變壓器的縱絕緣。而且進線門形架設置的電站型避雷器的作用與進線首基根桿塔線路避雷器作用一致，因此，建議取消線路首基根桿塔線路避雷器。

4.3 主變保護的配置及定值

根據調度繼保專業的意見，現有保護方式及定值滿足中性點避雷器安裝后的運行要求，主變保護配置及定值不作修定。

5 結語

隨著電網的發展，原來10 kV 供電的遠距離重載線路逐步改造為35 kV 單進線變電站。對該類變電站設計時應考慮雷電侵入波造成中性點電壓升高的防范措施;對于已投運的該類型變壓器宜加裝中性點避雷器，避免雷電侵入波造成設備損壞和非計劃停運。

參與文獻:

［1］裝置的過電壓保護和絕緣配合，DL/T 620-1997［S］.

［2］胡國根，王戰鐸.高電壓技術［M］.重慶:重慶大學出版社，1998.