35 kV 單進(jìn)線變電站主變壓器中性點(diǎn)過電壓原因分析及預(yù)防措施

李登

(四川明珠集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川射洪 629000)

1 故障現(xiàn)象及處理經(jīng)過

某35 kV 變電站2011年初投運(yùn)，為35 kV 單進(jìn)線，單母線接線，主變壓器一臺(tái)，型號(hào)為SZ11-5000/35，Ynd11接線。35 kV 進(jìn)線門形架及35 kV 母線各設(shè)置電站型避雷器一組，避雷器型號(hào)為HY5WZ-51/134;主變高壓側(cè)電流互感器變比為200/5，低壓側(cè)為400/5，差流速斷整定值為28.6 A，比例差動(dòng)最小動(dòng)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(jié)，該變電站發(fā)生了三次主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況。

1.1 2011年5月1日差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

9時(shí)0分，該站I#主變差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作，I#主變兩側(cè)開關(guān)跳閘，10 kV 母線失壓。35 kV 進(jìn)線避雷器三相各動(dòng)作1次;母線避雷器A、C 相各動(dòng)作一次，I#主變35 kV 側(cè)A 相套管與中性點(diǎn)套管間有放電現(xiàn)象。保護(hù)動(dòng)作時(shí)，天氣狀況惡劣，通過雷電定位系統(tǒng)查詢，該站附近區(qū)域有密集的落雷。I#主變差動(dòng)保護(hù)裝置故障信息為:09∶00∶37∶181;相對(duì)動(dòng)作時(shí)限11 ms;A 相差流速斷。

高壓側(cè):Ia=43.71 Ib=20.75 Ic=21.08

低壓側(cè):Ia=0.99 Ib=0.58 Ic=0.44

差動(dòng)電流:Iopa=62.04 Iopb=0.16 Iopc=61.91。

1.2 2011年6月21日差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

3時(shí)58分，I#主變差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作，I#主變兩側(cè)開關(guān)跳閘，10 kV 母線失壓。35 kV 進(jìn)線避雷器A、C 相各動(dòng)作3次，B 相動(dòng)作6次。母線避雷器A、C 相各動(dòng)作2次，B 相動(dòng)作4次。I#主變35 kV 側(cè)A 相套管與中性點(diǎn)套管間有放電現(xiàn)象。保護(hù)動(dòng)作時(shí)，天氣狀況惡劣，通過雷電定位系統(tǒng)查詢，該站附近有密集的落雷。I#主變差動(dòng)保護(hù)裝置故障信息為:03∶58∶30∶415;相對(duì)動(dòng)作時(shí)限11 ms;A 相差流速斷。

高壓側(cè):Ia=41.19 Ib=20.48 Ic=21.63

低壓側(cè):Ia=0.56 Ib=0.43 Ic=0.3

差動(dòng)電流:Iopa=62.19 Iopb=0.09 Iopc=62.12。

1.3 2011年8月21日差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作情況

1時(shí)33分，I#主變差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作，I#主變兩側(cè)開關(guān)跳閘，10 kV 母線失壓。35 kV 進(jìn)線避雷器及母線未動(dòng)作。I#主變35 kV 側(cè)A 相套管與中性點(diǎn)套管間有放電現(xiàn)象。保護(hù)動(dòng)作時(shí)，天氣狀況較惡劣，通過雷電定位系統(tǒng)，在35 kV 進(jìn)線對(duì)側(cè)變電站出線附近有強(qiáng)度為-34.4 kA 的雷電電流。

保護(hù)動(dòng)作信號(hào)與上兩次相似。

1.4 設(shè)備主要受損情況

在變壓器高壓側(cè)A 相與中性點(diǎn)之間有電弧放電現(xiàn)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(cè)開關(guān)置于檢修狀態(tài)后，由變壓器制造廠及電氣試驗(yàn)班工作人員對(duì)差動(dòng)保護(hù)區(qū)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)和檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果合格，設(shè)備未受損。接地電阻測(cè)量值為0.3Ω，在合格范圍之內(nèi)。

2 故障原因分析

(1)故障后的預(yù)防性試驗(yàn)參數(shù)合格，可以排除變壓器內(nèi)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(diǎn)弧光短路，沒有相對(duì)殼體(地)、中性點(diǎn)對(duì)殼體(地)放電現(xiàn)象，可以推斷出故障現(xiàn)象為相與中性點(diǎn)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(qiáng)度約為330 kV 以上，濕度降低時(shí)應(yīng)為200 kV 左右)。

(3)從故障發(fā)生的部件分析，主要集中于A相與中性點(diǎn)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(diǎn)。若A 相套管處出現(xiàn)高電壓源，必然造成A 相與B 相絕緣擊穿放電。

3 中性點(diǎn)過電壓原因分析

在輸電線上形成的雷閃過電壓會(huì)沿輸電線路運(yùn)動(dòng)至變電所的母線上，并對(duì)與母線有聯(lián)接的電氣設(shè)備構(gòu)成威脅。針對(duì)該站故障現(xiàn)象，需重點(diǎn)分析主變中性點(diǎn)過電壓產(chǎn)生的原因。

3.1 單母線進(jìn)線變電站雷電侵入波幅值的分析

按彼德遜規(guī)則，把一個(gè)分布參數(shù)電路計(jì)算折射和反射波的問題化成為一個(gè)熟悉的集中參數(shù)電路計(jì)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(shù)值上分別等于波阻抗Z1和Z2(圖4)。

圖4 集中參數(shù)等值電路圖(彼德遜規(guī)則)

按此規(guī)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(dāng)一條線路落雷時(shí)，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(jì)算等值圖

當(dāng)n=1時(shí)(單進(jìn)線時(shí))，u2(t)=2u(t)。

即單進(jìn)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(dòng)作殘壓的兩倍。

3.2 變壓器繞組在過電壓襲擊時(shí)的行為

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

由于變壓器繞組的穩(wěn)態(tài)電位分布與起始電位分布不一致，因此，在這個(gè)復(fù)雜電路中會(huì)出現(xiàn)振蕩，如圖6所示。圖6中給出了不同時(shí)刻繞組電位分布的情形，曲線3是最大對(duì)地電位包絡(luò)線。在中點(diǎn)接地的情況下，最大電位出現(xiàn)在繞組首端附近，其值可達(dá)(1.2～1.3)Uo，在中點(diǎn)絕緣情況下(復(fù)興站的工況)，最大電位出現(xiàn)在繞組末端，其值約為(1.5-1.8)Uo。可見，隨著振蕩的發(fā)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(huì)出現(xiàn)大的電位梯度。其對(duì)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(jìn)線中性點(diǎn)不接地變壓器在外部雷電侵入波時(shí)的最大可能電壓估算

根據(jù)3.1及3.2的計(jì)算參數(shù)，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(diǎn)與A 相套管之間的空氣絕緣。

4 預(yù)防措施

4.1 加裝中性點(diǎn)避雷器

按文獻(xiàn)［1］第7.3.5條“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”。

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

4.2 校核變電站進(jìn)線的架空避雷線末端所加裝的避雷器參數(shù)，應(yīng)確保其在35 kV 母線避雷器保護(hù)范圍內(nèi)

按文獻(xiàn)［1］第7.3.2條“未沿全線架設(shè)避雷線的35～110 kV 線路，其變電所的進(jìn)線段應(yīng)采用圖7所示的保護(hù)接線”。該站進(jìn)線保護(hù)實(shí)際接線情況見圖8。

圖7 35～110 kV 變電所的進(jìn)線保護(hù)接線示意圖

圖8 進(jìn)線保護(hù)實(shí)際接線圖

避雷器FE 具有的主要作用:在雷雨季節(jié)，若線路的進(jìn)線斷路器或隔離開關(guān)經(jīng)常處于開路狀態(tài)，而線路又是帶電的，則沿線路襲來的雷電波在斷口處發(fā)生全反射，就可能使斷路器或隔離開關(guān)發(fā)生對(duì)地閃絡(luò)，進(jìn)而導(dǎo)致工頻短路并可能將絕緣支座燒毀。因此，應(yīng)在靠近隔離開關(guān)或斷路器處裝設(shè)一組管型避雷器FE 進(jìn)行保護(hù)。但當(dāng)斷路器閉合運(yùn)行時(shí)，入侵雷電波不應(yīng)使FE 動(dòng)作，否則會(huì)產(chǎn)生截波而危及變壓器的縱絕緣，也就是說，F(xiàn)E應(yīng)在變壓器母線避雷器的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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(hù)范圍，可能會(huì)產(chǎn)生截波而危及變壓器的縱絕緣。而且進(jìn)線門形架設(shè)置的電站型避雷器的作用與進(jìn)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(hù)的配置及定值

根據(jù)調(diào)度繼保專業(yè)的意見，現(xiàn)有保護(hù)方式及定值滿足中性點(diǎn)避雷器安裝后的運(yùn)行要求，主變保護(hù)配置及定值不作修定。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，原來10 kV 供電的遠(yuǎn)距離重載線路逐步改造為35 kV 單進(jìn)線變電站。對(duì)該類變電站設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮雷電侵入波造成中性點(diǎn)電壓升高的防范措施;對(duì)于已投運(yùn)的該類型變壓器宜加裝中性點(diǎn)避雷器，避免雷電侵入波造成設(shè)備損壞和非計(jì)劃停運(yùn)。

參與文獻(xiàn):

［1］裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合，DL/T 620-1997［S］.

［2］胡國(guó)根，王戰(zhàn)鐸.高電壓技術(shù)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1998.