中性點空氣間隙擊穿事故的仿真分析

陸忠心，李衛彬，瞿衛東，丁 丁，高勤踐

（1.國網上海市電力公司長興供電公司，上海 201913；2.國網上海市電力公司崇明供電公司，上海 202150）

0 引言

35 k V系統作為配網的主干網，其安全運行直接關系到客戶的用電。隨著35 k V系統規模的擴大，35 k V系統的防雷問題越來越突出，各地發生的多起線路遭受雷擊導致系統事故的教訓值得重視和警惕。

針對35 k V紅星變電站變壓器中性點接線樁頭與A相接線排放電，空氣間隙擊穿所引發的過電壓事故進行了分析。該事故引發差動保護動作，高低壓斷路器跳閘，10 k V母線失電。

1 事故過程及初步分析

35 k V紅星變電站為單母線、單主變接線方式，主變中性點不接地（但該系統為有效接地系統），其一次接線圖如圖1所示。

圖135 k V紅星變電站一次接線

2012年7月14日15：49，35 k V紅星變電站主變差動保護動作，高低壓斷路器跳閘，10 k V母線失電。事故發生后，在變壓器中性點接線樁頭與A相接線排處發現明顯放電痕跡，如圖2所示。可以初步確定是一起由于該處發生空氣擊穿，導致保護動作跳閘所引起的事故。

圖2 中性點接線樁頭與A相接線排放電痕跡

在故障發生當天，長興地區為雷雨天氣。通過雷電定位系統查核落雷時間、位置和幅值數據。2012年7月14日15：48至15：49時段，該地區共計落雷14次，落雷幅值最大為－41.1 k A，最小為－8 k A，如表1所示。落雷14次中，3次落雷有1次回擊，1次落雷有2次回擊，1次落雷有3次回擊。長興地區落雷分布如圖3所示。

表12012 年7月14日落雷時間、位置和幅值

圖37 月14日15：48至15：49落雷分布

35 k V紅星變電站斷路器動作時間為7月14日15：48：550，雷電定位系統時間基準比紅星變電站時間基準約快50 s，因此可以認為此次事故的雷擊相關性很強，可以大致判斷為雷電過電壓侵入主變所致。該站只有一條新紅35 k V進線，避雷器無計數器，無法判斷有無動作。根據現場狀況，初步分析是該站的進線遭受雷擊，雖然由站外線路避雷器進行了限制，但由于線路避雷器的雷電沖擊電流殘壓較高（134 k V），仍可能有較高幅值的雷電過電壓沿進線侵入該站母線。

2 反擊雷仿真分析

根據35 k V紅星變電站主變尺寸資料，A相接線排和中性點接線樁頭之間距離為43 cm，根據1.5／40（＋）棒－板空氣間隙擊穿曲線［1－3］，可大致推算A相接線排和中性點接線樁頭之間的空氣擊穿電壓為200 k V。為了進一步確定事故原因，針對可能引發事故的反擊雷進行了仿真，根據該站的電氣系統結構及設備參數，構建了反擊雷仿真電路。

在雷電電壓下，由于雷電波的頻率很高，電感效果不予考慮，但是可以將變電站中的設備等效為電容，即仿真時變壓器入口電容為1000 p F，電磁式電壓互感器入口電容為100 p F，斷路器入口電容為200 p F，隔離斷路器入口電容為50 p F，電流互感器入口電容為50 p F。

避雷器所用的伏安特性曲線如圖4所示，從圖4中選取相應的轉折點的伏安數據就可以將避雷器分段擬合為一非線性電阻。

圖4 避雷器伏安特性曲線

桿塔的模型一般可由一系列的波阻抗和接地電阻來等效，其中波阻抗可由桿塔的尺寸計算得到。波阻抗的等效模型采用Π型。仿真中雷電電源加在桿塔上，當圖2中A相的絕緣子閃絡就形成了反擊雷。反擊時的雷電流幅值可根據桿塔高度、絕緣子50%閃絡電壓等近似計算，本文選擇雷電流為20 k A進行仿真計算。此時A相、B相、C相端子和中性點上的電壓波形和幅值如圖5所示。

圖5 三相電壓及中性點電壓波形

由圖5可以看出，由于雷電反擊的緣故，使得A相的電壓波形方向和B相、C相方向相反，此時變壓器三相和中性點的電壓差如圖6所示。

圖6 變壓器三相和中性點電壓差

各部分過電壓值的仿真結果如表2所示。

表2 各部分過電壓數值 k V

由表2數據可以看出，在反擊雷下，A相和中性點的電壓差達到200 k V，已經達到了空氣間隙的擊穿電壓。這是因為A相電壓和中性點O的電壓波形方向相反，雖然兩者的過電壓不是很高，但兩者之間會產生比較高的電壓差，造成兩者之間的空氣間隙擊穿，進而造成事故。屠幼萍在《氣隙的擊穿特性》（第4講）中指出：在標準波形下，棒－棒及棒－板空氣間隙的雷電沖擊50%擊穿電壓下，空氣的擊穿電壓與間隙距離的關系，呈現為近似直線。

根據35 k V紅星變電站主變尺寸：A相接線排和中性點接線樁頭之間距離為43 cm，中性點接線樁頭以及A相、B相、C相接線排至外殼距離為70 cm。由1.5／40（＋）棒－板空氣間隙擊穿曲線［7］可大致推算：A相接線排和中性點接線樁頭之間的閃絡電壓為290 k V；中性點接線樁頭和三相接線排對地閃絡電壓為265 k V。根據GB 1094.3—2003《電力變壓器第3部分：絕緣水平、外絕緣試驗和外絕緣空氣間隙》中表5，可再次確定A相接線排和中性點接線樁頭之間的雷電沖擊閃絡電壓至少為200 k V。

3 改進措施和完善建議

從確保設備安全運行的角度考慮，不論是中性點對A相接地排放電擊穿空氣間隙，還是A相接地排對中性點放電擊穿空氣間隙，都應該避免。據此，制定如下防范措施和建議。

1）加裝中性點避雷器，以便抑制雷電侵入波導致的中性點電位升高，從而避免此類事故的重復發生。該方法已在其他網省公司得到應用［7］。

DL／T620—1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合中第7.3.5條指出：有效接地系統中的中性點不接地的變壓器，如中性點采用分級絕緣且未裝設保護間隙，應在中性點裝設雷電過電壓保護裝置，且宜選變壓器中性點金屬氧化物避雷器。如中性點采用全絕緣，但變電所為單進線且為單臺變壓器運行，也應在中性點裝設雷電過電壓保護裝置。

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。

根據DL／T 804—2002《交流電力系統金屬氧化物避雷器使用導則》中表8變壓器中性點用避雷器額定電壓Ur的建議值：全絕緣、系統標稱電壓35 k V為51 k V。據此可按現有35 k V母線避雷器參數選用中性點避雷器（在單相接地故障下，中性點升高為相電壓時，避雷器持續運行電壓滿足工況要求）。

2）根據使用年限及避雷器的運行狀況，建議調換35 k V紅星變電站主變及線路側避雷器，提高紅星變電站雷電過電壓“2道防線”的可靠性，從而降低避雷器閥片性能老化的風險。

3）根據2011年頒發的《上海電網若干技術原則的規定（第四版）》第2.5.6條電網的供電可靠性要求：應符合國家電網公司《城市電力網規劃設計導則》中“電網供電安全準則”規定，力爭做到檢修方式下的“N－1”安全要求，建議將長興電網單電源、單主變進線設備改造成雙電源雙主變。

4）其它35 k V變電站如果系統接線及運行方式相同，也有類似事故，可參考采用相應的反事故措施建議。

4 結語

通過對一起35 k V變電站的變壓器中性點空氣擊穿事故仿真計算，分析了在雷電反擊狀況下變壓器中性點和A相接線排之間的電壓分布狀況。結果表明：當存在反擊時會引發A相接線排和中性點接線樁頭之間空氣擊穿，導致變電站發生過電壓故障。

［1］ 施圍，邱毓昌，張喬根.高電壓工程基礎［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］ 嚴璋，朱德恒.高電壓絕緣技術［M］.北京：中國電力出版社，2000.

［3］ GB 1094.3—2003.電力變壓器第3部分絕緣水平：外絕緣試驗和外絕緣空氣間隙［S］.

［4］ GB 11032—2010.交流無間隙金屬氧化物避雷器［S］.

［5］ 王秉鈞.金屬氧化物避雷器［M］.北京：水利水電出版社，1993.

［6］ 解廣潤.電力系統過電壓［M］.北京：水利水電出版社，1985.

［7］ 許紅兵，馬燦明，包曉東.35k V主變中性點避雷器的運用［J］.供用電，2006，23（1）：55-57.