終端變電站單相接地故障時變壓器中性點過電壓仿真與分析

周象賢，孫 翔，金佳敏

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

終端變電站單相接地故障時變壓器中性點過電壓仿真與分析

周象賢1，孫 翔1，金佳敏2

（1.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000）

110 kV與220 kV變電站中存在部分中性點不接地變壓器，其中性點與地間一般接有保護間隙。運行經驗表明，終端變中不接地變壓器在進線單相接地故障時容易發生間隙擊穿并導致間隙過流保護動作，但目前的研究都沒有解釋為何非終端變不容易發生此類事故。通過典型的終端變與非終端變變壓器中性點過電壓的仿真，對比分析了這兩類變電站在進線單相接地故障時的電氣量變化過程，從而解釋了終端變易發生保護動作的原因。

終端變電站；中性點；過電壓；仿真

0 引言

目前，110 kV和220 kV變電站中多臺變壓器并列運行時，出于繼電保護的需要，一般只取其中1臺變壓器中性點直接接地，其他變壓器中性點懸浮，即部分變壓器不接地。為了保護不接地變壓器的中性點絕緣，通常會在不接地變壓器中性點安裝并聯的棒-棒間隙和避雷器。其中棒-棒間隙用于工頻過電壓的保護，而避雷器用于雷電過電壓的保護[1-3]。

運行經驗表明，位于輸電網絡終端的變電站容易在單相接地故障時出現中性點間隙擊穿并且無法自行熄弧的情況，中性點持續過流將導致保護動作并使變壓器跳閘，對供電可靠性構成了嚴重威脅。對于這一問題，國內已經有一些研究，但是多數集中在變壓器中性點保護間隙為何會擊穿的分析上，這些研究都沒有解釋為何終端變電站（簡稱終端變）容易出現間隙過流保護動作。

通過仿真計算，對比了終端變和非終端變在進線單相接地故障時不接地變壓器中性點過電壓情況，分析了故障發生后各個階段的母線電壓與中性點電流變化，從而揭示了終端變出現不接地變壓器跳閘的根本原因，并對可行的防范措施進行了分析。

1 仿真模型

1.1 變電站接線方式

選取了典型的終端變與非終端變進行了線路單相接地故障時過電壓仿真，具體接線方式如圖1所示。

圖1 變電站接線方式

圖1（a）為220 kV終端變，該變電站通過1回30 km的線路與500 kV 1號變電站相連，線路正序阻抗為0.3 Ω/km，零序阻抗0.9 Ω/km。500 kV 1號變電站220 kV母線短路容量為 3 000 MVA，母線電壓為231 kV。220 kV終端變內的2臺變壓器型號為SFSZ10-180000/220，接線方式為YNynOd11，其中1號主變壓器（簡稱主變）高壓側與中壓側中性點直接接地、2號主變高壓側與中壓側均不接地，通過并聯的棒-棒間隙和避雷器保護變壓器中性點絕緣，其中棒-棒間隙長度為300 mm。故障前變電站110 kV側母線有功負荷為120 MW、無功負荷為20 MW，35 kV側母線無負荷，功率因數為0.9。

圖1（b）所示為非終端變的接線情況，該變電站由2個不同的上級變電站分別通過1號線路和2號線路同時供電，線路長度分別為30 km與20 km，其他設備和系統參數與圖1（a）一致。

1.2 故障過程設定

在仿真中終端變與非終端變的故障過程設置一致。在仿真時間為25 ms時，1號線路中點位置處A相發生金屬性接地故障，接地故障產生了暫態過電壓，當中性點暫態過電壓峰值達到擊穿電壓值（接近操作過電壓擊穿值）時，2號主變中性點間隙擊穿，由于間隙熄弧能力較差，并假設此時天氣條件不利，導致間隙形成續流。110 ms時，線路保護動作，A相線路兩側斷路器同時跳開。如果不接地變壓器中性點電流大于100 A并且持續500 ms，間隙過流保護將會動作，跳開2號主變三側斷路器。無論間隙過流保護是否動作，A相線路兩側斷路器會在1 200 ms時重合1次。

2 仿真結果與分析

2.1 暫態過電壓

在選擇變壓器中性點保護間隙時，已經避開了單相接地故障時可能產生的穩態過電壓，多數情況下導致中性點間隙擊穿的是故障過程中的暫態過電壓，而不是穩態過電壓。因此，單相接地故障過程中產生的變壓器中性點暫態過電壓峰值決定了是否會發生間隙擊穿。

間隙擊穿電壓有著較大的分散性，對長度為300 mm的棒-棒間隙而言，工頻擊穿電壓有效值為117.1 kV、負極性雷電50%放電電壓為252.7 kV[4]，所以操作沖擊放電電壓應介于兩者之間。

2.1.1 短路時刻電壓相位對暫態過電壓的影響

從過電壓的計算結果可見，單相接地故障時故障相的電壓相位對于暫態過電壓峰值有著重要影響，以圖1（a）所示的終端變接線方式為例，假設2號主變中性點間隙不擊穿的情況下，對2號主變中性點暫態過電壓峰值隨故障時刻電壓相位（正弦）間的關系進行了計算，結果如表1所示。

表1 暫態過電壓峰值與故障相電壓相位關系

由表1可見，暫態過電壓峰值隨短路時刻電壓相位變化的范圍非常大，其絕對值在57～208kV之間變化，并且電壓相位為0°和180°時過電壓峰值取得最小值，電壓相位為90°和270°時取得最大值。為了獲得過電壓最大值，以下所有過電壓計算中，短路時刻故障相電壓相位均取90°。

2.1.2 故障位置對暫態過電壓的影響

線路單相接地故障位置離變電站的距離也會對變壓器中性點暫態過電壓峰值產生影響，表2為圖1（a）所示的終端變接線方式下，不同故障位置時的過電壓峰值計算結果。由表2可知在不同的位置發生單相接地故障時，過電壓峰值也會有所差異。

表2 故障位置對終端變中性點暫態過電壓峰值的影響

2.1.3 是否為終端變對暫態過電壓的影響

表3為圖1（b）中非終端變接線方式下，1號線路中點位置處發生單相接地故障時，2號主變中性點過電壓峰值計算結果?？梢娫?號線路的長度發生變化時，過電壓峰值變化幅度較大。總體而言，非終端變暫態過電壓峰值略小于終端變過電壓峰值，但是非終端變的暫態過電壓峰值也可以導致變壓器中性點間隙發生擊穿。

表3 非終端變暫態過電壓峰值

由上述分析可見，非終端變比終端變發生間隙擊穿的可能性稍小一些，但是由于間隙擊穿受電壓相位、故障點位置、間隙擊穿電壓的分散性等一系列因素的影響，暫態過電壓峰值的差異不足以解釋為何變壓器間隙過流保護動作通常只發生在終端變。

2.2 穩態過電壓

2.2.1 終端變穩態過電壓計算

圖2所示為圖1（a）中的終端變接線方式下1號線路中點發生A相接地故障時，2號主變220 kV側的零序電壓和2號主變中性點電流。在圖2（a）中，線路單相接地故障時的暫態過電壓導致2號主變中性點間隙擊穿。線路單相接地時，終端變220 kV母線A相電壓大幅降低，使2號主變220 kV側零序電壓有效值達到28.6 kV。由于棒-棒間隙的熄弧能力較差，在不利的天氣條件下容易發生續流，如圖2（b）所示，在單相接地故障期間2號主變中性點電流有效值為1 320 A。

圖2 終端變在單相接地故障后的電壓與電流

仿真時間為110 ms時，保護動作跳開線路兩側斷路器，此時系統進入非全相運行階段。A相失電后，B相與C相繞組所產生的磁通ΦB與ΦC將會穿過A相繞組，如圖3所示，使得A相繞組產生感應電壓。當不考慮A相繞組的負荷電流時，這一感應電壓將等于A相繞組額定電壓。但是由于變壓器A相二次繞組存在負荷電流，會產生漏磁通。在負荷電流為感性的情況下，該漏磁通會部分抵消A相繞組中主磁通，導致A相繞組中穿過的總磁通減小，從而使得A相感應電壓低于額定電壓值。

由上述分析可見線路單相跳閘后母線A相電壓未能完全恢復正常，此時母線零序電壓依然存在，仿真顯示母線零序電壓有效值為8.7 kV。在這一零序電壓的作用下，2號主變中性點間隙仍然能夠保持續流，但電流從1 320 A降低為433 A。由于該電流仍然大于間隙過流保護定值，在電流持續500 ms后間隙過流保護動作，跳開2號主變三側斷路器。

2號主變三側斷路器跳開后，其中性點電流消失，由于此時終端變從2臺主變零序阻抗并聯變為單臺主變零序阻抗，220 kV母線零序電壓從8.7 kV增大至15.7 kV。線路重合閘后，母線A相電壓完全恢復正常，零序電壓消失。

2.2.2 非終端變穩態過電壓計算

圖4所示為圖1（b）中的非終端變接線方式下，1號線路中點發生A相接地故障時，2號主變220 kV側的零序電壓和2號主變中性點電流。在圖4（a）中，與終端變仿真結果類似，線路單相接地故障時的暫態過電壓導致2號主變中性點間隙擊穿。線路單相接地時，非終端變2號主變220 kV側零序電壓有效值為28.8 kV。該零序電壓同樣會導致間隙擊穿后發生續流，間隙電流有效值為1 333 A。可見單相接地故障至線路跳閘的時間段內，非終端變的穩態電壓電流與終端變類似。

圖3 非全相運行時變壓器中的磁場分布

圖4 非終端變在單相接地故障后的電壓與電流

在線路跳閘后，非終端變由于有500 kV 2號變電站供電，其220 kV母線A相電壓迅速恢復正常，如圖4所示，導致母線零序電壓降為0。沒有零序電壓后，間隙無法續流，會自然熄滅。由于2號主變中性點電流降為0，已投入的間隙過流保護將返回，從而避免了主變三側跳閘。

由上述分析可見，非終端變與終端變運行狀態的最主要區別是，前者母線電壓在故障線路跳閘后能夠迅速恢復，從而不會出現間隙續流和主變三側跳閘情況。

3 防止變壓器保護誤動作的措施

由于棒-棒間隙擊穿具有較大的分散性，在不利的電壓相位、故障位置等因素的影響下，變壓器中性點保護間隙在單相接地故障暫態過電壓作用下可能會發生擊穿。完全避免保護間隙擊穿是難以做到的，但是防止終端變不接地變壓器出現三側跳閘是有可能的，目前可用的措施包括：改變壓器部分接地為全部接地；更改間隙過流保護動作時間。

將終端變中的變壓器部分接地改為全部接地能夠徹底取消擊穿電壓分散性較大、熄弧能力較差的棒-棒間隙，但是變壓器全部接地將導致系統零序網絡發生變化，影響到系統保護的配置，其可行性需要作深入分析。

終端變在線路重合閘后母線電壓將完全恢復正常，間隙續流將熄滅，因此將終端變中的不接地變壓器間隙過流保護動作時間從500 ms改為大于線路重合閘時間，能夠避免線路單相接地故障時發生主變三側跳閘事故。間隙過流保護動作時間增大將導致不接地變壓器承受零序電流的時間變長，但這不應該是否定這項措施的理由，因為如果不接地變壓器三側跳閘后直接接地變壓器中可能有更大的零序電流通過。圖5為圖1（a）中終端變接線形式下1號線路中點發生A相接地時1號主變中性點的電流計算結果，可見當2號主變由于間隙過流保護動作三側跳閘后，1號主變中性點電流從368 A增大為726 A，并且一直持續至線路重合閘。

對于雙回路進線的終端變，還可采用不平衡絕緣以確保線路不發生雙回同跳，只要仍有1回線路為全相運行，故障線路單相跳閘后終端變母線零序電壓就會消失，從而間隙電弧也會熄滅。

圖5 終端變在單相接地故障后1號主變中性點電流

4 結論

通過對典型終端變與非終端變的仿真研究，得到了如下結論：

（1）線路單相故障時，導致不接地變壓器中性點保護間隙擊穿的是暫態過電壓，而不是穩態過電壓。

（2）線路單相故障時變壓器中性點過電壓峰值受短路時刻電壓相位、故障位置的影響較大，非終端變中性點過電壓比終端變稍小，但不是導致終端變易出現主變三側跳閘的主要原因。

（3）線路單相故障時終端變易發生主變三側跳閘的原因是間隙擊穿后發生了續流，并且終端變在線路重合閘前母線零序電壓沒有消失，導致續流時間長于間隙過流保護動作時間整定值，最終導致間隙過流保護動作。

（4）間隙過流保護動作時間躲開線路重合閘時間是防止其在單相接地故障時誤動作的有效措施，而無需顧忌變壓器是否能夠耐受零序電流的問題。

[1]于化鵬，陳水明，余宏橋，等.110 kV變壓器中性點過電壓的計算及其保護策略[J].電網技術，2011，35（3）∶152-158.

[2]蔣偉，吳廣寧，張雪原，等.單相短路對110 kV和220 kV變壓器中性點絕緣的影響及其防護[J].變壓器，2007，44（11）∶5-8.

[3]DL/T 620-1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].北京：中國電力出版社，1997.

[4]何智強，單周平，李欣.220 kV變電站主變保護間隙擊穿原因分析[J].湖南電力，2013，33（4）∶41-43.

（本文編輯：楊 勇）

Simulation and Analysis of Transformer Neutral Point Overvoltage During Single-phase Grounding Fault of Terminal Substation

ZHOU Xiangxian1，SUN Xiang1，JIN Jiamin2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

Some transformer neutral points in 110 kV and 220 kV substations are not grounded，and there is usually a protection gap between neutral point and ground.The operation experience shows that the neutral gap of transformer in terminal substation is prone to be broken down during single phase grounding fault，leading to over current protection of protection gap.However，the existing research has not explained why the non-terminal substations are invulnerable to such accidents.Through simulation on neutral point overvoltage of transformers in both terminal and non-terminal substations，the paper compares and analyzes electrical quantity alternation of the two substations during single-phase grounding fault，which explains the reason of protection action that frequently occurs in terminal substation.

terminal substation；neutral point；overvoltage；simulation

TM401+.1

A

1007-1881（2015）05-0001-05

2014-10-10

周象賢（1987），男，博士，工程師，從事高電壓設備試驗與研究工作。