雷電侵入引起變壓器中性點(diǎn)過電壓及策略研究

呂超

摘？要：本文針對(duì)110 kV線路在遭受雷擊發(fā)生故障時(shí)，因主變中性點(diǎn)暫態(tài)過電壓進(jìn)而間隙擊穿，中壓側(cè)間隙保護(hù)早于線路保護(hù)動(dòng)作跳開主變?nèi)齻?cè)開關(guān)實(shí)例。采用PSCAD（功率系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，Power Systems Computer Aided Design）軟件進(jìn)行仿真，分析雷擊時(shí)中性點(diǎn)電壓，從中性點(diǎn)的間隙距離、絕緣水平、變壓器與線路間保護(hù)配置等方面，制定相關(guān)措施，為變電器中性點(diǎn)過電壓后續(xù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：變壓器中性點(diǎn)；間隙保護(hù)；仿真分析；相關(guān)措施

變電站中性點(diǎn)接地系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下有利于系統(tǒng)零序保護(hù)的配置和保護(hù)。在目前的220 kV變電站中，配備2臺(tái)及以上變壓器并連接于母線之上。其中高、中壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地的變壓器不會(huì)產(chǎn)生過電壓，出于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和繼電保護(hù)的需要，對(duì)于不接地系統(tǒng)一般會(huì)并聯(lián)避雷器并安裝間隙保護(hù)，由于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和主后備保護(hù)的配置，需要進(jìn)行保護(hù)間協(xié)調(diào)和配合。

雷雨天氣中，線路易受雷擊發(fā)生單相接地故障，進(jìn)而易造成與之相連的變壓器過電壓。在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，220 kV終端變電站進(jìn)出線在受到雷擊發(fā)生故障時(shí)，中性點(diǎn)處間隙可能因暫態(tài)過電壓擊穿，由于零序不平衡電壓存在導(dǎo)致間隙續(xù)流，間隙保護(hù)動(dòng)作。

1 雷擊故障概況

1.1正常運(yùn)行方式

220 kV變電站共2臺(tái)主變，設(shè)備型號(hào)為SSZ-240000/220，主接線方式220 kV、110 kV均為雙母接線方式。220 kV母聯(lián)開關(guān)、110 kV母聯(lián)開關(guān)運(yùn)行，#1主變?nèi)齻?cè)分別接220 kV正母、110 kV正母、35 kV I段母線運(yùn)行，#2主變?nèi)齻?cè)分別接220 kV副母、110 kV副母、35 kVⅡ段母線運(yùn)行，35 kV母分開關(guān)熱備用，#1主變220 kV、110 kV中性點(diǎn)直接接地，#2主變220 kV、110 kV中性點(diǎn)均不接地運(yùn)行，只在間隙處并聯(lián)避雷器。

1.2 雷擊過程分析

1.2.1 保護(hù)動(dòng)作行為

依據(jù)強(qiáng)天氣預(yù)警，結(jié)合當(dāng)日強(qiáng)降雨、強(qiáng)雷電等情況，線路1因?yàn)槔讚魲U塔造成雷電波入侵，反擊雷擊穿耐張絕緣子沿面，與大地形成通路，造成C相瞬時(shí)性接地短路故障，故障距離8.4 km，三相電壓不平衡導(dǎo)致220 kV變電站#2主變110 kV中性點(diǎn)放電間隙被擊穿，#2主變第一、二套保護(hù)中壓側(cè)間隙保護(hù)動(dòng)作，#2主變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳開，而后線路1的線路保護(hù)距離Ⅱ段、零序Ⅱ段出口，跳開線路1開關(guān)，經(jīng)1578 ms后線路保護(hù)重復(fù)合閘動(dòng)作，開關(guān)重合成功。

1.2.2 雷擊故障分析

通過現(xiàn)場(chǎng)檢查和保護(hù)動(dòng)作報(bào)告情況，并調(diào)取故障時(shí)刻的錄波圖形，如圖2所示，進(jìn)行分析判斷。

線路1的C相接地短路瞬時(shí)性故障發(fā)生時(shí)，#2主變中性點(diǎn)電壓和110 kV正母中性點(diǎn)電壓存在明顯振蕩，瞬時(shí)最大值達(dá)75.9 kV，由于電壓互感器采樣頻率較低，實(shí)際最大電壓值應(yīng)顯著大于該值。穩(wěn)態(tài)電壓最大值約為35 kV。

線路1的C相接地短路瞬時(shí)性故障發(fā)生時(shí)，#2主變中性點(diǎn)電流隨即產(chǎn)生并持續(xù)至變壓器三側(cè)跳閘，因此可判斷中性點(diǎn)間隙擊穿后導(dǎo)通。

2 雷擊中性點(diǎn)過電壓仿真分析

2.1 仿真系統(tǒng)

針對(duì)本次故障選用PSCAD軟件進(jìn)行仿真分析，通過對(duì)變電站內(nèi)變壓器、進(jìn)出線路、站內(nèi)設(shè)備等進(jìn)行相關(guān)建模，同時(shí)依據(jù)實(shí)際線路運(yùn)行情況，結(jié)合軟件要求，選取長(zhǎng)度為100 km的同桿塔雙回線，110 kV實(shí)際運(yùn)行電壓可達(dá)正常值1.15倍，變電站內(nèi)的線路波為79 Ω，其速度設(shè)為2.5×108 m/s，站內(nèi)避雷器和中性點(diǎn)處避雷器選取YH10WZ-102/265和Y1.5W-72/144。

當(dāng)線路發(fā)生雷擊時(shí)，變電站內(nèi)接收到線路帶來的侵入波，同時(shí)主變中性點(diǎn)產(chǎn)生較大的過電壓，中性點(diǎn)直接接地可導(dǎo)入大地，不接則過電壓數(shù)值可觀。基于此分析不同雷電情況作用下，主變中性點(diǎn)不接地的電壓情況。

2.2 雷電反擊過電壓

通常雷反擊時(shí)，雷道波形抗選取300 Ω，其雷電流為負(fù)極性的雙指數(shù)型波，大小為2.5/50 μs。變電站主要設(shè)備站可等效為接地電容形式，具體等效參數(shù)如表1所示。

雷擊到達(dá)線路及其桿塔時(shí)，電位會(huì)快速上升，甚至可以直至絕緣子串被擊穿，經(jīng)過桿塔導(dǎo)線接地。經(jīng)過相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，反擊雷的大小為230 kA左右。

在設(shè)定雷電流230 kA情況下，分別研究桿塔位置不同時(shí)，雷電反擊線路A相時(shí)，此時(shí)連接線路的變電站內(nèi)主變中性點(diǎn)過電壓變化情況，具體如圖3和圖4所示。

從圖3可以看出，變電站進(jìn)線桿塔受到雷擊時(shí)，A相線路接地，順沿接地線路雷電波導(dǎo)入變電站，#2主變?nèi)嗖黄胶怆妷海灾轮行渣c(diǎn)過電壓。暫態(tài)最大值達(dá)到121 kV，穩(wěn)態(tài)時(shí)最大值超過38 kV，穩(wěn)態(tài)電壓略大于實(shí)際錄波數(shù)值，是因?yàn)榉抡嬷邢到y(tǒng)電壓選擇為126.5 kV。

從表2可以看出，反擊雷作用下中性點(diǎn)電壓的數(shù)值隨故障距離的增加而降低，波前時(shí)間隨故障距離的增加而變大。本次事故的故障距離約為8.4 km，對(duì)應(yīng)的波前時(shí)間計(jì)算值為73.6 μs。

2.3 雷電繞擊過電壓

雷電流能夠引起反擊，也會(huì)繞過避雷線，直接擊中導(dǎo)線。在繞擊雷試驗(yàn)中，雷道波阻抗為800 Ω，雷電電流一般為30 kA左右。

在設(shè)定雷電流30 kA情況下，分別研究故障位置不同時(shí)，雷電繞擊線路A相時(shí)，此時(shí)連接線路的變電站內(nèi)主變中性點(diǎn)過電壓變化情況，具體如表3所示。

從表3可以看出，繞擊雷作用下中性點(diǎn)電壓的幅值隨故障距離的增大先增大后減小，波前時(shí)間隨故障距離的增大而增大。

3 預(yù)防策略

根據(jù)變電站內(nèi)雷擊實(shí)際情況，結(jié)合仿真分析結(jié)果，針對(duì)主變中性點(diǎn)過電壓預(yù)防策略，從中性點(diǎn)的間隙距離、絕緣水平、變壓器與線路間保護(hù)配置等方面制定相應(yīng)的預(yù)防措施。

中性點(diǎn)間隙布置以水平方式布置，棒間隙的距離選擇考慮工頻擊穿電壓小于避雷器運(yùn)行電壓，參考油浸式變壓器的相關(guān)要求，推薦110 kV選用105～115 mm的間隙安裝規(guī)范。

避雷器可以較好限制雷電過電壓的幅值，其動(dòng)作條件一方面取決于過電壓的幅值，另一方面也取決于侵入波的陡度。因此在線路適當(dāng)位置串接磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻可有效降低變壓器雷電過電壓。

中性點(diǎn)裝設(shè)擁有放電間隙的220 kV分級(jí)絕緣變壓器，配置了間隙零序電流保護(hù)。該保護(hù)僅在間隙擊穿時(shí)動(dòng)作。220 kV變壓器110 kV側(cè)中性點(diǎn)間隙零序電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間按與110 kV出線保護(hù)靈敏段時(shí)間配合設(shè)定，級(jí)差取0.3 s。

4 結(jié)論

本文選取220 kV變電站110 kV線路遭雷擊發(fā)生單相接地故障的案例，通過雷擊故障分析，并采用PSCAD軟件進(jìn)行仿真，分析雷擊時(shí)中性點(diǎn)電壓，從中性點(diǎn)間隙距離、絕緣水平、變壓器與線路間保護(hù)配置等方面，制定相關(guān)措施，為變電器中性點(diǎn)過電壓后續(xù)研究提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋坤宇，趙曉鳳，王增彬，等.220 kV變壓器中性點(diǎn)串抗過電壓仿真分析[J].變壓器，2020，57（6）：49-53.

[2] 伍國(guó)興，陳龍，張繁，等.220 kV變壓器中性點(diǎn)過電壓仿真計(jì)算與新型保護(hù)措施配置研究[J].高電壓技術(shù)，2019，45（增刊）.

[3] 王荊，馬龍濤，王曉濤，等.110 kV變壓器中性點(diǎn)用帶并聯(lián)間隙避雷器參數(shù)配合特性研究[J].高壓電器，2020（10）：106-111.

[4] 韓雨川，鄒國(guó)平，何文林，等.220 kV變電站中壓側(cè)雷電波侵入引起中性點(diǎn)過電壓的仿真分析[J].能源工程，2017（7）：49-53.

[5] 關(guān)永剛，廖福旺，岳功昌，等.應(yīng)用高頻磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻抑制變壓器雷電過電壓的方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010（09）：155-160.

[6] 陳銳，王書友，張德廣.110 kV和220 kV變壓器中性點(diǎn)過電壓及保護(hù)分析[J].變壓器，2013，50（1）：33-37.