變壓器中性點過電壓分析與絕緣配合

楊智,詹江楊,徐星,玉林威,鄒國平,陳向榮

(1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院,杭州 310014;2.浙江大學 電氣工程學院 浙江省電機系統智能控制與變流技術重點實驗室,杭州 310027)

0 引 言

目前,我國110 kV系統通常采用中性點有效接地的方式,但考慮到限制單相接地電流和繼電保護的需要,同時為了便于實現變電站在不同運行方式下的零序保護及減小對通訊網絡的干擾,系統中存在部分變壓器中性點不接地運行[1-2]。但對于中性點不接地變壓器,當系統發生單相接地、單相斷線以及雷擊桿塔和線路等故障時,變壓器中性點會產生較大的過電壓,對中性點絕緣造成較大威脅。因此有必要對變壓器中性點過電壓開展研究,確定相應的中性點絕緣保護方案。

針對上述問題,國內外學者開展了廣泛的研究。文獻[3]提出了在雷電沖擊電壓下的精確簡化的變壓器高頻模型,在不同的平衡負載下驗證了模型的準確性。文獻[4]考慮接地效應,建立了變壓器接地系統的頻域模型,在ATP-EMTP中對變壓器過電壓進行了時域計算。文獻[5]提出一種基于羊角電極的新型復合間隙,很好的抑制了間隙放電電極的燒蝕現象,同時保證了放電電壓的穩定性。文獻[6]改進常用的棒-棒間隙,研制了新型棒-板-棒組合保護間隙,降低了工頻放電電壓,提高了雷電沖擊放電電壓。文獻[7]提出一種水間隙,即通過控制水流的形成減小間隙的放電分散性,利用水間隙和避雷器并聯來共同保護110 kV變壓器中性點。文獻[8]提出了一種球-球電極保護間隙,間隙利用被保護點的過電壓進行觸發控制,實現了與現有的中性點保護避雷器的理想配合。文獻[9]提出利用小電抗接地的變壓器中性點保護方式,大幅減小中性點過電壓且無需安裝放電間隙。但是,如何實現變壓器中性點保護更加優化的絕緣配合,仍需進行全面系統的工作。

文中采用PSCAD電磁暫態仿真軟件,基于浙江雙嶼變電站的實際線路參數,搭建了110 kV輸電系統,針對線路中的單相接地、單相斷線及雷擊等故障,對變電站主變壓器中性點的過電壓進行了仿真計算。根據仿真結果提出了系統變壓器中性點的絕緣保護方案。為實現放電間隙和避雷器的良好配合,分析了棒-棒間隙距離的選擇方法,得到110 kV系統棒-棒間隙距離的最優取值。

1 110 kV輸電系統模型建立

1.1 系統結構和線路參數

選取浙江雙嶼變電站為研究對象,建立的110 kV輸電系統仿真模型結構如圖1所示。系統通過同塔雙回線路對變電站進行供電。架空線路長100 km,采用6分裂LGJ-400/35鋼芯鋁絞線。輸電線路桿塔為六角形結構,系統用兩臺主變壓器為不同電壓等級區域輸送電能,主變壓器中壓側和高壓側均采用避雷器并聯保護間隙的方式對變壓器中性點進行保護,避雷器型號為Y1.5W-72/186。

圖1 110 kV輸電系統結構

1.2 桿塔模型

考慮到雷擊時雷電波在桿塔內的傳播特性,目前通常采用集中電感、單波阻抗、多波阻抗3種模型[10-11]。集中電感模型便于計算,但是忽略了桿塔的波過程,會造成比較大的誤差;單波阻抗模型有較高的計算精度,但忽視了橫擔支柱的影響;多波阻抗模型則能夠全面真實的反映波在桿塔中的傳播情況。文中采用Hara無損多波阻抗模型,其結構如圖2所示。

圖2 多波阻抗模型結構

1.3 絕緣子模型

我國現行規程規定,當絕緣子兩端電壓峰值達到U50%時,即判定絕緣子發生閃絡。根據相交法,絕緣子伏秒特性曲線與兩端過電壓波形的交點即為閃絡點,在仿真中利用壓控開關模擬絕緣子[12-13]。絕緣子的伏秒特性曲線由IEEE提出的式(1)得到:

(1)

式中t為閃絡時間(μs);Lin為絕緣子的有效長度(m)。

1.4 變電站內模型

在雷電波入侵變電站時,套管、電壓互感器和隔離開關等變電站內設備可以等效為入口電容[14]。其中變壓器入口電容Cr的計算公式如式(2)所示:

(2)

式中S為三相變壓器的容量(MV·A);k、n為常數,對于110 kV 變壓器,k=540,n=3。

變電站具體等效參數經計算如表1所示。

1.5 雷電流模型

目前被廣泛使用的雷電流模型為雙指數模型,其表達式簡單,易于計算,但是這一模型只適用于雷電在某一點放電的情形。與雙指數模型相比,Hodler模型能更準確的反映雷電流的特征[15]。文中采用Hodler模型模擬雷電流。雷電流大小滿足式(3):

(3)

式中Im為峰值電流(kA);τ1為波頭時間常數(μs);τ2為波尾時間常數(μs);k為波峰修正系數。

由于線路遭受雷電過電壓大約90% 是由負極性雷電流引起的,故文中仿真雷電流采用負極性波。按照我國防雷設計標準,仿真中取τ1為2.6 μs,τ2為50 μs。反擊時雷電波阻抗取300 Ω,繞擊時雷電波阻抗取800 Ω。

2 變壓器中性點暫態電壓仿真分析

2.1 單相接地仿真

輸電線路單向接地故障是最常見的故障,單向接地故障產生的三相不平衡會導致變壓器中性點產生零序過電壓,且接地故障出現的位置和時刻與過電壓的幅值大小有很大的關系。圖3所示為1號主變進線段B相線路電壓相位為90°,在距離變電站10 km的B相架空線路處發生單向接地故障時1號和2號主變高壓側中性點典型過電壓波形。從圖中可以得出,線路1發生單相接地故障時,故障波侵入1號主變會導致中性點處產生較高的過電壓,而線路2上由于金屬導體之間的電磁感應作用會感應出過電壓波并侵入2號主變,故2號主變中性點處也會出現過電壓,但其幅值小于1號主變。

圖3 發生接地故障時變壓器中性點典型波形

對于單相接地故障發生的不同時刻和位置,仿真得到1號和2號主變高壓側中性點過電壓最大值如表2和表3所示。

表2 不同距離接地時中性點過電壓

表3 不同時刻接地時中性點過電壓

單相接地故障發生的位置與變壓器中性點過電壓幅值成反比,故障發生位置越遠,過電壓幅值越小。當單相接地故障發生距離為10 km時,暫態過電壓幅值最大,為117 kV;在相位為90°時刻發生單相接地故障,變壓器中性點產生的暫態過電壓幅值最大,這是因為相位為90°時線路相電壓處于峰值,電壓由峰值變為零會產生嚴重的振蕩波并侵入變壓器,導致中性點處產生的過電壓幅值最大。

2.2 單相斷線仿真

在系統三相輸電線路處于斷線運行狀態時,三相輸電線路出現電壓電流的不平衡,導致中性點產生過電壓。圖4所示為0.1 s時1號主變進線側斷路器的B相跳閘時1號和2號主變高壓側中性點典型過電壓波形。

圖4 發生斷線故障時變壓器中性點典型波形

1號主變高壓側中性點產生的最大過電壓約為52 kV。2號變壓器的高壓側的中性點未產生明顯的過電壓。斷路器單相跳閘所引起的中性點過電壓幅值比單向接地故障所引起的中性點過電壓幅值小。

對于單相斷線故障發生的不同時刻和位置,仿真計算得到1號和2號主變高壓側中性點過電壓大小,結果如表4和表5所示。由表4和表5可以看出:在B相斷線時變壓器中性點產生的過電壓基本保持不變,即單相斷線故障時刻及故障距離對中性點過電壓值影響很小[16-17]。

表4 不同距離斷線時中性點過電壓

表5 不同時刻斷線時中性點過電壓

2.3 雷擊仿真

2.3.1 雷電反擊過電壓

由于輸電桿塔存在阻抗,雷擊桿塔產生的雷電流會導致橫擔處電位急劇攀升,達到絕緣子閃絡電壓時會使得線路絕緣子串被擊穿,輸電線路出現接地故障。統計得到反擊雷的大小為230 kA左右。文中仿真幅值為230 kA的雷電流在距離變電站不同位置處雷擊桿塔導致輸電線路A相發生反擊,變壓器中性點過電壓的大小變化,圖5為其典型波形。因雷擊而發生絕緣子閃絡時,反擊雷電波會沿著故障相輸電線侵入1號主變并在變壓器中性點處產生過電壓,暫態過電壓的最大值接近120 kV。同時由于金屬導體間的電磁感應作用,線路2上會感應出過電壓波并侵入2號主變并在變壓器中性點處產生過電壓,暫態過電壓最大值超過90 kV。

圖5 發生雷擊故障時變壓器中性點典型波形

對于反擊發生的不同位置,仿真計算得到1號和2號主變高壓側中性點過電壓值,結果如表6所示。由表6可以看出:變壓器中性點過電壓幅值與線路發生反擊的距離大小成反比,即發生反擊的距離越遠,過電壓幅值越小。反擊發生距離為0.4 km時,暫態過電壓幅值最大,為118 kV。

表6 不同距離反擊時中性點過電壓

2.3.2 雷電繞擊過電壓

雷電流除了擊中桿塔,引起反擊之外,也會繞過避雷線,直接擊中導線。繞擊雷的大小一般取30 kA左右,雷道波阻抗取800 Ω。對于雷電繞擊桿塔發生的不同位置進行仿真計算,結果如表7所示。

表7 不同距離繞擊時中性點過電壓

表7可以看出:在線路發生繞擊時,1號主變中性點的最大過電壓約為102 kV,由于電磁耦合作用,2號主變的中性點最大過電壓約為54 kV。

3 變壓器中性點絕緣配合分析

3.1 棒-棒間隙距離的理論計算

目前110 kV系統中不接地變壓器中性點通常經過放電間隙接地,當產生工頻過電壓時,放電間隙擊穿接地,將中性點的電壓鉗制在其絕緣耐受范圍內,起到保護作用。常用的放電間隙為棒-棒間隙,其放電分散性較大,在實際運行中會出現拒動及誤動的情況,喪失其對中性點的保護作用。采用放電間隙并聯避雷器能夠克服棒-棒間隙的上述缺點。但是,必須選擇合理的間隙距離實現兩者的良好配合,文中根據110 kV系統中變壓器中性點故障時產生的過電壓幅值來確定放電間隙的距離。

在確定系統所用避雷器的條件下,放電間隙與避雷器的配合需要滿足下列關系:

(1)棒-棒間隙工頻放電電壓小于中性點工頻耐受電壓,滿足式(4):

(4)

式中Ug為棒-棒間隙工頻放電電壓(kV);Ugn為中性點工頻耐受電壓(kV);σ為棒-棒間隙工頻放電電壓標準偏差;K1為安全系數;K2為氣象修正系數;

(2)棒-棒間隙工頻放電電壓要大于有效接地中性點的最大暫態過電壓,滿足式(5):

(5)

式中Uyd為有效接地中性點的最大暫態過電壓(kV);

(3)棒-棒間隙雷電沖擊放電電壓要小于中性點雷電耐受電壓,滿足式(6):

(6)

式中Uzn為中性點雷電耐受電壓(kV)。

110 kV變壓器中性點短時工頻耐受電壓有效值為95 kV,雷電沖擊耐受電壓電壓為250 kV。Y1.5W-72/186 避雷器額定電壓為72 kV,殘壓為186 kV。仿真得到有效接地中性點的最大暫態過電壓為61 kV。根據式(4)～式(6)計算得到棒-棒間隙工頻放電電壓需介于79.05 kV～73.90 kV之間;棒-棒間隙雷電沖擊放電電壓需小于208.03 kV。

3.2 棒-棒間隙距離的實驗驗證

利用實驗室YDTW-250/250型250 kV工頻高壓發生器和CJDY-1型1 500 kV沖擊電壓發生器對棒-棒放電間隙進行工頻放電和雷電沖擊放電實驗,實驗裝置結構如圖6所示。裝置水平放置,采用端部直徑為16 mm的半球形的棒-棒電極,高壓電極置于支柱絕緣子之上,接地極采用高度可調的金屬支柱以調整兩電極處于同一高度。支柱絕緣子固定于底座上,金屬支柱采用滑塊與底座連接以調節棒-棒間隙的水平間距。

圖6 棒-棒放電間隙裝置結構圖

工頻放電實驗采用連續升壓法,升壓速度為1 kV/s,同一間隙距離下進行10次重復實驗。雷電沖擊實驗采用1.2/50 μs的負極性雷電波,同一間隙距離下進行20次重復實驗,得到U50%。試驗大廳的大氣壓氣壓為101.51 kPa,溫度為27 ℃,相對濕度為38%。實際試驗條件下的間隙擊穿電壓必須換算到標準大氣條件下才能進行比較,滿足式(7):

(7)

式中U為實際試驗條件下的間隙擊穿電壓(V);U0為標準大氣條件下的間隙擊穿電壓(V);K1為空氣密度校正因數;K2為濕度校正因數;δ為空氣的相對密度;p為氣壓,kPa;T為溫度(K);因數K取決于試驗電壓類型;指數m和ω與電極形狀、間隙距離、電壓類型及極性有關,具體取值參考有關國家標準的規定[18]。

經校正得到標準大氣壓下棒-棒間隙放電特性如圖7所示。

圖7 棒-棒間隙放電試驗

由圖7可知,棒-棒間隙的50%工頻放電電壓和50%雷電沖擊放電電壓幅值隨著間隙距離的增大而增大。棒-棒間隙距離為13 cm時50%工頻放電電壓幅值為74.39 kV,50%雷電沖擊放電電壓幅值為128.49 kV。棒-棒間隙距離為14 cm時50%工頻放電電壓幅值為78.67 kV,50%雷電沖擊放電電壓幅值為136.99 kV。將實驗結果與上述計算結果比較可以確定棒-棒間隙為13 mm～14 mm能和避雷器達到最優的絕緣配合效果。

4 結束語

(1)單相接地故障發生的位置與變壓器中性點過電壓幅值成反比,故障發生位置越遠,過電壓幅值越小。且相電壓處于峰值時,發生單向接地故障所產生的中性點過電壓最嚴重。B相電壓相位為90°,故障為10 km時的中性點暫態過電壓最大值為117.73 kV;

(2)單相斷線時中性點最大過電壓為52 kV,過電壓值較小,且過電壓大小與故障發生的時刻和位置無關;

(3)線路發生雷擊的位置距離變電站越近,中性點過電壓越嚴重。反擊時中性點過電壓最大值為118 kV,繞擊時中性點過電壓最大值為102 kV;

(4)采用放電間隙并聯避雷器的中性點保護方式,放電間隙距離為13 mm～14 mm時能達到最佳的絕緣配合效果。