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        220 kV變壓器中壓側(cè)雷電侵入對中性點的影響

        2018-09-20 06:32:38韓雨川
        電氣自動化 2018年3期
        關(guān)鍵詞:中壓中性點過電壓

        韓雨川

        (浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310027)

        0 引 言

        我國的220 kV電力系統(tǒng)大多采用有效接地方式運行。一般的220 kV變電站內(nèi)安裝有兩臺主變壓器,其中一臺中性點直接接地,另一臺不接地[1]。系統(tǒng)正常運行時,三相電壓保持平衡,中性點不接地變壓器的中性點電壓幾乎為零。但是當(dāng)線路上發(fā)生斷線、接地短路或者雷電流反擊繞擊時,會造成三相電壓不平衡,在變壓器中性點上產(chǎn)生過電壓[2-3]。嚴(yán)重時,會破壞變壓器的中性點絕緣水平,引起間隙零序過流保護(hù)動作,導(dǎo)致變壓器三側(cè)跳閘,負(fù)荷側(cè)失電[4]。因此,研究變壓器中性點過電壓的大小對變壓器中性點的絕緣水平和保護(hù)配置選擇有著十分重要的意義。

        在眾多引起變壓器中性點過電壓的因素中,雷電是最為嚴(yán)重的情況。線路上發(fā)生雷電反擊或者繞擊后,雷電波沿著輸電線路侵入變電站。對于不接地的變壓器中性點來說,一般通過避雷器和保護(hù)間隙并聯(lián),進(jìn)行絕緣保護(hù)[5]。但即便是在這樣的保護(hù)下,中性點也會產(chǎn)生很大的過電壓。現(xiàn)有的仿真分析大多是針對雷電波從高壓側(cè)侵入,對高壓側(cè)中性點造成的過電壓進(jìn)行研究[6-8]。但實際中,雷電波也可能從中壓側(cè)侵入變電站,在變壓器的高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點同時產(chǎn)生過電壓[9-10]。

        本文利用PSCAD/EMTDC電力系統(tǒng)仿真軟件,對典型的220 kV有效接地系統(tǒng)進(jìn)行了建模,仿真分析在變電站中壓側(cè)線路分別發(fā)生雷電反擊和繞擊時,220 kV變壓器中性點的過電壓大小及其影響因素,并對中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙未擊穿和擊穿兩種情況下的高壓側(cè)中性點過電壓進(jìn)行對比分析。

        1 220 kV變電站系統(tǒng)建模

        理想情況下,變電站內(nèi)有兩臺主變并列運行時要滿足下面三個條件:一是電壓比相等;二是短路阻抗相等;三是繞組連接組別相同。當(dāng)不滿足理想并列運行條件時,有關(guān)三相電力變壓器運行的國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定變壓器可并列運行的條件是:電壓比差的標(biāo)幺值不得超過0.5%;短路電壓之差不得超過10%[11]。下述分析均以變壓器在理想并列運行條件下運行為前提。

        浙江某一典型的220 kV變電站內(nèi)安裝有兩臺并列運行的變壓器,均為YNyn0d11接線。1號主變的高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點直接接地,2號主變的高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點均不接地,但有保護(hù)間隙和避雷器并聯(lián),對中性點絕緣進(jìn)行保護(hù)。變電站進(jìn)線處和變壓器入口處均安裝有避雷器。系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 某220 kV變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        雷電流是高頻沖擊波,仿真時可將站內(nèi)變壓器、斷路器、互感器等設(shè)備用入口電容進(jìn)行等效[12-13]。在我國,電網(wǎng)防雷設(shè)計中的雷電流波形一般采用負(fù)極性的(2.6/50)μs[14],仿真時采用雙指數(shù)波形進(jìn)行模擬。

        110 kV線路為同塔雙回架空線,桿塔為貓型桿塔,用波阻抗模型進(jìn)行等效[15]。

        2 中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙未擊穿時的中性點雷電過電壓仿真分析

        對于高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點都不接地的變壓器,發(fā)生雷電反擊和繞擊時,中壓側(cè)和高壓側(cè)中性點會感應(yīng)出很大的過電壓。下文就分別發(fā)生雷電反擊和繞擊時,中壓側(cè)和高壓側(cè)中性點過電壓的大小進(jìn)行仿真分析。

        2.1 雷電反擊下的變壓器中性點過電壓仿真

        反擊雷引起的變壓器中性點過電壓大小與反擊發(fā)生位置、雷電流幅值和桿塔接地電阻大小都有很大關(guān)系。線路的反擊耐雷水平一般在200 kA以上,對應(yīng)的波阻抗在250 Ω~400 Ω之間。仿真時,取雷道波阻抗為300 Ω。在線路桿塔發(fā)生雷電反擊時,某回110 kV架空線路的A相導(dǎo)線絕緣子串被擊穿,導(dǎo)線通過桿塔接地。

        當(dāng)雷電流幅值為230 kA,桿塔接地電阻為10 Ω時,就雷擊不同桿塔發(fā)生反擊時,變壓器中性點過電壓的大小進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如表1所示。

        表1 雷擊不同桿塔時的中性點過電壓

        當(dāng)雷擊1號桿塔,桿塔接地電阻為10 Ω時,不同幅值的雷電流反擊作用下,對變壓器中性點過電壓的大小進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如表2所示。

        表2 不同幅值雷電流反擊時的中性點過電壓

        當(dāng)幅值為260 kA的雷電流反擊作用在1號桿塔時,對不同大小桿塔接地電阻下的變壓器中性點過電壓大小進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如表3所示。

        表3 不同大小接地電阻桿塔發(fā)生雷擊時的中性點過電壓

        從仿真結(jié)果來看,雷電反擊的作用位置離變壓器越近,雷電流幅值越大,桿塔接地電阻越大,變壓器中性點產(chǎn)生的過電壓越嚴(yán)重。中壓側(cè)中性點最大時達(dá)到107 kV,高壓側(cè)中性點最大時達(dá)到130 kV。高壓側(cè)的中性點過電壓要大于中壓側(cè)的中性點過電壓。但相比于兩者的電壓等級和絕緣耐壓水平,差距并不十分大。

        2.2 雷電反擊下變壓器中性點保護(hù)間隙動作分析

        220 kV變壓器高壓側(cè)的棒-棒保護(hù)間隙一般在300 mm左右,負(fù)極性雷電50%放電電壓在250 kV左右。因此在上述仿真條件下不會被擊穿。中壓側(cè)的棒-棒保護(hù)間隙一般在110 mm左右,負(fù)極性雷電50%放電電壓在110 kV左右[16]。因此,當(dāng)發(fā)生雷電反擊時,中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙極容易被擊穿。有必要在中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙擊穿的情況下,對高壓側(cè)中性點過電壓的大小變化情況進(jìn)行分析。

        2.3 雷電繞擊下的變壓器中性點過電壓仿真

        在變壓器進(jìn)線段,因為避雷針和避雷線的保護(hù)作用較好,往往不容易發(fā)生雷電繞擊故障。在距離變電站較遠(yuǎn)的位置,雖然輸電線路上有避雷線的保護(hù),但由于保護(hù)角較大,雷電有時候會繞過避雷線,直接擊中輸電線路。繞擊時變壓器中性點過電壓的大小受雷電流幅值、雷電繞擊發(fā)生位置的影響。繞擊雷電流幅值大小一般在20 kA~40 kA,雷道波阻抗約為1 000 Ω~600 Ω。仿真時取雷道波阻抗為800 Ω,繞擊發(fā)生在某回110 kV架空線路的A相導(dǎo)線上。

        當(dāng)幅值為35 kA的雷電流在不同位置發(fā)生繞擊時,對變壓器高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點過電壓的大小進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如表4所示。

        表4 雷擊線路不同位置時的中性點過電壓

        在距離220 kV變電站50 km處,不同幅值大小的雷電流發(fā)生繞擊時,對變壓器中性點過電壓進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如表5所示。

        表5 不同幅值雷電流繞擊時的中性點過電壓

        同雷電反擊相比,因為雷電繞擊是雷電流直接通過導(dǎo)線侵入變電站內(nèi)的變壓器,所以中性點過電壓要嚴(yán)重得多。幅值為35 kA左右的雷電流發(fā)生繞擊時,對變壓器中性點過電壓的影響與260 kA左右的雷電流發(fā)生反擊時相當(dāng)。

        2.4 雷電繞擊下變壓器中性點保護(hù)間隙動作分析

        參考2.2節(jié)中所述的現(xiàn)有220 kV變壓器保護(hù)間隙配置情況,在發(fā)生雷電繞擊時,中壓側(cè)和高壓側(cè)的棒-棒保護(hù)間隙極有可能會被擊穿。下文就線路發(fā)生繞擊,中壓側(cè)保護(hù)間隙首先被擊穿時,對高壓側(cè)中性點過電壓大小進(jìn)行仿真分析。

        3 中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙擊穿時的雷電過電壓仿真分析

        通過以上仿真分析,可知在中壓側(cè)線路發(fā)生雷電反擊或者繞擊時,雷電流沿著中壓側(cè)輸電線路侵入變電站內(nèi)的變壓器,對于中性點不接地變壓器,由于三相電壓的不平衡,中壓側(cè)中性點會產(chǎn)生極大的過電壓,導(dǎo)致保護(hù)間隙擊穿。中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙擊穿后,高壓側(cè)中性點過電壓會出現(xiàn)嚴(yán)重的上升。下面就不同條件下變壓器中壓側(cè)輸電線路發(fā)生雷電反擊和繞擊,中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙被擊穿時,對高壓側(cè)中性點過電壓的大小進(jìn)行仿真分析。

        3.1 雷電反擊下變壓器高壓側(cè)中性點過電壓仿真分析

        圖2 雷擊不同桿塔時高壓側(cè)中性點過電壓

        對于中性點不接地變壓器,在發(fā)生雷電反擊時,中壓側(cè)中性點首先接地的情況下,對線路不同位置發(fā)生雷電反擊時高壓側(cè)中性點過電壓的大小進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖2所示。

        從仿真結(jié)果可以看出,在雷擊1號桿塔,高壓側(cè)中性點產(chǎn)生的過電壓達(dá)到最大值超過220 kV。與中壓側(cè)中性點未接地情況相比,中壓側(cè)中性點接地時,高壓側(cè)中性點過電壓更嚴(yán)重,是前者的兩倍左右。

        圖3 不同幅值雷電流反擊時高壓側(cè)中性點過電壓

        在桿塔接地電阻為10 Ω,不同幅值大小的雷電流反擊作用在1號桿塔時,變壓器中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙擊穿的情況下,就高壓側(cè)中性點產(chǎn)生的過電壓大小進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖3所示。

        從仿真結(jié)果可以看出,在雷電流幅值為200 kA時,過電壓為215 kV左右。在雷電流幅值上升到300 kA時,過電壓上升到230 kV。中壓側(cè)保護(hù)間隙擊穿時高壓側(cè)的中性點過電壓是未擊穿時的兩倍左右。

        當(dāng)幅值為260 kA的雷電流作用在1號桿塔,變壓器中壓側(cè)保護(hù)間隙擊穿,桿塔接地電阻為不同值時,對高壓側(cè)中性點產(chǎn)生的過電壓進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖4所示。

        圖4 雷擊不同接地電阻桿塔時高壓側(cè)中性點過電壓

        從仿真結(jié)果可以看出,在接地電阻為15 Ω時,過電壓達(dá)到了230 kV。變壓器中壓側(cè)接地時,高壓側(cè)中性點的雷電反擊過電壓相比不接地時更加嚴(yán)重。

        綜上分析,對于中性點不接地變壓器,發(fā)生雷電反擊時,雷電侵入波從變壓器中壓側(cè)侵入,中壓側(cè)保護(hù)間隙會被擊穿。此時,高壓側(cè)中性點會產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓,最大時超過230 kV。與中壓側(cè)中性點未擊穿時相比,此時的過電壓要嚴(yán)重得多,近乎翻了一倍??梢娎纂姴◤淖儔浩髦袎簜?cè)侵入時,要特別注意高壓側(cè)中性點的絕緣水平和中性點的絕緣保護(hù)配合是否能滿足要求。

        3.2 雷電繞擊下的變壓器高壓側(cè)中性點過電壓仿真分析

        圖5 雷電繞擊發(fā)生在不同位置時高壓側(cè)中性點過電壓

        幅值為35 kA的雷電流在線路不同位置發(fā)生繞擊,變壓器中壓側(cè)中性點擊穿時,對高壓側(cè)中性點過電壓的大小進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖5所示。

        從仿真結(jié)果可以看出,變壓器高壓側(cè)中性點過電壓最大時接近250 kV。變壓器中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙被擊穿時,高壓側(cè)中性點過電壓相比于中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙未被擊穿時要大。

        圖6 不同幅值雷電流繞擊時高壓側(cè)中性點過電壓

        不同幅值的雷電流在距離變壓器50 km處發(fā)生繞擊時,變壓器中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙擊穿,對高壓側(cè)中性點過電壓大小進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖6所示。

        從仿真結(jié)果來看,在雷電流幅值為20 kA時,過電壓為234 kV左右,在雷電流幅值為40 kA時,過電壓達(dá)到了243 kV。相比于中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙未被擊穿時,高壓側(cè)中性點過電壓在擊穿時要更加嚴(yán)重。

        綜上所述,對于中性點不接地變壓器,中壓側(cè)線路發(fā)生雷電繞擊時,變壓器中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙會被擊穿。此時,在高壓側(cè)中性點會產(chǎn)生很大的過電壓,接近250 kV。參考2.2節(jié)中所述的現(xiàn)有220 kV變壓器保護(hù)間隙配置情況,此時高壓側(cè)中性點的保護(hù)間隙很有可能會被擊穿。

        與雷電反擊相比較,高壓側(cè)中性點在中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙被擊穿情況下的過電壓雖然比在未被擊穿情況下要大,但差距并沒有雷電反擊時大。前者接近2倍,后者在1.1倍左右。

        4 機理分析

        通過以上仿真可以發(fā)現(xiàn),雷擊中壓側(cè)線路時,對于中性點不接地變壓器,在中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙被擊穿后,高壓側(cè)中性點過電壓會顯著增大。這主要是因為當(dāng)中壓側(cè)保護(hù)間隙未被擊穿時,中性點電位會增大;當(dāng)中壓側(cè)保護(hù)間隙被擊穿時,中性點電位被鉗制在零電位。這樣就會導(dǎo)致后者的中壓側(cè)故障相繞組電壓相對于前者變化更大。而變壓器高壓側(cè)和中壓側(cè)之間的電壓變比是一定的,因此,電壓通過變比傳遞到高壓側(cè),后者就會引起更大的電壓波動,使得原先為零電位的高壓側(cè)中性點出現(xiàn)很高的電位。

        5 結(jié)束語

        針對典型的部分中性點接地、部分不接地運行的220 kV變電站系統(tǒng),本文首先仿真分析了變壓器中壓側(cè)出線發(fā)生雷電反擊和繞擊時,不接地變壓器高壓側(cè)和中壓側(cè)中性點過電壓的大小。對故障發(fā)生位置、雷電流幅值和桿塔接地電阻這些影響因素下的過電壓水平進(jìn)行了分析,得出在中壓側(cè)出線發(fā)生雷電反擊或者繞擊時,中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙會被擊穿這一結(jié)論。

        在中壓側(cè)出線發(fā)生雷電反擊和繞擊時中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙被擊穿的情況下,本文又對高壓側(cè)中性點的過電壓大小進(jìn)行了仿真分析。得到在不同的故障發(fā)生位置、雷電流幅值和桿塔接地電阻下,高壓側(cè)中性點的過電壓水平。相比于中壓側(cè)中性點保護(hù)間隙未擊穿的情況,此時高壓側(cè)中性點過電壓更加嚴(yán)重。

        綜上所述,在實際的變壓器中性點絕緣水平設(shè)計和中性點保護(hù)配置時,要充分考慮雷電流從中壓側(cè)侵入的情況,綜合考慮高壓側(cè)保護(hù)間隙及避雷器和中壓側(cè)保護(hù)間隙及避雷器的配合,避免因為保護(hù)配合不恰當(dāng)或者變壓器中性點絕緣水平不夠而導(dǎo)致的三相跳閘現(xiàn)象。在實際工程中,變壓器應(yīng)該避免使用高壓側(cè)中性點不接地,中壓側(cè)接地的運行方式。

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