韓雨川

(浙江大學 電氣工程學院，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動作，導(dǎo)致變壓器三側(cè)跳閘，負荷側(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間隙并聯(lián)，進行絕緣保護[5]。但即便是在這樣的保護下，中性點也會產(chǎn)生很大的過電壓?，F(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準中規(guī)定變壓器可并列運行的條件是：電壓比差的標幺值不得超過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，但有保護間隙和避雷器并聯(lián)，對中性點絕緣進行保護。變電站進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極性的(2.6/50)μs[14]，仿真時采用雙指數(shù)波形進行模擬。

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

2 中壓側(cè)中性點保護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)生的過電壓越嚴重。中壓側(cè)中性點最大時達到107 kV，高壓側(cè)中性點最大時達到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間隙動作分析

220 kV變壓器高壓側(cè)的棒-棒保護間隙一般在300 mm左右，負極性雷電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-棒保護間隙一般在110 mm左右，負極性雷電50%放電電壓在110 kV左右[16]。因此，當發(fā)生雷電反擊時，中壓側(cè)中性點保護間隙極容易被擊穿。有必要在中壓側(cè)中性點保護間隙擊穿的情況下，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

在變壓器進線段，因為避雷針和避雷線的保護作用較好，往往不容易發(fā)生雷電繞擊故障。在距離變電站較遠的位置，雖然輸電線路上有避雷線的保護，但由于保護角較大，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。

2.4 雷電繞擊下變壓器中性點保護間隙動作分析

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)保護間隙首先被擊穿時，對高壓側(cè)中性點過電壓大小進行仿真分析。

3 中壓側(cè)中性點保護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)致保護間隙擊穿。中壓側(cè)中性點保護間隙擊穿后，高壓側(cè)中性點過電壓會出現(xiàn)嚴重的上升。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)中性點保護間隙被擊穿時，對高壓側(cè)中性點過電壓的大小進行仿真分析。

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)保護間隙會被擊穿。此時，高壓側(cè)中性點會產(chǎn)生嚴重的過電壓，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)中性點保護間隙擊穿，對高壓側(cè)中性點過電壓大小進行仿真分析，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，過電壓達到了243 kV。相比于中壓側(cè)中性點保護間隙未被擊穿時，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變壓器保護間隙配置情況，此時高壓側(cè)中性點的保護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。這主要是因為當中壓側(cè)保護間隙未被擊穿時，中性點電位會增大；當中壓側(cè)保護間隙被擊穿時，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)中性點保護間隙未擊穿的情況，此時高壓側(cè)中性點過電壓更加嚴重。

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)保護間隙及避雷器和中壓側(cè)保護間隙及避雷器的配合，避免因為保護配合不恰當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。