趙宏成，張旭航.2，曹 煒，陳宗正，高生凱

(1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090； 2.國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200120；3.國網(wǎng)河北省電力公司邯鄲市新區(qū)供電分公司，河北 邯鄲 056107)

0 引言

在特高壓變電站建設(shè)過程中，線路單相短路電流超過三相短路電流的情況時(shí)有發(fā)生。1 000 kV變壓器500 kV側(cè)線路的絕緣性能要求單相短路電流水平控制在50 kA內(nèi)。采用中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地的方法，可以將單相短路電流水平限制在安全范圍內(nèi)[1]。變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后，需根據(jù)中性點(diǎn)絕緣耐受能力選擇過電壓保護(hù)，保護(hù)若配置不當(dāng)會(huì)引起變壓器跳閘等事故[2]。國內(nèi)外對(duì)500 kV變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地以限制線路單相短路電流水平[3-4]以及變壓器中性點(diǎn)串接小電抗的取值方法[5-7]已有相應(yīng)的研究，但對(duì)1 000 kV變壓器相關(guān)的研究還較少。除此以外，中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后的過電壓保護(hù)配置也尚待進(jìn)一步的研究。

本研究運(yùn)用EMTP對(duì)華東某特高壓變電站建模仿真，對(duì)主變中性點(diǎn)串接不同阻值小電抗后短路電流水平進(jìn)行分析，從而選定最適合的電抗值。根據(jù)中性點(diǎn)絕緣水平和經(jīng)小電抗接地后發(fā)生故障時(shí)的過電壓情況，在變壓器中性點(diǎn)配置氧化鋅避雷器和放電間隙作為過電壓保護(hù)，并對(duì)兩者參數(shù)進(jìn)行整定配合。氧化鋅避雷器雖然保護(hù)性能優(yōu)異，但在保護(hù)配合中存在殘壓過高的問題，采用可控避雷器可避免放電間隙因?yàn)闅垑哼^高而擊穿放電。

1 中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地限流理論

1 000 kV變壓器多為YNynd接線自耦變壓器[8]，其中性點(diǎn)必須采用有效接地運(yùn)行方式[9]。為了對(duì)變壓器兩側(cè)短路電流進(jìn)行限制，中性點(diǎn)串接小電抗后的變壓器電氣接線和零序網(wǎng)絡(luò)見圖1。

圖1 中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地變壓器電氣接線和零序網(wǎng)絡(luò)圖Fig.1 Electrical wiring and zero sequence network diagram of neutral point through small reactance grounding transformer

(1)

由于變電站中壓側(cè)的電抗接近為零，中性點(diǎn)直接接地時(shí)Xn=0，小電抗相關(guān)項(xiàng)也為零，中壓側(cè)的零序電抗很小，發(fā)生單相短路時(shí)短路電流很大[10]。中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地時(shí)Xn≠0，高、中、低壓繞組零序電抗均含有3倍小電抗相關(guān)項(xiàng)，小電抗越大，零序電抗也越大，降低中壓側(cè)單相短路電流的能力也越大。由于小電抗僅存在于零序網(wǎng)絡(luò)，不會(huì)對(duì)正序阻抗產(chǎn)生影響，所以不會(huì)改變?nèi)喽搪冯娏鞔笮　?/p>

2 中性點(diǎn)小電抗阻值選取

表1 變壓器銘牌參數(shù)Table 1 Transformer nameplate parameters

在對(duì)該變電站建模的過程中，需要對(duì)所在電網(wǎng)進(jìn)行等值處理，等值遵循以下4條原則：

1)采用工頻等值，維持等值前后潮流和節(jié)點(diǎn)電壓不變，數(shù)據(jù)具有一定精度。

2)抓住主要影響因素，變電站周邊的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備詳細(xì)建模；變電站遠(yuǎn)處的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備適當(dāng)簡(jiǎn)化。

3)被等值部分的網(wǎng)絡(luò)是對(duì)稱的，其性能可以用對(duì)稱分量法描述，且從等值點(diǎn)看去的正、零序自阻抗和互阻抗相同。

4)不考慮等值網(wǎng)絡(luò)中非線性元件的作用及變壓器結(jié)構(gòu)不同等因素帶來的影響。

依據(jù)上述4條等值原則，采用EMTP對(duì)電網(wǎng)等值簡(jiǎn)化，圖2為該變電站建立的等值模型。

圖2 變電站EMTP等值模型Fig.2 Substation EMTP equivalent model

由于變壓器中壓側(cè)電抗接近為零，短路電流較大，所以在對(duì)模型進(jìn)行單相短路仿真時(shí)，將故障設(shè)置在變壓器中壓側(cè)出口處。中性點(diǎn)小電抗阻值按照實(shí)際工程選取5 Ω、8 Ω、10 Ω、12 Ω、15 Ω、18 Ω、20 Ω 7種規(guī)格。通過故障仿真，比較中性點(diǎn)經(jīng)不同阻值小電抗接地后，發(fā)生暫態(tài)故障時(shí)故障點(diǎn)短路電流波形周期分量的有效值，分析不同阻值小電抗對(duì)單相短路電流的抑制能力，進(jìn)而確定小電抗的取值。

在變壓器中性點(diǎn)設(shè)置不同阻值小電抗后，對(duì)500 kV側(cè)出口處發(fā)生三相短路、單相短路進(jìn)行故障仿真，將故障點(diǎn)處所得短路電流波形的周期分量有效值匯總整理成表2和圖3。

表2 中性點(diǎn)加裝小電抗后短路電流情況Table 2 Short-circuit current after installing a small reactance at the neutral point

圖3 中性點(diǎn)小電抗對(duì)短路電流的影響
Fig.3 Influence of neutral point small reactance on short-circuit current

從圖3可見中性點(diǎn)加小電抗不影響三相短路電流大小。對(duì)圖中各個(gè)區(qū)間的平均每歐姆短路電流下降幅度進(jìn)行計(jì)算，將小電抗對(duì)短路電流的限制能力進(jìn)一步量化，表3可以更加直觀地表現(xiàn)出變壓器中性點(diǎn)加小電抗后，小電抗阻值增加對(duì)降低線路單相短路電流水平的變化趨勢(shì)。

表3 小電抗限制短路電流能力Table 3 Short-circuit current capability limited by small reactance

對(duì)上述圖表數(shù)據(jù)分析可得：變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地可有效限制500 kV側(cè)單相短路電流水平，使其控制在電氣設(shè)備要求的50 kA短路電流水平內(nèi)。小電抗阻值取0～5 Ω時(shí)，短路電流下降幅度較大，曲線斜率較大，限流效果較好；小電抗阻值取15～20 Ω時(shí)，短路電流下降幅度較小，曲線斜率較小，抑制效果已不明顯。短路電流會(huì)隨電網(wǎng)發(fā)展而增加，小電抗取值時(shí)應(yīng)留有一定裕度，該變電站中性點(diǎn)小電抗取20 Ω較為合理。

3 中性點(diǎn)串接小電抗過電壓保護(hù)配置

主變中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后，在正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)的理論電位為零；發(fā)生單相接地或兩相接地等故障時(shí)，中性點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生工頻過電壓；當(dāng)發(fā)生切除或合閘等操作時(shí)，中性點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生操作過電壓；當(dāng)發(fā)生直擊雷或感應(yīng)雷時(shí)，中性點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生雷電過電壓。

將該變電站變壓器中性點(diǎn)小電抗設(shè)置為20 Ω，在1 000 kV側(cè)和500 kV側(cè)出口處分別設(shè)置單相和兩相短路故障，將中性點(diǎn)小電抗承受的電壓和電流波形峰值匯總成表4。

表4 串接小電抗后中性點(diǎn)工頻過電壓情況Table 4 Neutral power frequency overvoltage after series connection of small reactance

變壓器中性點(diǎn)小電抗的熱穩(wěn)定電流按照單相或兩相接地故障時(shí)流過小電抗的最大短路電流整定設(shè)計(jì)，根據(jù)國標(biāo)GB 1094.5-2008《電力變壓器 第五部分承受短路的能力》要求小電抗承受短路耐熱能力的電流的持續(xù)時(shí)間為2 s。

根據(jù)表4的仿真結(jié)果，變壓器中性點(diǎn)加裝20 Ω小電抗時(shí)，通過中性點(diǎn)小電抗的最大工頻電流為5.53 kArms，考慮一定的裕度，中性點(diǎn)小電抗的短時(shí)熱穩(wěn)定電流可按6.6 kA(2 s)選取。

變壓器中性點(diǎn)的長(zhǎng)期工作電流為變壓器的三相不平衡電流，一般只有幾安培。在規(guī)劃設(shè)計(jì)中可以把小電抗長(zhǎng)期工作額定電流的25倍作為小電抗的熱穩(wěn)定電流。

變壓器中性點(diǎn)加裝20 Ω小電抗時(shí)，根據(jù)中性點(diǎn)小電抗的2 s熱穩(wěn)定電流為6.6 kA，通過計(jì)算可以得出中性點(diǎn)小電抗的額定電流為264 A，額定容量為1.39 Mvar。

該主變中性點(diǎn)串接20 Ω小電抗，在降低線路單相短路電流的同時(shí)，提高了中性點(diǎn)在線路發(fā)生故障時(shí)的過電壓水平。需要根據(jù)中性點(diǎn)過電壓情況和絕緣水平，對(duì)變壓器中性點(diǎn)過電壓保護(hù)進(jìn)行配置[11]。

對(duì)表4數(shù)據(jù)比較可以看出，在500 kV側(cè)發(fā)生單相接地時(shí)中性點(diǎn)小電抗承受的電壓值最高，此時(shí)EMTP輸出的電壓波形見圖4。在對(duì)避雷器和放電間隙參數(shù)整定時(shí)，需要重點(diǎn)考慮在這一工況下避雷器和放電間隙的絕緣配合情況。

圖4 500 kV側(cè)單相短路時(shí)中性點(diǎn)電壓波形Fig.4 Neutral point voltage waveform of single-phase short circuit at 500 kV side

小電抗的絕緣水平由中性點(diǎn)的最大工頻過電壓水平和避雷器的殘壓共同決定[12]。變壓器中性點(diǎn)并聯(lián)避雷器能在發(fā)生瞬時(shí)過電壓時(shí)提供保護(hù)，但在承受持續(xù)的工頻過電壓時(shí)會(huì)有爆炸危險(xiǎn)。變壓器中性點(diǎn)并聯(lián)放電間隙能在發(fā)生工頻暫態(tài)過電壓時(shí)提供保護(hù)，但存在滅弧能力弱、放電分散性大、受環(huán)境因素影響大等問題，在發(fā)生瞬時(shí)過電壓時(shí)保護(hù)性能較差。為使變壓器中性點(diǎn)串接小電抗后過電壓保護(hù)配置合理，考慮在變壓器中性點(diǎn)并聯(lián)氧化鋅避雷器和放電間隙[13]。該方式可彌補(bǔ)兩者的缺陷，使工頻過電壓由放電間隙承擔(dān)，瞬態(tài)過電壓由避雷器承擔(dān)，從而保證變壓器運(yùn)行可靠性。

4 變壓器中性點(diǎn)過電壓保護(hù)參數(shù)整定

在對(duì)變壓器中性點(diǎn)并聯(lián)的避雷器和放電間隙參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，應(yīng)當(dāng)先選定避雷器參數(shù)，再根據(jù)中性點(diǎn)和避雷器確定放電間隙參數(shù)[14]。

典型的氧化鋅避雷器參數(shù)見表5，選取避雷器的參數(shù)要低于中性點(diǎn)相應(yīng)的耐受能力，能承受中性點(diǎn)可能出現(xiàn)的暫態(tài)和瞬態(tài)過電壓，并留有一定裕度[15-16]。額定電壓為96 kV的氧化鋅避雷器參數(shù)滿足上述要求。

隨著國家對(duì)西南邊疆民族地區(qū)扶貧工作開展和力度的加大和關(guān)注，越來越多扶貧政策的制定和落實(shí)，貧困群眾對(duì)于黨的政策的期冀和信心越來越大，但同時(shí)依賴心理也越來越強(qiáng)。甚至在部分貧困戶看來，黨和政府有責(zé)任給予他們幫助，有義務(wù)解決他們生產(chǎn)生活中出現(xiàn)的一切問題和苦難，認(rèn)為扶貧工作是幫扶單位“要我脫貧”、不是“我要脫貧”，“等靠要”思想未徹底消除，進(jìn)取心不強(qiáng)，有困難就向有關(guān)部門和扶貧單位反映，等著他們幫解決。貧困有物質(zhì)上的貧困還有精神文化上的貧困，物質(zhì)上的可以靠外力解決，但是精神上的貧困還需群眾自身的自覺和努力，如果群眾脫貧攻堅(jiān)的內(nèi)生動(dòng)力不足，國家相關(guān)扶貧政策的落實(shí)和推動(dòng)就嚴(yán)重受阻。

表5 典型氧化鋅避雷器參數(shù)Table 5 Typical zinc oxide arrester parameters kV

在正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)電壓Uw=0 kV，Uc=77 kV>Uw=0 kV；

在雷電過電壓時(shí)，Uref=137 kV

在工頻過電壓時(shí)，Ur=96 kV

被保護(hù)設(shè)備和避雷器緊靠一起時(shí)，設(shè)備額定雷電沖擊耐受電壓與避雷器保護(hù)水平相除所得的安全裕度系數(shù)要大于或等于1.25。主變中性點(diǎn)雷電沖擊耐受電壓為325 kV，選定的氧化鋅避雷器雷電沖擊電流殘壓為260 kV，兩者相除所得安全裕度系數(shù)為1.25，滿足絕緣配合要求。

該變電站變壓器中性點(diǎn)加裝20 Ω小電抗后不對(duì)稱故障下的最高工頻電壓Us=94.924 kV。參照實(shí)際工程，選取棒-棒電極形狀的放電間隙[17]。在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下，放電間隙的工頻平均場(chǎng)強(qiáng)Ejac≈3.8 kV/cm，雷電沖擊平均場(chǎng)強(qiáng)Ejli≈6 kV/cm。

取間隙工頻放電電壓Ujac=Ur=96 kV，間隙最大凈距dmax=Ur/Ejac=25.2 cm，間隙最小凈距d0=Us/Ejac=24.98 cm，dmin=max(Uref/Ejli，d0)=24.98 cm，故間隙范圍：(dmin，dmax)=(24.98 cm，25.2 cm)，放電間隙間距d可選取25 cm。

間隙的雷電沖擊放電電壓Ujli=Ejlid=150 kV，Uref=137 kV

5 可控型避雷器的應(yīng)用

將氧化鋅避雷器替換為可控避雷器，可通過動(dòng)態(tài)改變避雷器的伏安特性曲線來實(shí)現(xiàn)避雷器和放電間隙的最佳配合[18-20]。

可控避雷器內(nèi)部由受控閥片和固定閥片兩部分串聯(lián)而成，真空觸發(fā)開關(guān)并聯(lián)在受控閥片兩端，控制系統(tǒng)通過對(duì)線路高中壓側(cè)電壓互感器傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算控制真空觸發(fā)開關(guān)，從而控制受控閥片的投入和退出。變壓器中性點(diǎn)并聯(lián)可控避雷器的配置圖見圖5。

圖5 變壓器中性點(diǎn)過電壓保護(hù)配置示意圖Fig.5 Schematic diagram of transformer neutral point overvoltage protection configuration

在工頻穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，可控避雷器控制系統(tǒng)接收到的電壓信號(hào)未達(dá)到觸發(fā)條件，真空觸發(fā)開關(guān)保持?jǐn)嚅_，中性點(diǎn)電壓由受控閥片和固定閥片共同承擔(dān)，從而降低了荷電率。當(dāng)高中壓側(cè)發(fā)生瞬態(tài)過電壓時(shí)，控制系統(tǒng)接收到的電壓信號(hào)達(dá)到觸發(fā)值，真空觸發(fā)開關(guān)閉合，受控閥片被短接，過電壓由固定閥片承擔(dān)，避雷器殘壓水平隨閥片數(shù)目減少而降低。

可控避雷器通過控制系統(tǒng)控制真空觸發(fā)開關(guān)，動(dòng)態(tài)改變閥片的投入數(shù)量，從而優(yōu)化避雷器的伏安特性曲線。圖6為可控避雷器的伏安特性曲線：在工頻穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過電壓情況下，可控避雷器工作于區(qū)域A；當(dāng)發(fā)生瞬態(tài)過電壓時(shí)，控制系統(tǒng)達(dá)到觸發(fā)條件，控制真空觸發(fā)開關(guān)閉合，使受控閥片被短接，可控避雷器工作曲線從區(qū)域B的曲線1下降到曲線2，降低可控避雷器的殘壓水平。

圖6 可控避雷器伏安特性曲線Fig.6 Volt-ampere characteristic curve of controllable arrester

可控避雷器在正常運(yùn)行時(shí)荷電率低，在發(fā)生瞬態(tài)過電壓時(shí)，能夠大幅度降低殘壓水平。在中性點(diǎn)并聯(lián)可控避雷器和放電間隙，可為特高壓主變中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地后的中性點(diǎn)提供最佳的過電壓保護(hù)。

6 結(jié) 論

1)特高壓主變中性點(diǎn)串接小電抗接地有效降低了線路單相短路電流。隨著中性點(diǎn)小電抗阻值的逐步增加，短路電流減小的幅度逐漸降低，中性點(diǎn)的過電壓逐漸升高，所以該變電站主變小電抗值選取20 Ω較為合適。

2)為防止主變中性點(diǎn)串接小電抗后升高的過電壓對(duì)變壓器繞組產(chǎn)生危害，通過整定計(jì)算，在中性點(diǎn)并聯(lián)氧化鋅避雷器和放電間隙作為過電壓保護(hù)一定程度上對(duì)中性點(diǎn)起到了保護(hù)作用。但兩者由于自身特性都存在缺陷，絕緣配合很難達(dá)到理想狀態(tài)。

3)用可控避雷器替代氧化鋅避雷器，通過動(dòng)態(tài)改變投入的閥片數(shù)量，優(yōu)化避雷器的伏安特性曲線，從而使避雷器和放電間隙各項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)理想配合。由于目前可控避雷器仍處于理論研究和試驗(yàn)階段，在特高壓變壓器中性點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。