35 kV 单进线变电站主变压器中性点过电压原因分析及预防措施

李登

(四川明珠集团有限责任公司，四川射洪 629000)

1 故障现象及处理经过

某35 kV 变电站2011年初投运，为35 kV 单进线，单母线接线，主变压器一台，型号为SZ11-5000/35，Ynd11接线。35 kV 进线门形架及35 kV 母线各设置电站型避雷器一组，避雷器型号为HY5WZ-51/134;主变高压侧电流互感器变比为200/5，低压侧为400/5，差流速断整定值为28.6 A，比例差动最小动作电流为1.75 A。电气主接线见图1。

图1 电气主接线图

2011年雷雨季节，该变电站发生了三次主变差动保护动作情况。

1.1 2011年5月1日差动保护动作情况

9时0分，该站I#主变差动速断保护动作，I#主变两侧开关跳闸，10 kV 母线失压。35 kV 进线避雷器三相各动作1次;母线避雷器A、C 相各动作一次，I#主变35 kV 侧A 相套管与中性点套管间有放电现象。保护动作时，天气状况恶劣，通过雷电定位系统查询，该站附近区域有密集的落雷。I#主变差动保护装置故障信息为:09∶00∶37∶181;相对动作时限11 ms;A 相差流速断。

高压侧:Ia=43.71 Ib=20.75 Ic=21.08

低压侧:Ia=0.99 Ib=0.58 Ic=0.44

差动电流:Iopa=62.04 Iopb=0.16 Iopc=61.91。

1.2 2011年6月21日差动保护动作情况

3时58分，I#主变差动速断保护动作，I#主变两侧开关跳闸，10 kV 母线失压。35 kV 进线避雷器A、C 相各动作3次，B 相动作6次。母线避雷器A、C 相各动作2次，B 相动作4次。I#主变35 kV 侧A 相套管与中性点套管间有放电现象。保护动作时，天气状况恶劣，通过雷电定位系统查询，该站附近有密集的落雷。I#主变差动保护装置故障信息为:03∶58∶30∶415;相对动作时限11 ms;A 相差流速断。

高压侧:Ia=41.19 Ib=20.48 Ic=21.63

低压侧:Ia=0.56 Ib=0.43 Ic=0.3

差动电流:Iopa=62.19 Iopb=0.09 Iopc=62.12。

1.3 2011年8月21日差动保护动作情况

1时33分，I#主变差动速断保护动作，I#主变两侧开关跳闸，10 kV 母线失压。35 kV 进线避雷器及母线未动作。I#主变35 kV 侧A 相套管与中性点套管间有放电现象。保护动作时，天气状况较恶劣，通过雷电定位系统，在35 kV 进线对侧变电站出线附近有强度为-34.4 kA 的雷电电流。

保护动作信号与上两次相似。

1.4 设备主要受损情况

在变压器高压侧A 相与中性点之间有电弧放电现象。两套管最上端的釉面有电弧灼伤痕迹(图2、3)。

1.5 检查处理情况

图2 A 相与N 相放电痕迹

图3 N 相放电痕迹

将I#主变及两侧开关置于检修状态后，由变压器制造厂及电气试验班工作人员对差动保护区内的设备进行预防性试验和检测，试验结果合格，设备未受损。接地电阻测量值为0.3Ω，在合格范围之内。

2 故障原因分析

(1)故障后的预防性试验参数合格，可以排除变压器内部故障的可能性。

(2)从放电痕迹看，这几次故障均系相与中性点弧光短路，没有相对壳体(地)、中性点对壳体(地)放电现象，可以推断出故障现象为相与中性点之间电压升高至击穿其空气绝缘(约33 cm，正常情况下绝缘强度约为330 kV 以上，湿度降低时应为200 kV 左右)。

(3)从故障发生的部件分析，主要集中于A相与中性点套管，B 相无损伤，由此可以推断造成故障的高电压源来自中性点。若A 相套管处出现高电压源，必然造成A 相与B 相绝缘击穿放电。

3 中性点过电压原因分析

在输电线上形成的雷闪过电压会沿输电线路运动至变电所的母线上，并对与母线有联接的电气设备构成威胁。针对该站故障现象，需重点分析主变中性点过电压产生的原因。

3.1 单母线进线变电站雷电侵入波幅值的分析

按彼德逊规则，把一个分布参数电路计算折射和反射波的问题化成为一个熟悉的集中参数电路计算问题:等值图中的电源是把入射电压加倍，等值图中的电阻在数值上分别等于波阻抗Z1和Z2(图4)。

图4 集中参数等值电路图(彼德逊规则)

按此规则，变电所母线上接有几回出线(如图5所示)，每回线路的波阻抗均为Z，当一条线路落雷时，有雷电波u(t)入侵变电所，母线上的电压u2(t)为:

图5 多条线路母线电压计算等值图

当n=1时(单进线时)，u2(t)=2u(t)。

即单进线变电站因雷电侵入波造成35 kV 母线上的过电压幅值为雷电侵入波幅值的两倍，考虑到线路避雷器的泄流限幅作用，35 kV 母线上的过电压幅值为线路避雷器动作残压的两倍。

3.2 变压器绕组在过电压袭击时的行为

在过电压作用下，三相变压器绕组末端(即中性点)可能接地，也可能不接地。以无穷长直角波这种最简单但又是最严厉的波形为例，研究绕组在过电压袭击时的行为，所得到的结论虽偏于严格，但却能充分揭示变压器绕组中产生过电压的物理过程。

由于变压器绕组的稳态电位分布与起始电位分布不一致，因此，在这个复杂电路中会出现振荡，如图6所示。图6中给出了不同时刻绕组电位分布的情形，曲线3是最大对地电位包络线。在中点接地的情况下，最大电位出现在绕组首端附近，其值可达(1.2～1.3)Uo，在中点绝缘情况下(复兴站的工况)，最大电位出现在绕组末端，其值约为(1.5-1.8)Uo。可见，随着振荡的发展，不但在首端，而且在绕组的其它部分，特别是在绕组的末端部分，也会出现大的电位梯度。其对变庄器的纵绝缘(匝间、线盘间绝缘)威胁很大。

图6 绕组最大电位的近似确定

3.3 单进线中性点不接地变压器在外部雷电侵入波时的最大可能电压估算

根据3.1及3.2的计算参数，最大可能电压Um=2×1.8U0=3.6 U(t)。

线路避雷器的残压值为142 kV，Um=3.6×142=511.2(kV)。

该电压足以击穿中性点与A 相套管之间的空气绝缘。

4 预防措施

4.1 加装中性点避雷器

按文献［1］第7.3.5条“不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统中的变压器中性点，一般不装设保护装置，但多雷区单进线变电所且变压器中性点引出时，宜装设保护装置;中性点接有消弧线圈的变压器，如有单进线运行可能，也应在中性点装设保护装置。该保护装置可任选金属氧化物避雷器或碳化硅普通阀式避雷器”。

按氧化锌避雷器的选型办法，该变压器中性点避雷器可选用Y1.5W-48/109。由于中性点过电压幅值达雷电侵入波幅值的3.6倍，则中性点处的短路电流应为该变电站计算短路电流的3.6倍。为尽量降低中性点处的过电压，在避雷器制造生产能力许可的情况下，应尽可能选通流能力大的同参数避雷器。最终采用了Y5W-48/109并加装了避雷器在线监视仪。

4.2 校核变电站进线的架空避雷线末端所加装的避雷器参数，应确保其在35 kV 母线避雷器保护范围内

按文献［1］第7.3.2条“未沿全线架设避雷线的35～110 kV 线路，其变电所的进线段应采用图7所示的保护接线”。该站进线保护实际接线情况见图8。

图7 35～110 kV 变电所的进线保护接线示意图

图8 进线保护实际接线图

避雷器FE 具有的主要作用:在雷雨季节，若线路的进线断路器或隔离开关经常处于开路状态，而线路又是带电的，则沿线路袭来的雷电波在断口处发生全反射，就可能使断路器或隔离开关发生对地闪络，进而导致工频短路并可能将绝缘支座烧毁。因此，应在靠近隔离开关或断路器处装设一组管型避雷器FE 进行保护。但当断路器闭合运行时，入侵雷电波不应使FE 动作，否则会产生截波而危及变压器的纵绝缘，也就是说，FE应在变压器母线避雷器的保护范围之内。

目前，该站母线避雷器大于出线避雷器的额定值，即线路避雷器超出了母线避雷器的保护范围，可能会产生截波而危及变压器的纵绝缘。而且进线门形架设置的电站型避雷器的作用与进线首基根杆塔线路避雷器作用一致，因此，建议取消线路首基根杆塔线路避雷器。

4.3 主变保护的配置及定值

根据调度继保专业的意见，现有保护方式及定值满足中性点避雷器安装后的运行要求，主变保护配置及定值不作修定。

5 结语

随着电网的发展，原来10 kV 供电的远距离重载线路逐步改造为35 kV 单进线变电站。对该类变电站设计时应考虑雷电侵入波造成中性点电压升高的防范措施;对于已投运的该类型变压器宜加装中性点避雷器，避免雷电侵入波造成设备损坏和非计划停运。

参与文献:

［1］装置的过电压保护和绝缘配合，DL/T 620-1997［S］.

［2］胡国根，王战铎.高电压技术［M］.重庆:重庆大学出版社，1998.