终端变电站单相接地故障时变压器中性点过电压仿真与分析

周象贤，孙 翔，金佳敏

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江 温州 325000）

终端变电站单相接地故障时变压器中性点过电压仿真与分析

周象贤1，孙 翔1，金佳敏2

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力公司温州供电公司，浙江 温州 325000）

110 kV与220 kV变电站中存在部分中性点不接地变压器，其中性点与地间一般接有保护间隙。运行经验表明，终端变中不接地变压器在进线单相接地故障时容易发生间隙击穿并导致间隙过流保护动作，但目前的研究都没有解释为何非终端变不容易发生此类事故。通过典型的终端变与非终端变变压器中性点过电压的仿真，对比分析了这两类变电站在进线单相接地故障时的电气量变化过程，从而解释了终端变易发生保护动作的原因。

终端变电站；中性点；过电压；仿真

0 引言

目前，110 kV和220 kV变电站中多台变压器并列运行时，出于继电保护的需要，一般只取其中1台变压器中性点直接接地，其他变压器中性点悬浮，即部分变压器不接地。为了保护不接地变压器的中性点绝缘，通常会在不接地变压器中性点安装并联的棒-棒间隙和避雷器。其中棒-棒间隙用于工频过电压的保护，而避雷器用于雷电过电压的保护[1-3]。

运行经验表明，位于输电网络终端的变电站容易在单相接地故障时出现中性点间隙击穿并且无法自行熄弧的情况，中性点持续过流将导致保护动作并使变压器跳闸，对供电可靠性构成了严重威胁。对于这一问题，国内已经有一些研究，但是多数集中在变压器中性点保护间隙为何会击穿的分析上，这些研究都没有解释为何终端变电站（简称终端变）容易出现间隙过流保护动作。

通过仿真计算，对比了终端变和非终端变在进线单相接地故障时不接地变压器中性点过电压情况，分析了故障发生后各个阶段的母线电压与中性点电流变化，从而揭示了终端变出现不接地变压器跳闸的根本原因，并对可行的防范措施进行了分析。

1 仿真模型

1.1 变电站接线方式

选取了典型的终端变与非终端变进行了线路单相接地故障时过电压仿真，具体接线方式如图1所示。

图1 变电站接线方式

图1（a）为220 kV终端变，该变电站通过1回30 km的线路与500 kV 1号变电站相连，线路正序阻抗为0.3 Ω/km，零序阻抗0.9 Ω/km。500 kV 1号变电站220 kV母线短路容量为 3 000 MVA，母线电压为231 kV。220 kV终端变内的2台变压器型号为SFSZ10-180000/220，接线方式为YNynOd11，其中1号主变压器（简称主变）高压侧与中压侧中性点直接接地、2号主变高压侧与中压侧均不接地，通过并联的棒-棒间隙和避雷器保护变压器中性点绝缘，其中棒-棒间隙长度为300 mm。故障前变电站110 kV侧母线有功负荷为120 MW、无功负荷为20 MW，35 kV侧母线无负荷，功率因数为0.9。

图1（b）所示为非终端变的接线情况，该变电站由2个不同的上级变电站分别通过1号线路和2号线路同时供电，线路长度分别为30 km与20 km，其他设备和系统参数与图1（a）一致。

1.2 故障过程设定

在仿真中终端变与非终端变的故障过程设置一致。在仿真时间为25 ms时，1号线路中点位置处A相发生金属性接地故障，接地故障产生了暂态过电压，当中性点暂态过电压峰值达到击穿电压值（接近操作过电压击穿值）时，2号主变中性点间隙击穿，由于间隙熄弧能力较差，并假设此时天气条件不利，导致间隙形成续流。110 ms时，线路保护动作，A相线路两侧断路器同时跳开。如果不接地变压器中性点电流大于100 A并且持续500 ms，间隙过流保护将会动作，跳开2号主变三侧断路器。无论间隙过流保护是否动作，A相线路两侧断路器会在1 200 ms时重合1次。

2 仿真结果与分析

2.1 暂态过电压

在选择变压器中性点保护间隙时，已经避开了单相接地故障时可能产生的稳态过电压，多数情况下导致中性点间隙击穿的是故障过程中的暂态过电压，而不是稳态过电压。因此，单相接地故障过程中产生的变压器中性点暂态过电压峰值决定了是否会发生间隙击穿。

间隙击穿电压有着较大的分散性，对长度为300 mm的棒-棒间隙而言，工频击穿电压有效值为117.1 kV、负极性雷电50%放电电压为252.7 kV[4]，所以操作冲击放电电压应介于两者之间。

2.1.1 短路时刻电压相位对暂态过电压的影响

从过电压的计算结果可见，单相接地故障时故障相的电压相位对于暂态过电压峰值有着重要影响，以图1（a）所示的终端变接线方式为例，假设2号主变中性点间隙不击穿的情况下，对2号主变中性点暂态过电压峰值随故障时刻电压相位（正弦）间的关系进行了计算，结果如表1所示。

表1 暂态过电压峰值与故障相电压相位关系

由表1可见，暂态过电压峰值随短路时刻电压相位变化的范围非常大，其绝对值在57～208kV之间变化，并且电压相位为0°和180°时过电压峰值取得最小值，电压相位为90°和270°时取得最大值。为了获得过电压最大值，以下所有过电压计算中，短路时刻故障相电压相位均取90°。

2.1.2 故障位置对暂态过电压的影响

线路单相接地故障位置离变电站的距离也会对变压器中性点暂态过电压峰值产生影响，表2为图1（a）所示的终端变接线方式下，不同故障位置时的过电压峰值计算结果。由表2可知在不同的位置发生单相接地故障时，过电压峰值也会有所差异。

表2 故障位置对终端变中性点暂态过电压峰值的影响

2.1.3 是否为终端变对暂态过电压的影响

表3为图1（b）中非终端变接线方式下，1号线路中点位置处发生单相接地故障时，2号主变中性点过电压峰值计算结果。可见在2号线路的长度发生变化时，过电压峰值变化幅度较大。总体而言，非终端变暂态过电压峰值略小于终端变过电压峰值，但是非终端变的暂态过电压峰值也可以导致变压器中性点间隙发生击穿。

表3 非终端变暂态过电压峰值

由上述分析可见，非终端变比终端变发生间隙击穿的可能性稍小一些，但是由于间隙击穿受电压相位、故障点位置、间隙击穿电压的分散性等一系列因素的影响，暂态过电压峰值的差异不足以解释为何变压器间隙过流保护动作通常只发生在终端变。

2.2 稳态过电压

2.2.1 终端变稳态过电压计算

图2所示为图1（a）中的终端变接线方式下1号线路中点发生A相接地故障时，2号主变220 kV侧的零序电压和2号主变中性点电流。在图2（a）中，线路单相接地故障时的暂态过电压导致2号主变中性点间隙击穿。线路单相接地时，终端变220 kV母线A相电压大幅降低，使2号主变220 kV侧零序电压有效值达到28.6 kV。由于棒-棒间隙的熄弧能力较差，在不利的天气条件下容易发生续流，如图2（b）所示，在单相接地故障期间2号主变中性点电流有效值为1 320 A。

图2 终端变在单相接地故障后的电压与电流

仿真时间为110 ms时，保护动作跳开线路两侧断路器，此时系统进入非全相运行阶段。A相失电后，B相与C相绕组所产生的磁通ΦB与ΦC将会穿过A相绕组，如图3所示，使得A相绕组产生感应电压。当不考虑A相绕组的负荷电流时，这一感应电压将等于A相绕组额定电压。但是由于变压器A相二次绕组存在负荷电流，会产生漏磁通。在负荷电流为感性的情况下，该漏磁通会部分抵消A相绕组中主磁通，导致A相绕组中穿过的总磁通减小，从而使得A相感应电压低于额定电压值。

由上述分析可见线路单相跳闸后母线A相电压未能完全恢复正常，此时母线零序电压依然存在，仿真显示母线零序电压有效值为8.7 kV。在这一零序电压的作用下，2号主变中性点间隙仍然能够保持续流，但电流从1 320 A降低为433 A。由于该电流仍然大于间隙过流保护定值，在电流持续500 ms后间隙过流保护动作，跳开2号主变三侧断路器。

2号主变三侧断路器跳开后，其中性点电流消失，由于此时终端变从2台主变零序阻抗并联变为单台主变零序阻抗，220 kV母线零序电压从8.7 kV增大至15.7 kV。线路重合闸后，母线A相电压完全恢复正常，零序电压消失。

2.2.2 非终端变稳态过电压计算

图4所示为图1（b）中的非终端变接线方式下，1号线路中点发生A相接地故障时，2号主变220 kV侧的零序电压和2号主变中性点电流。在图4（a）中，与终端变仿真结果类似，线路单相接地故障时的暂态过电压导致2号主变中性点间隙击穿。线路单相接地时，非终端变2号主变220 kV侧零序电压有效值为28.8 kV。该零序电压同样会导致间隙击穿后发生续流，间隙电流有效值为1 333 A。可见单相接地故障至线路跳闸的时间段内，非终端变的稳态电压电流与终端变类似。

图3 非全相运行时变压器中的磁场分布

图4 非终端变在单相接地故障后的电压与电流

在线路跳闸后，非终端变由于有500 kV 2号变电站供电，其220 kV母线A相电压迅速恢复正常，如图4所示，导致母线零序电压降为0。没有零序电压后，间隙无法续流，会自然熄灭。由于2号主变中性点电流降为0，已投入的间隙过流保护将返回，从而避免了主变三侧跳闸。

由上述分析可见，非终端变与终端变运行状态的最主要区别是，前者母线电压在故障线路跳闸后能够迅速恢复，从而不会出现间隙续流和主变三侧跳闸情况。

3 防止变压器保护误动作的措施

由于棒-棒间隙击穿具有较大的分散性，在不利的电压相位、故障位置等因素的影响下，变压器中性点保护间隙在单相接地故障暂态过电压作用下可能会发生击穿。完全避免保护间隙击穿是难以做到的，但是防止终端变不接地变压器出现三侧跳闸是有可能的，目前可用的措施包括：改变压器部分接地为全部接地；更改间隙过流保护动作时间。

将终端变中的变压器部分接地改为全部接地能够彻底取消击穿电压分散性较大、熄弧能力较差的棒-棒间隙，但是变压器全部接地将导致系统零序网络发生变化，影响到系统保护的配置，其可行性需要作深入分析。

终端变在线路重合闸后母线电压将完全恢复正常，间隙续流将熄灭，因此将终端变中的不接地变压器间隙过流保护动作时间从500 ms改为大于线路重合闸时间，能够避免线路单相接地故障时发生主变三侧跳闸事故。间隙过流保护动作时间增大将导致不接地变压器承受零序电流的时间变长，但这不应该是否定这项措施的理由，因为如果不接地变压器三侧跳闸后直接接地变压器中可能有更大的零序电流通过。图5为图1（a）中终端变接线形式下1号线路中点发生A相接地时1号主变中性点的电流计算结果，可见当2号主变由于间隙过流保护动作三侧跳闸后，1号主变中性点电流从368 A增大为726 A，并且一直持续至线路重合闸。

对于双回路进线的终端变，还可采用不平衡绝缘以确保线路不发生双回同跳，只要仍有1回线路为全相运行，故障线路单相跳闸后终端变母线零序电压就会消失，从而间隙电弧也会熄灭。

图5 终端变在单相接地故障后1号主变中性点电流

4 结论

通过对典型终端变与非终端变的仿真研究，得到了如下结论：

（1）线路单相故障时，导致不接地变压器中性点保护间隙击穿的是暂态过电压，而不是稳态过电压。

（2）线路单相故障时变压器中性点过电压峰值受短路时刻电压相位、故障位置的影响较大，非终端变中性点过电压比终端变稍小，但不是导致终端变易出现主变三侧跳闸的主要原因。

（3）线路单相故障时终端变易发生主变三侧跳闸的原因是间隙击穿后发生了续流，并且终端变在线路重合闸前母线零序电压没有消失，导致续流时间长于间隙过流保护动作时间整定值，最终导致间隙过流保护动作。

（4）间隙过流保护动作时间躲开线路重合闸时间是防止其在单相接地故障时误动作的有效措施，而无需顾忌变压器是否能够耐受零序电流的问题。

[1]于化鹏，陈水明，余宏桥，等.110 kV变压器中性点过电压的计算及其保护策略[J].电网技术，2011，35（3）∶152-158.

[2]蒋伟，吴广宁，张雪原，等.单相短路对110 kV和220 kV变压器中性点绝缘的影响及其防护[J].变压器，2007，44（11）∶5-8.

[3]DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京：中国电力出版社，1997.

[4]何智强，单周平，李欣.220 kV变电站主变保护间隙击穿原因分析[J].湖南电力，2013，33（4）∶41-43.

（本文编辑：杨 勇）

Simulation and Analysis of Transformer Neutral Point Overvoltage During Single-phase Grounding Fault of Terminal Substation

ZHOU Xiangxian1，SUN Xiang1，JIN Jiamin2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Wenzhou Power Supply Company，Wenzhou Zhejiang 325000，China）

Some transformer neutral points in 110 kV and 220 kV substations are not grounded，and there is usually a protection gap between neutral point and ground.The operation experience shows that the neutral gap of transformer in terminal substation is prone to be broken down during single phase grounding fault，leading to over current protection of protection gap.However，the existing research has not explained why the non-terminal substations are invulnerable to such accidents.Through simulation on neutral point overvoltage of transformers in both terminal and non-terminal substations，the paper compares and analyzes electrical quantity alternation of the two substations during single-phase grounding fault，which explains the reason of protection action that frequently occurs in terminal substation.

terminal substation；neutral point；overvoltage；simulation

TM401+.1

A

1007-1881（2015）05-0001-05

2014-10-10

周象贤（1987），男，博士，工程师，从事高电压设备试验与研究工作。