220 kV变压器中压侧雷电侵入对中性点的影响

韩雨川

(浙江大学 电气工程学院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

我国的220 kV电力系统大多采用有效接地方式运行。一般的220 kV变电站内安装有两台主变压器，其中一台中性点直接接地，另一台不接地[1]。系统正常运行时，三相电压保持平衡，中性点不接地变压器的中性点电压几乎为零。但是当线路上发生断线、接地短路或者雷电流反击绕击时，会造成三相电压不平衡，在变压器中性点上产生过电压[2-3]。严重时，会破坏变压器的中性点绝缘水平，引起间隙零序过流保护动作，导致变压器三侧跳闸，负荷侧失电[4]。因此，研究变压器中性点过电压的大小对变压器中性点的绝缘水平和保护配置选择有着十分重要的意义。

在众多引起变压器中性点过电压的因素中，雷电是最为严重的情况。线路上发生雷电反击或者绕击后，雷电波沿着输电线路侵入变电站。对于不接地的变压器中性点来说，一般通过避雷器和保护间隙并联，进行绝缘保护[5]。但即便是在这样的保护下，中性点也会产生很大的过电压。现有的仿真分析大多是针对雷电波从高压侧侵入，对高压侧中性点造成的过电压进行研究[6-8]。但实际中，雷电波也可能从中压侧侵入变电站，在变压器的高压侧和中压侧中性点同时产生过电压[9-10]。

本文利用PSCAD/EMTDC电力系统仿真软件，对典型的220 kV有效接地系统进行了建模，仿真分析在变电站中压侧线路分别发生雷电反击和绕击时，220 kV变压器中性点的过电压大小及其影响因素，并对中压侧中性点保护间隙未击穿和击穿两种情况下的高压侧中性点过电压进行对比分析。

1 220 kV变电站系统建模

理想情况下，变电站内有两台主变并列运行时要满足下面三个条件：一是电压比相等；二是短路阻抗相等；三是绕组连接组别相同。当不满足理想并列运行条件时，有关三相电力变压器运行的国家标准中规定变压器可并列运行的条件是：电压比差的标幺值不得超过0.5%；短路电压之差不得超过10%[11]。下述分析均以变压器在理想并列运行条件下运行为前提。

浙江某一典型的220 kV变电站内安装有两台并列运行的变压器，均为YNyn0d11接线。1号主变的高压侧和中压侧中性点直接接地，2号主变的高压侧和中压侧中性点均不接地，但有保护间隙和避雷器并联，对中性点绝缘进行保护。变电站进线处和变压器入口处均安装有避雷器。系统的具体结构如图1所示。

图1 某220 kV变电站系统结构

雷电流是高频冲击波，仿真时可将站内变压器、断路器、互感器等设备用入口电容进行等效[12-13]。在我国，电网防雷设计中的雷电流波形一般采用负极性的(2.6/50)μs[14]，仿真时采用双指数波形进行模拟。

110 kV线路为同塔双回架空线，杆塔为猫型杆塔，用波阻抗模型进行等效[15]。

2 中压侧中性点保护间隙未击穿时的中性点雷电过电压仿真分析

对于高压侧和中压侧中性点都不接地的变压器，发生雷电反击和绕击时，中压侧和高压侧中性点会感应出很大的过电压。下文就分别发生雷电反击和绕击时，中压侧和高压侧中性点过电压的大小进行仿真分析。

2.1 雷电反击下的变压器中性点过电压仿真

反击雷引起的变压器中性点过电压大小与反击发生位置、雷电流幅值和杆塔接地电阻大小都有很大关系。线路的反击耐雷水平一般在200 kA以上，对应的波阻抗在250 Ω～400 Ω之间。仿真时，取雷道波阻抗为300 Ω。在线路杆塔发生雷电反击时，某回110 kV架空线路的A相导线绝缘子串被击穿，导线通过杆塔接地。

当雷电流幅值为230 kA，杆塔接地电阻为10 Ω时，就雷击不同杆塔发生反击时，变压器中性点过电压的大小进行仿真分析，仿真结果如表1所示。

表1 雷击不同杆塔时的中性点过电压

当雷击1号杆塔，杆塔接地电阻为10 Ω时，不同幅值的雷电流反击作用下，对变压器中性点过电压的大小进行仿真分析，仿真结果如表2所示。

表2 不同幅值雷电流反击时的中性点过电压

当幅值为260 kA的雷电流反击作用在1号杆塔时，对不同大小杆塔接地电阻下的变压器中性点过电压大小进行仿真分析，仿真结果如表3所示。

表3 不同大小接地电阻杆塔发生雷击时的中性点过电压

从仿真结果来看，雷电反击的作用位置离变压器越近，雷电流幅值越大，杆塔接地电阻越大，变压器中性点产生的过电压越严重。中压侧中性点最大时达到107 kV，高压侧中性点最大时达到130 kV。高压侧的中性点过电压要大于中压侧的中性点过电压。但相比于两者的电压等级和绝缘耐压水平，差距并不十分大。

2.2 雷电反击下变压器中性点保护间隙动作分析

220 kV变压器高压侧的棒-棒保护间隙一般在300 mm左右，负极性雷电50%放电电压在250 kV左右。因此在上述仿真条件下不会被击穿。中压侧的棒-棒保护间隙一般在110 mm左右，负极性雷电50%放电电压在110 kV左右[16]。因此，当发生雷电反击时，中压侧中性点保护间隙极容易被击穿。有必要在中压侧中性点保护间隙击穿的情况下，对高压侧中性点过电压的大小变化情况进行分析。

2.3 雷电绕击下的变压器中性点过电压仿真

在变压器进线段，因为避雷针和避雷线的保护作用较好，往往不容易发生雷电绕击故障。在距离变电站较远的位置，虽然输电线路上有避雷线的保护，但由于保护角较大，雷电有时候会绕过避雷线，直接击中输电线路。绕击时变压器中性点过电压的大小受雷电流幅值、雷电绕击发生位置的影响。绕击雷电流幅值大小一般在20 kA～40 kA，雷道波阻抗约为1 000 Ω～600 Ω。仿真时取雷道波阻抗为800 Ω，绕击发生在某回110 kV架空线路的A相导线上。

当幅值为35 kA的雷电流在不同位置发生绕击时，对变压器高压侧和中压侧中性点过电压的大小进行仿真分析，仿真结果如表4所示。

表4 雷击线路不同位置时的中性点过电压

在距离220 kV变电站50 km处，不同幅值大小的雷电流发生绕击时，对变压器中性点过电压进行仿真分析，仿真结果如表5所示。

表5 不同幅值雷电流绕击时的中性点过电压

同雷电反击相比，因为雷电绕击是雷电流直接通过导线侵入变电站内的变压器，所以中性点过电压要严重得多。幅值为35 kA左右的雷电流发生绕击时，对变压器中性点过电压的影响与260 kA左右的雷电流发生反击时相当。

2.4 雷电绕击下变压器中性点保护间隙动作分析

参考2.2节中所述的现有220 kV变压器保护间隙配置情况，在发生雷电绕击时，中压侧和高压侧的棒-棒保护间隙极有可能会被击穿。下文就线路发生绕击，中压侧保护间隙首先被击穿时，对高压侧中性点过电压大小进行仿真分析。

3 中压侧中性点保护间隙击穿时的雷电过电压仿真分析

通过以上仿真分析，可知在中压侧线路发生雷电反击或者绕击时，雷电流沿着中压侧输电线路侵入变电站内的变压器，对于中性点不接地变压器，由于三相电压的不平衡，中压侧中性点会产生极大的过电压，导致保护间隙击穿。中压侧中性点保护间隙击穿后，高压侧中性点过电压会出现严重的上升。下面就不同条件下变压器中压侧输电线路发生雷电反击和绕击，中压侧中性点保护间隙被击穿时，对高压侧中性点过电压的大小进行仿真分析。

3.1 雷电反击下变压器高压侧中性点过电压仿真分析

图2 雷击不同杆塔时高压侧中性点过电压

对于中性点不接地变压器，在发生雷电反击时，中压侧中性点首先接地的情况下，对线路不同位置发生雷电反击时高压侧中性点过电压的大小进行仿真分析，仿真结果如图2所示。

从仿真结果可以看出，在雷击1号杆塔，高压侧中性点产生的过电压达到最大值超过220 kV。与中压侧中性点未接地情况相比，中压侧中性点接地时，高压侧中性点过电压更严重，是前者的两倍左右。

图3 不同幅值雷电流反击时高压侧中性点过电压

在杆塔接地电阻为10 Ω，不同幅值大小的雷电流反击作用在1号杆塔时，变压器中压侧中性点保护间隙击穿的情况下，就高压侧中性点产生的过电压大小进行仿真分析，仿真结果如图3所示。

从仿真结果可以看出，在雷电流幅值为200 kA时，过电压为215 kV左右。在雷电流幅值上升到300 kA时，过电压上升到230 kV。中压侧保护间隙击穿时高压侧的中性点过电压是未击穿时的两倍左右。

当幅值为260 kA的雷电流作用在1号杆塔，变压器中压侧保护间隙击穿，杆塔接地电阻为不同值时，对高压侧中性点产生的过电压进行仿真分析，仿真结果如图4所示。

图4 雷击不同接地电阻杆塔时高压侧中性点过电压

从仿真结果可以看出，在接地电阻为15 Ω时，过电压达到了230 kV。变压器中压侧接地时，高压侧中性点的雷电反击过电压相比不接地时更加严重。

综上分析，对于中性点不接地变压器，发生雷电反击时，雷电侵入波从变压器中压侧侵入，中压侧保护间隙会被击穿。此时，高压侧中性点会产生严重的过电压，最大时超过230 kV。与中压侧中性点未击穿时相比，此时的过电压要严重得多，近乎翻了一倍。可见雷电波从变压器中压侧侵入时，要特别注意高压侧中性点的绝缘水平和中性点的绝缘保护配合是否能满足要求。

3.2 雷电绕击下的变压器高压侧中性点过电压仿真分析

图5 雷电绕击发生在不同位置时高压侧中性点过电压

幅值为35 kA的雷电流在线路不同位置发生绕击，变压器中压侧中性点击穿时，对高压侧中性点过电压的大小进行仿真分析，仿真结果如图5所示。

从仿真结果可以看出，变压器高压侧中性点过电压最大时接近250 kV。变压器中压侧中性点保护间隙被击穿时，高压侧中性点过电压相比于中压侧中性点保护间隙未被击穿时要大。

图6 不同幅值雷电流绕击时高压侧中性点过电压

不同幅值的雷电流在距离变压器50 km处发生绕击时，变压器中压侧中性点保护间隙击穿，对高压侧中性点过电压大小进行仿真分析，仿真结果如图6所示。

从仿真结果来看，在雷电流幅值为20 kA时，过电压为234 kV左右，在雷电流幅值为40 kA时，过电压达到了243 kV。相比于中压侧中性点保护间隙未被击穿时，高压侧中性点过电压在击穿时要更加严重。

综上所述，对于中性点不接地变压器，中压侧线路发生雷电绕击时，变压器中压侧中性点保护间隙会被击穿。此时，在高压侧中性点会产生很大的过电压，接近250 kV。参考2.2节中所述的现有220 kV变压器保护间隙配置情况，此时高压侧中性点的保护间隙很有可能会被击穿。

与雷电反击相比较，高压侧中性点在中压侧中性点保护间隙被击穿情况下的过电压虽然比在未被击穿情况下要大，但差距并没有雷电反击时大。前者接近2倍，后者在1.1倍左右。

4 机理分析

通过以上仿真可以发现，雷击中压侧线路时，对于中性点不接地变压器，在中压侧中性点保护间隙被击穿后，高压侧中性点过电压会显著增大。这主要是因为当中压侧保护间隙未被击穿时，中性点电位会增大；当中压侧保护间隙被击穿时，中性点电位被钳制在零电位。这样就会导致后者的中压侧故障相绕组电压相对于前者变化更大。而变压器高压侧和中压侧之间的电压变比是一定的，因此，电压通过变比传递到高压侧，后者就会引起更大的电压波动，使得原先为零电位的高压侧中性点出现很高的电位。

5 结束语

针对典型的部分中性点接地、部分不接地运行的220 kV变电站系统，本文首先仿真分析了变压器中压侧出线发生雷电反击和绕击时，不接地变压器高压侧和中压侧中性点过电压的大小。对故障发生位置、雷电流幅值和杆塔接地电阻这些影响因素下的过电压水平进行了分析，得出在中压侧出线发生雷电反击或者绕击时，中压侧中性点保护间隙会被击穿这一结论。

在中压侧出线发生雷电反击和绕击时中压侧中性点保护间隙被击穿的情况下，本文又对高压侧中性点的过电压大小进行了仿真分析。得到在不同的故障发生位置、雷电流幅值和杆塔接地电阻下，高压侧中性点的过电压水平。相比于中压侧中性点保护间隙未击穿的情况，此时高压侧中性点过电压更加严重。

综上所述，在实际的变压器中性点绝缘水平设计和中性点保护配置时，要充分考虑雷电流从中压侧侵入的情况，综合考虑高压侧保护间隙及避雷器和中压侧保护间隙及避雷器的配合，避免因为保护配合不恰当或者变压器中性点绝缘水平不够而导致的三相跳闸现象。在实际工程中，变压器应该避免使用高压侧中性点不接地，中压侧接地的运行方式。