变压器中性点过电压分析与绝缘配合

杨智,詹江杨,徐星,玉林威,邹国平,陈向荣

(1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院,杭州 310014;2.浙江大学 电气工程学院 浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室,杭州 310027)

0 引 言

目前,我国110 kV系统通常采用中性点有效接地的方式,但考虑到限制单相接地电流和继电保护的需要,同时为了便于实现变电站在不同运行方式下的零序保护及减小对通讯网络的干扰,系统中存在部分变压器中性点不接地运行[1-2]。但对于中性点不接地变压器,当系统发生单相接地、单相断线以及雷击杆塔和线路等故障时,变压器中性点会产生较大的过电压,对中性点绝缘造成较大威胁。因此有必要对变压器中性点过电压开展研究,确定相应的中性点绝缘保护方案。

针对上述问题,国内外学者开展了广泛的研究。文献[3]提出了在雷电冲击电压下的精确简化的变压器高频模型,在不同的平衡负载下验证了模型的准确性。文献[4]考虑接地效应,建立了变压器接地系统的频域模型,在ATP-EMTP中对变压器过电压进行了时域计算。文献[5]提出一种基于羊角电极的新型复合间隙,很好的抑制了间隙放电电极的烧蚀现象,同时保证了放电电压的稳定性。文献[6]改进常用的棒-棒间隙,研制了新型棒-板-棒组合保护间隙,降低了工频放电电压,提高了雷电冲击放电电压。文献[7]提出一种水间隙,即通过控制水流的形成减小间隙的放电分散性,利用水间隙和避雷器并联来共同保护110 kV变压器中性点。文献[8]提出了一种球-球电极保护间隙,间隙利用被保护点的过电压进行触发控制,实现了与现有的中性点保护避雷器的理想配合。文献[9]提出利用小电抗接地的变压器中性点保护方式,大幅减小中性点过电压且无需安装放电间隙。但是,如何实现变压器中性点保护更加优化的绝缘配合,仍需进行全面系统的工作。

文中采用PSCAD电磁暂态仿真软件,基于浙江双屿变电站的实际线路参数,搭建了110 kV输电系统,针对线路中的单相接地、单相断线及雷击等故障,对变电站主变压器中性点的过电压进行了仿真计算。根据仿真结果提出了系统变压器中性点的绝缘保护方案。为实现放电间隙和避雷器的良好配合,分析了棒-棒间隙距离的选择方法,得到110 kV系统棒-棒间隙距离的最优取值。

1 110 kV输电系统模型建立

1.1 系统结构和线路参数

选取浙江双屿变电站为研究对象,建立的110 kV输电系统仿真模型结构如图1所示。系统通过同塔双回线路对变电站进行供电。架空线路长100 km,采用6分裂LGJ-400/35钢芯铝绞线。输电线路杆塔为六角形结构,系统用两台主变压器为不同电压等级区域输送电能,主变压器中压侧和高压侧均采用避雷器并联保护间隙的方式对变压器中性点进行保护,避雷器型号为Y1.5W-72/186。

图1 110 kV输电系统结构

1.2 杆塔模型

考虑到雷击时雷电波在杆塔内的传播特性,目前通常采用集中电感、单波阻抗、多波阻抗3种模型[10-11]。集中电感模型便于计算,但是忽略了杆塔的波过程,会造成比较大的误差;单波阻抗模型有较高的计算精度,但忽视了横担支柱的影响;多波阻抗模型则能够全面真实的反映波在杆塔中的传播情况。文中采用Hara无损多波阻抗模型,其结构如图2所示。

图2 多波阻抗模型结构

1.3 绝缘子模型

我国现行规程规定,当绝缘子两端电压峰值达到U50%时,即判定绝缘子发生闪络。根据相交法,绝缘子伏秒特性曲线与两端过电压波形的交点即为闪络点,在仿真中利用压控开关模拟绝缘子[12-13]。绝缘子的伏秒特性曲线由IEEE提出的式(1)得到:

(1)

式中t为闪络时间(μs);Lin为绝缘子的有效长度(m)。

1.4 变电站内模型

在雷电波入侵变电站时,套管、电压互感器和隔离开关等变电站内设备可以等效为入口电容[14]。其中变压器入口电容Cr的计算公式如式(2)所示:

(2)

式中S为三相变压器的容量(MV·A);k、n为常数,对于110 kV 变压器,k=540,n=3。

变电站具体等效参数经计算如表1所示。

1.5 雷电流模型

目前被广泛使用的雷电流模型为双指数模型,其表达式简单,易于计算,但是这一模型只适用于雷电在某一点放电的情形。与双指数模型相比,Hodler模型能更准确的反映雷电流的特征[15]。文中采用Hodler模型模拟雷电流。雷电流大小满足式(3):

(3)

式中Im为峰值电流(kA);τ1为波头时间常数(μs);τ2为波尾时间常数(μs);k为波峰修正系数。

由于线路遭受雷电过电压大约90% 是由负极性雷电流引起的,故文中仿真雷电流采用负极性波。按照我国防雷设计标准,仿真中取τ1为2.6 μs,τ2为50 μs。反击时雷电波阻抗取300 Ω,绕击时雷电波阻抗取800 Ω。

2 变压器中性点暂态电压仿真分析

2.1 单相接地仿真

输电线路单向接地故障是最常见的故障,单向接地故障产生的三相不平衡会导致变压器中性点产生零序过电压,且接地故障出现的位置和时刻与过电压的幅值大小有很大的关系。图3所示为1号主变进线段B相线路电压相位为90°,在距离变电站10 km的B相架空线路处发生单向接地故障时1号和2号主变高压侧中性点典型过电压波形。从图中可以得出,线路1发生单相接地故障时,故障波侵入1号主变会导致中性点处产生较高的过电压,而线路2上由于金属导体之间的电磁感应作用会感应出过电压波并侵入2号主变,故2号主变中性点处也会出现过电压,但其幅值小于1号主变。

图3 发生接地故障时变压器中性点典型波形

对于单相接地故障发生的不同时刻和位置,仿真得到1号和2号主变高压侧中性点过电压最大值如表2和表3所示。

表2 不同距离接地时中性点过电压

表3 不同时刻接地时中性点过电压

单相接地故障发生的位置与变压器中性点过电压幅值成反比,故障发生位置越远,过电压幅值越小。当单相接地故障发生距离为10 km时,暂态过电压幅值最大,为117 kV;在相位为90°时刻发生单相接地故障,变压器中性点产生的暂态过电压幅值最大,这是因为相位为90°时线路相电压处于峰值,电压由峰值变为零会产生严重的振荡波并侵入变压器,导致中性点处产生的过电压幅值最大。

2.2 单相断线仿真

在系统三相输电线路处于断线运行状态时,三相输电线路出现电压电流的不平衡,导致中性点产生过电压。图4所示为0.1 s时1号主变进线侧断路器的B相跳闸时1号和2号主变高压侧中性点典型过电压波形。

图4 发生断线故障时变压器中性点典型波形

1号主变高压侧中性点产生的最大过电压约为52 kV。2号变压器的高压侧的中性点未产生明显的过电压。断路器单相跳闸所引起的中性点过电压幅值比单向接地故障所引起的中性点过电压幅值小。

对于单相断线故障发生的不同时刻和位置,仿真计算得到1号和2号主变高压侧中性点过电压大小,结果如表4和表5所示。由表4和表5可以看出:在B相断线时变压器中性点产生的过电压基本保持不变,即单相断线故障时刻及故障距离对中性点过电压值影响很小[16-17]。

表4 不同距离断线时中性点过电压

表5 不同时刻断线时中性点过电压

2.3 雷击仿真

2.3.1 雷电反击过电压

由于输电杆塔存在阻抗,雷击杆塔产生的雷电流会导致横担处电位急剧攀升,达到绝缘子闪络电压时会使得线路绝缘子串被击穿,输电线路出现接地故障。统计得到反击雷的大小为230 kA左右。文中仿真幅值为230 kA的雷电流在距离变电站不同位置处雷击杆塔导致输电线路A相发生反击,变压器中性点过电压的大小变化,图5为其典型波形。因雷击而发生绝缘子闪络时,反击雷电波会沿着故障相输电线侵入1号主变并在变压器中性点处产生过电压,暂态过电压的最大值接近120 kV。同时由于金属导体间的电磁感应作用,线路2上会感应出过电压波并侵入2号主变并在变压器中性点处产生过电压,暂态过电压最大值超过90 kV。

图5 发生雷击故障时变压器中性点典型波形

对于反击发生的不同位置,仿真计算得到1号和2号主变高压侧中性点过电压值,结果如表6所示。由表6可以看出:变压器中性点过电压幅值与线路发生反击的距离大小成反比,即发生反击的距离越远,过电压幅值越小。反击发生距离为0.4 km时,暂态过电压幅值最大,为118 kV。

表6 不同距离反击时中性点过电压

2.3.2 雷电绕击过电压

雷电流除了击中杆塔,引起反击之外,也会绕过避雷线,直接击中导线。绕击雷的大小一般取30 kA左右,雷道波阻抗取800 Ω。对于雷电绕击杆塔发生的不同位置进行仿真计算,结果如表7所示。

表7 不同距离绕击时中性点过电压

表7可以看出:在线路发生绕击时,1号主变中性点的最大过电压约为102 kV,由于电磁耦合作用,2号主变的中性点最大过电压约为54 kV。

3 变压器中性点绝缘配合分析

3.1 棒-棒间隙距离的理论计算

目前110 kV系统中不接地变压器中性点通常经过放电间隙接地,当产生工频过电压时,放电间隙击穿接地,将中性点的电压钳制在其绝缘耐受范围内,起到保护作用。常用的放电间隙为棒-棒间隙,其放电分散性较大,在实际运行中会出现拒动及误动的情况,丧失其对中性点的保护作用。采用放电间隙并联避雷器能够克服棒-棒间隙的上述缺点。但是,必须选择合理的间隙距离实现两者的良好配合,文中根据110 kV系统中变压器中性点故障时产生的过电压幅值来确定放电间隙的距离。

在确定系统所用避雷器的条件下,放电间隙与避雷器的配合需要满足下列关系:

(1)棒-棒间隙工频放电电压小于中性点工频耐受电压,满足式(4):

(4)

式中Ug为棒-棒间隙工频放电电压(kV);Ugn为中性点工频耐受电压(kV);σ为棒-棒间隙工频放电电压标准偏差;K1为安全系数;K2为气象修正系数;

(2)棒-棒间隙工频放电电压要大于有效接地中性点的最大暂态过电压,满足式(5):

(5)

式中Uyd为有效接地中性点的最大暂态过电压(kV);

(3)棒-棒间隙雷电冲击放电电压要小于中性点雷电耐受电压,满足式(6):

(6)

式中Uzn为中性点雷电耐受电压(kV)。

110 kV变压器中性点短时工频耐受电压有效值为95 kV,雷电冲击耐受电压电压为250 kV。Y1.5W-72/186 避雷器额定电压为72 kV,残压为186 kV。仿真得到有效接地中性点的最大暂态过电压为61 kV。根据式(4)～式(6)计算得到棒-棒间隙工频放电电压需介于79.05 kV～73.90 kV之间;棒-棒间隙雷电冲击放电电压需小于208.03 kV。

3.2 棒-棒间隙距离的实验验证

利用实验室YDTW-250/250型250 kV工频高压发生器和CJDY-1型1 500 kV冲击电压发生器对棒-棒放电间隙进行工频放电和雷电冲击放电实验,实验装置结构如图6所示。装置水平放置,采用端部直径为16 mm的半球形的棒-棒电极,高压电极置于支柱绝缘子之上,接地极采用高度可调的金属支柱以调整两电极处于同一高度。支柱绝缘子固定于底座上,金属支柱采用滑块与底座连接以调节棒-棒间隙的水平间距。

图6 棒-棒放电间隙装置结构图

工频放电实验采用连续升压法,升压速度为1 kV/s,同一间隙距离下进行10次重复实验。雷电冲击实验采用1.2/50 μs的负极性雷电波,同一间隙距离下进行20次重复实验,得到U50%。试验大厅的大气压气压为101.51 kPa,温度为27 ℃,相对湿度为38%。实际试验条件下的间隙击穿电压必须换算到标准大气条件下才能进行比较,满足式(7):

(7)

式中U为实际试验条件下的间隙击穿电压(V);U0为标准大气条件下的间隙击穿电压(V);K1为空气密度校正因数;K2为湿度校正因数;δ为空气的相对密度;p为气压,kPa;T为温度(K);因数K取决于试验电压类型;指数m和ω与电极形状、间隙距离、电压类型及极性有关,具体取值参考有关国家标准的规定[18]。

经校正得到标准大气压下棒-棒间隙放电特性如图7所示。

图7 棒-棒间隙放电试验

由图7可知,棒-棒间隙的50%工频放电电压和50%雷电冲击放电电压幅值随着间隙距离的增大而增大。棒-棒间隙距离为13 cm时50%工频放电电压幅值为74.39 kV,50%雷电冲击放电电压幅值为128.49 kV。棒-棒间隙距离为14 cm时50%工频放电电压幅值为78.67 kV,50%雷电冲击放电电压幅值为136.99 kV。将实验结果与上述计算结果比较可以确定棒-棒间隙为13 mm～14 mm能和避雷器达到最优的绝缘配合效果。

4 结束语

(1)单相接地故障发生的位置与变压器中性点过电压幅值成反比,故障发生位置越远,过电压幅值越小。且相电压处于峰值时,发生单向接地故障所产生的中性点过电压最严重。B相电压相位为90°,故障为10 km时的中性点暂态过电压最大值为117.73 kV;

(2)单相断线时中性点最大过电压为52 kV,过电压值较小,且过电压大小与故障发生的时刻和位置无关;

(3)线路发生雷击的位置距离变电站越近,中性点过电压越严重。反击时中性点过电压最大值为118 kV,绕击时中性点过电压最大值为102 kV;

(4)采用放电间隙并联避雷器的中性点保护方式,放电间隙距离为13 mm～14 mm时能达到最佳的绝缘配合效果。