雷電侵入引起變壓器中性點過電壓及策略研究

變電站中性點接地系統(tǒng)在不同運行方式下有利于系統(tǒng)零序保護的配置和保護。在目前的220 kV 變電站中，配備2 臺及以上變壓器并連接于母線之上。其中高、中壓側(cè)中性點直接接地的變壓器不會產(chǎn)生過電壓，出于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和繼電保護的需要，對于不接地系統(tǒng)一般會并聯(lián)避雷器并安裝間隙保護，由于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和主后備保護的配置，需要進行保護間協(xié)調(diào)和配合。

雷雨天氣中，線路易受雷擊發(fā)生單相接地故障，進而易造成與之相連的變壓器過電壓。在實際運行中發(fā)現(xiàn)，220 kV 終端變電站進出線在受到雷擊發(fā)生故障時，中性點處間隙可能因暫態(tài)過電壓擊穿，由于零序不平衡電壓存在導(dǎo)致間隙續(xù)流，間隙保護動作。

1   雷擊故障概況

1.1正常運行方式

220 kV 變電站共2 臺主變， 設(shè)備型號為SSZ-240000/220，主接線方式220 kV、110 kV 均為雙母接線方式。220 kV 母聯(lián)開關(guān)、110 kV 母聯(lián)開關(guān)運行，#1 主變?nèi)齻?cè)分別接220 kV 正母、110 kV 正母、35 kV I 段母線運行，#2 主變?nèi)齻?cè)分別接220 kV 副母、110 kV 副母、35 kV Ⅱ段母線運行，35 kV 母分開關(guān)熱備用，#1 主變220 kV、110 kV 中性點直接接地，#2 主變220 kV、110 kV 中性點均不接地運行，只在間隙處并聯(lián)避雷器。

1.2 雷擊過程分析

1.2.1 保護動作行為

依據(jù)強天氣預(yù)警，結(jié)合當(dāng)日強降雨、強雷電等情況，線路1 因為雷擊桿塔造成雷電波入侵，反擊雷擊穿耐張絕緣子沿面，與大地形成通路，造成C 相瞬時性接地短路故障，故障距離8.4 km，三相電壓不平衡導(dǎo)致220 kV 變電站#2 主變110 kV 中性點放電間隙被擊穿，#2 主變第一、二套保護中壓側(cè)間隙保護動作，#2 主變?nèi)齻?cè)開關(guān)跳開，而后線路1 的線路保護距離Ⅱ段、零序Ⅱ段出口，跳開線路1 開關(guān)，經(jīng)1578 ms 后線路保護重復(fù)合閘動作，開關(guān)重合成功。

1.2.2 雷擊故障分析

通過現(xiàn)場檢查和保護動作報告情況，并調(diào)取故障時刻的錄波圖形，如圖2 所示，進行分析判斷。

圖2 故障錄波圖

線路1 的C 相接地短路瞬時性故障發(fā)生時，#2 主變中性點電壓和110 kV正母中性點電壓存在明顯振蕩，瞬時最大值達(dá)75.9 kV，由于電壓互感器采樣頻率較低，實際最大電壓值應(yīng)顯著大于該值。穩(wěn)態(tài)電壓最大值約為35 kV。

線路1 的C 相接地短路瞬時性故障發(fā)生時，#2 主變中性點電流隨即產(chǎn)生并持續(xù)至變壓器三側(cè)跳閘，因此可判斷中性點間隙擊穿后導(dǎo)通。

2   雷擊中性點過電壓仿真分析

2.1 仿真系統(tǒng)

針對本次故障選用PSCAD 軟件進行仿真分析，通過對變電站內(nèi)變壓器、進出線路、站內(nèi)設(shè)備等進行相關(guān)建模，同時依據(jù)實際線路運行情況，結(jié)合軟件要求，選取長度為100 km 的同桿塔雙回線，110 kV 實際運行電壓可達(dá)正常值1.15 倍，變電站內(nèi)的線路波為79 Ω，其速度設(shè)為2.5×10⁸ m/s，站內(nèi)避雷器和中性點處避雷器選取YH10WZ-102/265 和Y1.5W-72/144。

當(dāng)線路發(fā)生雷擊時，變電站內(nèi)接收到線路帶來的侵入波，同時主變中性點產(chǎn)生較大的過電壓，中性點直接接地可導(dǎo)入大地，不接則過電壓數(shù)值可觀?；诖朔治霾煌纂娗闆r作用下，主變中性點不接地的電壓情況。

2.2 雷電反擊過電壓

通常雷反擊時，雷道波形抗選取300 Ω，其雷電流為負(fù)極性的雙指數(shù)型波，大小為2.5/50 μs。變電站主要設(shè)備站可等效為接地電容形式，具體等效參數(shù)如表1所示。

雷擊到達(dá)線路及其桿塔時，電位會快速上升，甚至可以直至絕緣子串被擊穿，經(jīng)過桿塔導(dǎo)線接地。經(jīng)過相關(guān)統(tǒng)計分析，反擊雷的大小為230 kA 左右。

在設(shè)定雷電流230 kA 情況下，分別研究桿塔位置不同時，雷電反擊線路A 相時，此時連接線路的變電站內(nèi)主變中性點過電壓變化情況，具體如圖3 和圖4 所示。

圖3 中性點暫態(tài)過電壓

圖4 中性點穩(wěn)態(tài)電壓

從圖3 可以看出，變電站進線桿塔受到雷擊時，A 相線路接地，順沿接地線路雷電波導(dǎo)入變電站，#2主變?nèi)嗖黄胶怆妷?，以致中性點過電壓。暫態(tài)最大值達(dá)到121 kV，穩(wěn)態(tài)時最大值超過38 kV，穩(wěn)態(tài)電壓略大于實際錄波數(shù)值，是因為仿真中系統(tǒng)電壓選擇為126.5 kV。

從表2 可以看出，反擊雷作用下中性點電壓的數(shù)值隨故障距離的增加而降低，波前時間隨故障距離的增加而變大。本次事故的故障距離約為8.4 km，對應(yīng)的波前時間計算值為73.6 μs。

2.3 雷電繞擊過電壓

雷電流能夠引起反擊，也會繞過避雷線，直接擊中導(dǎo)線。在繞擊雷試驗中，雷道波阻抗為800 Ω，雷電電流一般為30 kA 左右。

在設(shè)定雷電流30 kA 情況下，分別研究故障位置不同時，雷電繞擊線路A 相時，此時連接線路的變電站內(nèi)主變中性點過電壓變化情況，具體如表3 所示。

從表3 可以看出，繞擊雷作用下中性點電壓的幅值隨故障距離的增大先增大后減小，波前時間隨故障距離的增大而增大。

3   預(yù)防策略

根據(jù)變電站內(nèi)雷擊實際情況，結(jié)合仿真分析結(jié)果，針對主變中性點過電壓預(yù)防策略，從中性點的間隙距離、絕緣水平、變壓器與線路間保護配置等方面制定相應(yīng)的預(yù)防措施。

中性點間隙布置以水平方式布置，棒間隙的距離選擇考慮工頻擊穿電壓小于避雷器運行電壓，參考油浸式變壓器的相關(guān)要求，推薦110 kV 選用105~115 mm 的間隙安裝規(guī)范。

避雷器可以較好限制雷電過電壓的幅值，其動作條件一方面取決于過電壓的幅值，另一方面也取決于侵入波的陡度。因此在線路適當(dāng)位置串接磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻可有效降低變壓器雷電過電壓。

中性點裝設(shè)擁有放電間隙的220 kV 分級絕緣變壓器，配置了間隙零序電流保護。該保護僅在間隙擊穿時動作。220 kV 變壓器110 kV 側(cè)中性點間隙零序電流保護動作時間按與110 kV出線保護靈敏段時間配合設(shè)定，級差取0.3 s。

4   結(jié)論

本文選取220 kV 變電站110 kV 線路遭雷擊發(fā)生單相接地故障的案例，通過雷擊故障分析，并采用PSCAD 軟件進行仿真，分析雷擊時中性點電壓，從中性點間隙距離、絕緣水平、變壓器與線路間保護配置等方面，制定相關(guān)措施，為變電器中性點過電壓后續(xù)研究提供參考。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）