雷電侵入引起變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓及策略研究

變電站中性點(diǎn)接地系統在不同運行方式下有利于系統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(xiàn)之上。其中高、中壓側中性點(diǎn)直接接地的變壓器不會(huì )產(chǎn)生過(guò)電壓，出于系統結構和繼電保護的需要，對于不接地系統一般會(huì )并聯(lián)避雷器并安裝間隙保護，由于電力系統結構復雜性和主后備保護的配置，需要進(jìn)行保護間協(xié)調和配合。

雷雨天氣中，線(xiàn)路易受雷擊發(fā)生單相接地故障，進(jìn)而易造成與之相連的變壓器過(guò)電壓。在實(shí)際運行中發(fā)現，220 kV 終端變電站進(jìn)出線(xiàn)在受到雷擊發(fā)生故障時(shí)，中性點(diǎn)處間隙可能因暫態(tài)過(guò)電壓擊穿，由于零序不平衡電壓存在導致間隙續流，間隙保護動(dòng)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， 設備型號為SSZ-240000/220，主接線(xiàn)方式220 kV、110 kV 均為雙母接線(xiàn)方式。220 kV 母聯(lián)開(kāi)關(guān)、110 kV 母聯(lián)開(kāi)關(guān)運行，#1 主變三側分別接220 kV 正母、110 kV 正母、35 kV I 段母線(xiàn)運行，#2 主變三側分別接220 kV 副母、110 kV 副母、35 kV Ⅱ段母線(xiàn)運行，35 kV 母分開(kāi)關(guān)熱備用，#1 主變220 kV、110 kV 中性點(diǎn)直接接地，#2 主變220 kV、110 kV 中性點(diǎn)均不接地運行，只在間隙處并聯(lián)避雷器。

1.2 雷擊過(guò)程分析

1.2.1 保護動(dòng)作行為

依據強天氣預警，結合當日強降雨、強雷電等情況，線(xiàn)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(shí)性接地短路故障，故障距離8.4 km，三相電壓不平衡導致220 kV 變電站#2 主變110 kV 中性點(diǎn)放電間隙被擊穿，#2 主變第一、二套保護中壓側間隙保護動(dòng)作，#2 主變三側開(kāi)關(guān)跳開(kāi)，而后線(xiàn)路1 的線(xiàn)路保護距離Ⅱ段、零序Ⅱ段出口，跳開(kāi)線(xiàn)路1 開(kāi)關(guān)，經(jīng)1578 ms 后線(xiàn)路保護重復合閘動(dòng)作，開(kāi)關(guān)重合成功。

1.2.2 雷擊故障分析

通過(guò)現場(chǎng)檢查和保護動(dòng)作報告情況，并調取故障時(shí)刻的錄波圖形，如圖2 所示，進(jìn)行分析判斷。

圖2 故障錄波圖

線(xiàn)路1 的C 相接地短路瞬時(shí)性故障發(fā)生時(shí)，#2 主變中性點(diǎn)電壓和110 kV正母中性點(diǎn)電壓存在明顯振蕩，瞬時(shí)最大值達75.9 kV，由于電壓互感器采樣頻率較低，實(shí)際最大電壓值應顯著(zhù)大于該值。穩態(tài)電壓最大值約為35 kV。

線(xiàn)路1 的C 相接地短路瞬時(shí)性故障發(fā)生時(shí)，#2 主變中性點(diǎn)電流隨即產(chǎn)生并持續至變壓器三側跳閘，因此可判斷中性點(diǎn)間隙擊穿后導通。

2   雷擊中性點(diǎn)過(guò)電壓仿真分析

2.1 仿真系統

針對本次故障選用PSCAD 軟件進(jìn)行仿真分析，通過(guò)對變電站內變壓器、進(jìn)出線(xiàn)路、站內設備等進(jìn)行相關(guān)建模，同時(shí)依據實(shí)際線(xiàn)路運行情況，結合軟件要求，選取長(cháng)度為100 km 的同桿塔雙回線(xiàn)，110 kV 實(shí)際運行電壓可達正常值1.15 倍，變電站內的線(xiàn)路波為79 Ω，其速度設為2.5×10⁸ m/s，站內避雷器和中性點(diǎn)處避雷器選取YH10WZ-102/265 和Y1.5W-72/144。

當線(xiàn)路發(fā)生雷擊時(shí)，變電站內接收到線(xiàn)路帶來(lái)的侵入波，同時(shí)主變中性點(diǎn)產(chǎn)生較大的過(guò)電壓，中性點(diǎn)直接接地可導入大地，不接則過(guò)電壓數值可觀(guān)?；诖朔治霾煌纂娗闆r作用下，主變中性點(diǎn)不接地的電壓情況。

2.2 雷電反擊過(guò)電壓

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

雷擊到達線(xiàn)路及其桿塔時(shí)，電位會(huì )快速上升，甚至可以直至絕緣子串被擊穿，經(jīng)過(guò)桿塔導線(xiàn)接地。經(jīng)過(guò)相關(guān)統計分析，反擊雷的大小為230 kA 左右。

在設定雷電流230 kA 情況下，分別研究桿塔位置不同時(shí)，雷電反擊線(xiàn)路A 相時(shí)，此時(shí)連接線(xiàn)路的變電站內主變中性點(diǎn)過(guò)電壓變化情況，具體如圖3 和圖4 所示。

圖3 中性點(diǎn)暫態(tài)過(guò)電壓

圖4 中性點(diǎn)穩態(tài)電壓

從圖3 可以看出，變電站進(jìn)線(xiàn)桿塔受到雷擊時(shí)，A 相線(xiàn)路接地，順沿接地線(xiàn)路雷電波導入變電站，#2主變三相不平衡電壓，以致中性點(diǎn)過(guò)電壓。暫態(tài)最大值達到121 kV，穩態(tài)時(shí)最大值超過(guò)38 kV，穩態(tài)電壓略大于實(shí)際錄波數值，是因為仿真中系統電壓選擇為126.5 kV。

從表2 可以看出，反擊雷作用下中性點(diǎn)電壓的數值隨故障距離的增加而降低，波前時(shí)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，對應的波前時(shí)間計算值為73.6 μs。

2.3 雷電繞擊過(guò)電壓

雷電流能夠引起反擊，也會(huì )繞過(guò)避雷線(xiàn)，直接擊中導線(xiàn)。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。

在設定雷電流30 kA 情況下，分別研究故障位置不同時(shí)，雷電繞擊線(xiàn)路A 相時(shí)，此時(shí)連接線(xiàn)路的變電站內主變中性點(diǎn)過(guò)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(diǎn)電壓的幅值隨故障距離的增大先增大后減小，波前時(shí)間隨故障距離的增大而增大。

3   預防策略

根據變電站內雷擊實(shí)際情況，結合仿真分析結果，針對主變中性點(diǎn)過(guò)電壓預防策略，從中性點(diǎn)的間隙距離、絕緣水平、變壓器與線(xiàn)路間保護配置等方面制定相應的預防措施。

中性點(diǎn)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 的間隙安裝規范。

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

中性點(diǎn)裝設擁有放電間隙的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(shí)動(dòng)作。220 kV 變壓器110 kV 側中性點(diǎn)間隙零序電流保護動(dòng)作時(shí)間按與110 kV出線(xiàn)保護靈敏段時(shí)間配合設定，級差取0.3 s。

4   結論

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

參考文獻：

[1] 宋坤宇,趙曉鳳,王增彬,等.220 kV變壓器中性點(diǎn)串抗過(guò)電壓仿真分析[J].變壓器,2020,57(6):49-53.

[2] 伍國興,陳龍,張繁,等.220 kV變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓仿真計算與新型保護措施配置研究[J].高電壓技術(shù),2019,45(增刊).

[3] 王荊,馬龍濤,王曉濤,等.110 kV變壓器中性點(diǎn)用帶并聯(lián)間隙避雷器參數配合特性研究[J].高壓電器,2020(10):106-111.

[4] 韓雨川,鄒國平,何文林,等.220 kV變電站中壓側雷電波侵入引起中性點(diǎn)過(guò)電壓的仿真分析[J].能源工程,2017(7):49-53.

[5] 關(guān)永剛,廖福旺,岳功昌,等.應用高頻磁環(huán)并聯(lián)阻尼電阻抑制變壓器雷電過(guò)電壓的方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2010(09):155-160.

[6] 陳銳,王書(shū)友,張德廣.110 kV和220 kV變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓及保護分析[J].變壓器,2013,50(1):33-37.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）