雷电侵入引起变压器中性点过电压及策略研究

吕超

摘？要：本文针对110 kV线路在遭受雷击发生故障时，因主变中性点暂态过电压进而间隙击穿，中压侧间隙保护早于线路保护动作跳开主变三侧开关实例。采用PSCAD（功率系统计算机辅助设计，Power Systems Computer Aided Design）软件进行仿真，分析雷击时中性点电压，从中性点的间隙距离、绝缘水平、变压器与线路间保护配置等方面，制定相关措施，为变电器中性点过电压后续研究提供参考。

关键词：变压器中性点；间隙保护；仿真分析；相关措施

变电站中性点接地系统在不同运行方式下有利于系统零序保护的配置和保护。在目前的220 kV变电站中，配备2台及以上变压器并连接于母线之上。其中高、中压侧中性点直接接地的变压器不会产生过电压，出于系统结构和继电保护的需要，对于不接地系统一般会并联避雷器并安装间隙保护，由于电力系统结构复杂性和主后备保护的配置，需要进行保护间协调和配合。

雷雨天气中，线路易受雷击发生单相接地故障，进而易造成与之相连的变压器过电压。在实际运行中发现，220 kV终端变电站进出线在受到雷击发生故障时，中性点处间隙可能因暂态过电压击穿，由于零序不平衡电压存在导致间隙续流，间隙保护动作。

1 雷击故障概况

1.1正常运行方式

220 kV变电站共2台主变，设备型号为SSZ-240000/220，主接线方式220 kV、110 kV均为双母接线方式。220 kV母联开关、110 kV母联开关运行，#1主变三侧分别接220 kV正母、110 kV正母、35 kV I段母线运行，#2主变三侧分别接220 kV副母、110 kV副母、35 kVⅡ段母线运行，35 kV母分开关热备用，#1主变220 kV、110 kV中性点直接接地，#2主变220 kV、110 kV中性点均不接地运行，只在间隙处并联避雷器。

1.2 雷击过程分析

1.2.1 保护动作行为

依据强天气预警，结合当日强降雨、强雷电等情况，线路1因为雷击杆塔造成雷电波入侵，反击雷击穿耐张绝缘子沿面，与大地形成通路，造成C相瞬时性接地短路故障，故障距离8.4 km，三相电压不平衡导致220 kV变电站#2主变110 kV中性点放电间隙被击穿，#2主变第一、二套保护中压侧间隙保护动作，#2主变三侧开关跳开，而后线路1的线路保护距离Ⅱ段、零序Ⅱ段出口，跳开线路1开关，经1578 ms后线路保护重复合闸动作，开关重合成功。

1.2.2 雷击故障分析

通过现场检查和保护动作报告情况，并调取故障时刻的录波图形，如图2所示，进行分析判断。

线路1的C相接地短路瞬时性故障发生时，#2主变中性点电压和110 kV正母中性点电压存在明显振荡，瞬时最大值达75.9 kV，由于电压互感器采样频率较低，实际最大电压值应显著大于该值。稳态电压最大值约为35 kV。

线路1的C相接地短路瞬时性故障发生时，#2主变中性点电流随即产生并持续至变压器三侧跳闸，因此可判断中性点间隙击穿后导通。

2 雷击中性点过电压仿真分析

2.1 仿真系统

针对本次故障选用PSCAD软件进行仿真分析，通过对变电站内变压器、进出线路、站内设备等进行相关建模，同时依据实际线路运行情况，结合软件要求，选取长度为100 km的同杆塔双回线，110 kV实际运行电压可达正常值1.15倍，变电站内的线路波为79 Ω，其速度设为2.5×108 m/s，站内避雷器和中性点处避雷器选取YH10WZ-102/265和Y1.5W-72/144。

当线路发生雷击时，变电站内接收到线路带来的侵入波，同时主变中性点产生较大的过电压，中性点直接接地可导入大地，不接则过电压数值可观。基于此分析不同雷电情况作用下，主变中性点不接地的电压情况。

2.2 雷电反击过电压

通常雷反击时，雷道波形抗选取300 Ω，其雷电流为负极性的双指数型波，大小为2.5/50 μs。变电站主要设备站可等效为接地电容形式，具体等效参数如表1所示。

雷击到达线路及其杆塔时，电位会快速上升，甚至可以直至绝缘子串被击穿，经过杆塔导线接地。经过相关统计分析，反击雷的大小为230 kA左右。

在设定雷电流230 kA情况下，分别研究杆塔位置不同时，雷电反击线路A相时，此时连接线路的变电站内主变中性點过电压变化情况，具体如图3和图4所示。

从图3可以看出，变电站进线杆塔受到雷击时，A相线路接地，顺沿接地线路雷电波导入变电站，#2主变三相不平衡电压，以致中性点过电压。暂态最大值达到121 kV，稳态时最大值超过38 kV，稳态电压略大于实际录波数值，是因为仿真中系统电压选择为126.5 kV。

从表2可以看出，反击雷作用下中性点电压的数值随故障距离的增加而降低，波前时间随故障距离的增加而变大。本次事故的故障距离约为8.4 km，对应的波前时间计算值为73.6 μs。

2.3 雷电绕击过电压

雷电流能够引起反击，也会绕过避雷线，直接击中导线。在绕击雷试验中，雷道波阻抗为800 Ω，雷电电流一般为30 kA左右。

在设定雷电流30 kA情况下，分别研究故障位置不同时，雷电绕击线路A相时，此时连接线路的变电站内主变中性点过电压变化情况，具体如表3所示。

从表3可以看出，绕击雷作用下中性点电压的幅值随故障距离的增大先增大后减小，波前时间随故障距离的增大而增大。

3 預防策略

根据变电站内雷击实际情况，结合仿真分析结果，针对主变中性点过电压预防策略，从中性点的间隙距离、绝缘水平、变压器与线路间保护配置等方面制定相应的预防措施。

中性点间隙布置以水平方式布置，棒间隙的距离选择考虑工频击穿电压小于避雷器运行电压，参考油浸式变压器的相关要求，推荐110 kV选用105～115 mm的间隙安装规范。

避雷器可以较好限制雷电过电压的幅值，其动作条件一方面取决于过电压的幅值，另一方面也取决于侵入波的陡度。因此在线路适当位置串接磁环并联阻尼电阻可有效降低变压器雷电过电压。

中性点装设拥有放电间隙的220 kV分级绝缘变压器，配置了间隙零序电流保护。该保护仅在间隙击穿时动作。220 kV变压器110 kV侧中性点间隙零序电流保护动作时间按与110 kV出线保护灵敏段时间配合设定，级差取0.3 s。

4 结论

本文选取220 kV变电站110 kV线路遭雷击发生单相接地故障的案例，通过雷击故障分析，并采用PSCAD软件进行仿真，分析雷击时中性点电压，从中性点间隙距离、绝缘水平、变压器与线路间保护配置等方面，制定相关措施，为变电器中性点过电压后续研究提供参考。

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