特高压变压器中性点经小电抗接地及其过电压保护研究

2022-07-04赵宏成张旭航陈宗正高生凯

电瓷避雷器 2022年3期

赵宏成，张旭航.2，曹炜，陈宗正，高生凯

(1.上海电力大学电气工程学院，上海 200090； 2.国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200120；3.国网河北省电力公司邯郸市新区供电分公司，河北邯郸 056107)

0 引言

在特高压变电站建设过程中，线路单相短路电流超过三相短路电流的情况时有发生。1 000 kV变压器500 kV侧线路的绝缘性能要求单相短路电流水平控制在50 kA内。采用中性点经小电抗接地的方法，可以将单相短路电流水平限制在安全范围内[1]。变压器中性点经小电抗接地后，需根据中性点绝缘耐受能力选择过电压保护，保护若配置不当会引起变压器跳闸等事故[2]。国内外对500 kV变压器中性点经小电抗接地以限制线路单相短路电流水平[3-4]以及变压器中性点串接小电抗的取值方法[5-7]已有相应的研究，但对1 000 kV变压器相关的研究还较少。除此以外，中性点经小电抗接地后的过电压保护配置也尚待进一步的研究。

本研究运用EMTP对华东某特高压变电站建模仿真，对主变中性点串接不同阻值小电抗后短路电流水平进行分析，从而选定最适合的电抗值。根据中性点绝缘水平和经小电抗接地后发生故障时的过电压情况，在变压器中性点配置氧化锌避雷器和放电间隙作为过电压保护，并对两者参数进行整定配合。氧化锌避雷器虽然保护性能优异，但在保护配合中存在残压过高的问题，采用可控避雷器可避免放电间隙因为残压过高而击穿放电。

1 中性点经小电抗接地限流理论

1 000 kV变压器多为YNynd接线自耦变压器[8]，其中性点必须采用有效接地运行方式[9]。为了对变压器两侧短路电流进行限制，中性点串接小电抗后的变压器电气接线和零序网络见图1。

图1 中性点经小电抗接地变压器电气接线和零序网络图Fig.1 Electrical wiring and zero sequence network diagram of neutral point through small reactance grounding transformer

(1)

由于变电站中压侧的电抗接近为零，中性点直接接地时Xn=0，小电抗相关项也为零，中压侧的零序电抗很小，发生单相短路时短路电流很大[10]。中性点经小电抗接地时Xn≠0，高、中、低压绕组零序电抗均含有3倍小电抗相关项，小电抗越大，零序电抗也越大，降低中压侧单相短路电流的能力也越大。由于小电抗仅存在于零序网络，不会对正序阻抗产生影响，所以不会改变三相短路电流大小。

2 中性点小电抗阻值选取

表1 变压器铭牌参数Table 1 Transformer nameplate parameters

在对该变电站建模的过程中，需要对所在电网进行等值处理，等值遵循以下4条原则：

1)采用工频等值，维持等值前后潮流和节点电压不变，数据具有一定精度。

2)抓住主要影响因素，变电站周边的网络和设备详细建模；变电站远处的网络和设备适当简化。

3)被等值部分的网络是对称的，其性能可以用对称分量法描述，且从等值点看去的正、零序自阻抗和互阻抗相同。

4)不考虑等值网络中非线性元件的作用及变压器结构不同等因素带来的影响。

依据上述4条等值原则，采用EMTP对电网等值简化，图2为该变电站建立的等值模型。

图2 变电站EMTP等值模型Fig.2 Substation EMTP equivalent model

由于变压器中压侧电抗接近为零，短路电流较大，所以在对模型进行单相短路仿真时，将故障设置在变压器中压侧出口处。中性点小电抗阻值按照实际工程选取5 Ω、8 Ω、10 Ω、12 Ω、15 Ω、18 Ω、20 Ω 7种规格。通过故障仿真，比较中性点经不同阻值小电抗接地后，发生暂态故障时故障点短路电流波形周期分量的有效值，分析不同阻值小电抗对单相短路电流的抑制能力，进而确定小电抗的取值。

在变压器中性点设置不同阻值小电抗后，对500 kV侧出口处发生三相短路、单相短路进行故障仿真，将故障点处所得短路电流波形的周期分量有效值汇总整理成表2和图3。

表2 中性点加装小电抗后短路电流情况Table 2 Short-circuit current after installing a small reactance at the neutral point

图3 中性点小电抗对短路电流的影响
Fig.3 Influence of neutral point small reactance on short-circuit current

从图3可见中性点加小电抗不影响三相短路电流大小。对图中各个区间的平均每欧姆短路电流下降幅度进行计算，将小电抗对短路电流的限制能力进一步量化，表3可以更加直观地表现出变压器中性点加小电抗后，小电抗阻值增加对降低线路单相短路电流水平的变化趋势。

表3 小电抗限制短路电流能力Table 3 Short-circuit current capability limited by small reactance

对上述图表数据分析可得：变压器中性点经小电抗接地可有效限制500 kV侧单相短路电流水平，使其控制在电气设备要求的50 kA短路电流水平内。小电抗阻值取0～5 Ω时，短路电流下降幅度较大，曲线斜率较大，限流效果较好；小电抗阻值取15～20 Ω时，短路电流下降幅度较小，曲线斜率较小，抑制效果已不明显。短路电流会随电网发展而增加，小电抗取值时应留有一定裕度，该变电站中性点小电抗取20 Ω较为合理。

3 中性点串接小电抗过电压保护配置

主变中性点经小电抗接地后，在正常运行时，中性点的理论电位为零；发生单相接地或两相接地等故障时，中性点会产生工频过电压；当发生切除或合闸等操作时，中性点会产生操作过电压；当发生直击雷或感应雷时，中性点会产生雷电过电压。

将该变电站变压器中性点小电抗设置为20 Ω，在1 000 kV侧和500 kV侧出口处分别设置单相和两相短路故障，将中性点小电抗承受的电压和电流波形峰值汇总成表4。

表4 串接小电抗后中性点工频过电压情况Table 4 Neutral power frequency overvoltage after series connection of small reactance

变压器中性点小电抗的热稳定电流按照单相或两相接地故障时流过小电抗的最大短路电流整定设计，根据国标GB 1094.5-2008《电力变压器第五部分承受短路的能力》要求小电抗承受短路耐热能力的电流的持续时间为2 s。

根据表4的仿真结果，变压器中性点加装20 Ω小电抗时，通过中性点小电抗的最大工频电流为5.53 kArms，考虑一定的裕度，中性点小电抗的短时热稳定电流可按6.6 kA(2 s)选取。

变压器中性点的长期工作电流为变压器的三相不平衡电流，一般只有几安培。在规划设计中可以把小电抗长期工作额定电流的25倍作为小电抗的热稳定电流。

变压器中性点加装20 Ω小电抗时，根据中性点小电抗的2 s热稳定电流为6.6 kA，通过计算可以得出中性点小电抗的额定电流为264 A，额定容量为1.39 Mvar。

该主变中性点串接20 Ω小电抗，在降低线路单相短路电流的同时，提高了中性点在线路发生故障时的过电压水平。需要根据中性点过电压情况和绝缘水平，对变压器中性点过电压保护进行配置[11]。

对表4数据比较可以看出，在500 kV侧发生单相接地时中性点小电抗承受的电压值最高，此时EMTP输出的电压波形见图4。在对避雷器和放电间隙参数整定时，需要重点考虑在这一工况下避雷器和放电间隙的绝缘配合情况。

图4 500 kV侧单相短路时中性点电压波形Fig.4 Neutral point voltage waveform of single-phase short circuit at 500 kV side

小电抗的绝缘水平由中性点的最大工频过电压水平和避雷器的残压共同决定[12]。变压器中性点并联避雷器能在发生瞬时过电压时提供保护，但在承受持续的工频过电压时会有爆炸危险。变压器中性点并联放电间隙能在发生工频暂态过电压时提供保护，但存在灭弧能力弱、放电分散性大、受环境因素影响大等问题，在发生瞬时过电压时保护性能较差。为使变压器中性点串接小电抗后过电压保护配置合理，考虑在变压器中性点并联氧化锌避雷器和放电间隙[13]。该方式可弥补两者的缺陷，使工频过电压由放电间隙承担，瞬态过电压由避雷器承担，从而保证变压器运行可靠性。

4 变压器中性点过电压保护参数整定

在对变压器中性点并联的避雷器和放电间隙参数进行整定时，应当先选定避雷器参数，再根据中性点和避雷器确定放电间隙参数[14]。

典型的氧化锌避雷器参数见表5，选取避雷器的参数要低于中性点相应的耐受能力，能承受中性点可能出现的暂态和瞬态过电压，并留有一定裕度[15-16]。额定电压为96 kV的氧化锌避雷器参数满足上述要求。

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表5 典型氧化锌避雷器参数Table 5 Typical zinc oxide arrester parameters kV

在正常运行时，中性点电压Uw=0 kV，Uc=77 kV>Uw=0 kV；

在雷电过电压时，Uref=137 kV

在工频过电压时，Ur=96 kV

被保护设备和避雷器紧靠一起时，设备额定雷电冲击耐受电压与避雷器保护水平相除所得的安全裕度系数要大于或等于1.25。主变中性点雷电冲击耐受电压为325 kV，选定的氧化锌避雷器雷电冲击电流残压为260 kV，两者相除所得安全裕度系数为1.25，满足绝缘配合要求。

该变电站变压器中性点加装20 Ω小电抗后不对称故障下的最高工频电压Us=94.924 kV。参照实际工程，选取棒-棒电极形状的放电间隙[17]。在标准大气环境下，放电间隙的工频平均场强Ejac≈3.8 kV/cm，雷电冲击平均场强Ejli≈6 kV/cm。

取间隙工频放电电压Ujac=Ur=96 kV，间隙最大净距dmax=Ur/Ejac=25.2 cm，间隙最小净距d0=Us/Ejac=24.98 cm，dmin=max(Uref/Ejli，d0)=24.98 cm，故间隙范围：(dmin，dmax)=(24.98 cm，25.2 cm)，放电间隙间距d可选取25 cm。

间隙的雷电冲击放电电压Ujli=Ejlid=150 kV，Uref=137 kV

5 可控型避雷器的应用

将氧化锌避雷器替换为可控避雷器，可通过动态改变避雷器的伏安特性曲线来实现避雷器和放电间隙的最佳配合[18-20]。

可控避雷器内部由受控阀片和固定阀片两部分串联而成，真空触发开关并联在受控阀片两端，控制系统通过对线路高中压侧电压互感器传输的电压信号进行逻辑运算控制真空触发开关，从而控制受控阀片的投入和退出。变压器中性点并联可控避雷器的配置图见图5。

图5 变压器中性点过电压保护配置示意图Fig.5 Schematic diagram of transformer neutral point overvoltage protection configuration

在工频稳态运行时，可控避雷器控制系统接收到的电压信号未达到触发条件，真空触发开关保持断开，中性点电压由受控阀片和固定阀片共同承担，从而降低了荷电率。当高中压侧发生瞬态过电压时，控制系统接收到的电压信号达到触发值，真空触发开关闭合，受控阀片被短接，过电压由固定阀片承担，避雷器残压水平随阀片数目减少而降低。

可控避雷器通过控制系统控制真空触发开关，动态改变阀片的投入数量，从而优化避雷器的伏安特性曲线。图6为可控避雷器的伏安特性曲线：在工频稳态和暂态过电压情况下，可控避雷器工作于区域A；当发生瞬态过电压时，控制系统达到触发条件，控制真空触发开关闭合，使受控阀片被短接，可控避雷器工作曲线从区域B的曲线1下降到曲线2，降低可控避雷器的残压水平。