雷電侵入引起變壓器中性點過電壓及策略研究

呂超

摘？要：本文針對110 kV線路在遭受雷擊發生故障時，因主變中性點暫態過電壓進而間隙擊穿，中壓側間隙保護早于線路保護動作跳開主變三側開關實例。采用PSCAD（功率系統計算機輔助設計，Power Systems Computer Aided Design）軟件進行仿真，分析雷擊時中性點電壓，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，制定相關措施，為變電器中性點過電壓后續研究提供參考。

關鍵詞：變壓器中性點；間隙保護；仿真分析；相關措施

變電站中性點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之上。其中高、中壓側中性點直接接地的變壓器不會產生過電壓，出于系統結構和繼電保護的需要，對于不接地系統一般會并聯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，需要進行保護間協調和配合。

雷雨天氣中，線路易受雷擊發生單相接地故障，進而易造成與之相連的變壓器過電壓。在實際運行中發現，220 kV終端變電站進出線在受到雷擊發生故障時，中性點處間隙可能因暫態過電壓擊穿，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，主接線方式220 kV、110 kV均為雙母接線方式。220 kV母聯開關、110 kV母聯開關運行，#1主變三側分別接220 kV正母、110 kV正母、35 kV I段母線運行，#2主變三側分別接220 kV副母、110 kV副母、35 kVⅡ段母線運行，35 kV母分開關熱備用，#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，只在間隙處并聯避雷器。

1.2 雷擊過程分析

1.2.1 保護動作行為

依據強天氣預警，結合當日強降雨、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、二套保護中壓側間隙保護動作，#2主變三側開關跳開，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，經1578 ms后線路保護重復合閘動作，開關重合成功。

1.2.2 雷擊故障分析

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

線路1的C相接地短路瞬時性故障發生時，#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75.9 kV，由于電壓互感器采樣頻率較低，實際最大電壓值應顯著大于該值。穩態電壓最大值約為35 kV。

線路1的C相接地短路瞬時性故障發生時，#2主變中性點電流隨即產生并持續至變壓器三側跳閘，因此可判斷中性點間隙擊穿后導通。

2 雷擊中性點過電壓仿真分析

2.1 仿真系統

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

當線路發生雷擊時，變電站內接收到線路帶來的侵入波，同時主變中性點產生較大的過電壓，中性點直接接地可導入大地，不接則過電壓數值可觀。基于此分析不同雷電情況作用下，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，經過桿塔導線接地。經過相關統計分析，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，雷電反擊線路A相時，此時連接線路的變電站內主變中性點過電壓變化情況，具體如圖3和圖4所示。

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入變電站，#2主變三相不平衡電壓，以致中性點過電壓。暫態最大值達到121 kV，穩態時最大值超過38 kV，穩態電壓略大于實際錄波數值，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電壓的數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 預防策略

根據變電站內雷擊實際情況，結合仿真分析結果，針對主變中性點過電壓預防策略，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的預防措施。

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。因此在線路適當位置串接磁環并聯阻尼電阻可有效降低變壓器雷電過電壓。

中性點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動作。220 kV變壓器110 kV側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定，級差取0.3 s。

4 結論

本文選取220 kV變電站110 kV線路遭雷擊發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，制定相關措施，為變電器中性點過電壓后續研究提供參考。

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