220kV变压器中性点串抗过电压仿真分析.pdf

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1、 2019 年中国电机工程学会年会论文集 220kV 变压器中性点串抗过电压仿真分析 宋坤宇，赵晓凤，王增彬，吕鸿，杨贤 （广东电网有限责任公司电力科学研究院 广东 广州 510080） Simulation Analysis of Neutral Point Series Reactance Overvoltage of 220 kV Transformer SONG Kunyu，ZHAO Xiaofeng，WANG Zengbing ，LV Hong，YANG Xian （Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid C

2、o., Ltd. Guangzhou Guangdong 510080 China） 摘要： 220kV系统中性点常采用直接接地运行方式，近年运行经验表明：该运行方式下空载励磁涌流和单相接地故障电流 较大，影响系统稳定运行。为解决上述问题，本文讨论中性点经小电抗接地的可能。基于 ATP-EMTP，对某 220kV 系统 建立仿真模型，分别计算不同工况下中性点工频过电压、操作过电压与雷电过电压，计算结果表明：在中性点串 20 电 抗时，中性点工频过电压为-55.6kV（0.40p.u），操作过电压为-19.2kV（0.09p.u），雷电过电压为 218kV（1.10p.u）。该 结果可为中性点电

3、抗器选型以及过电压绝缘配合提供参考。 关键词：中性点；小电抗；过电压；仿真分析 Abstract: The neutral point of 220 kV system is usually operated by direct grounding. Recent operating experience shows that the no-load inrush current and single-phase grounding fault current are relatively large under this mode, which affects the stable oper

4、ation of the system. In order to solve the above problems, the possibility of neutral grounding through small reactance is discussed in this paper. A simulation model for a 220 kV system is established based on ATP-EMTP. The power frequency overvoltage, switching overvoltage and lightning overvoltag

5、e at neutral point are calculated under different working conditions. The results show that the power frequency overvoltage at neutral point is -55.6 kV (0.40 p.u), the operating overvoltage is -19.2 kV (0.09 p.u), and the lightning overvoltage is 218 kV (1.10 p.u) when the reactance at neutral poin

6、t series is 20. The results can provide reference for the selection of neutral point reactor and over-voltage insulation coordination. Key words: neutral point; small reactance; overvoltage; simulation analysis 0 引言 220kV 系统中，变压器中性点直接接地可减 少变压器中性点的绝缘水平，降低工程造价，在 电网中广泛采用 1-3 。近年来运行经验表明，中 性点直接接地系统也存在一些弊

7、端。一方面：空 载变压器合闸时可能会出现励磁涌流过大导致保 护跳闸现象 4-5 。针对这一现象，目前励磁涌流 的抑制方法主要有两种，一种是识别励磁涌流与 选相合闸技术， 但在实际应用中尚有不确定性 6 。 另一种是中性点串联合闸阻抗， 该方法直接有效， 同时会增加运行成本 7 。 另一方面，在 220kV 直接接地系统中，发生 单相接地故障时，由于零序阻抗较低，单相接地 故障电流较大，甚至超过三相短路电流，严重威 胁变压器绕组的安全 8 。为解决上述问题，国内 外学者 9-11 综合考虑，论证了变压器中性点经小 电抗接地的可行性，表示中性点串阻抗可有效抑 制励磁涌流，并限制单相接地过电压。目前

8、在深 圳 110kV 向前站、 贵州 220kV 开阳站已开展中性 点小电抗接地试运行，效果良好 12 。 对此， 本文使用 ATP-EMTP， 以东莞某 220kV 系统建立仿真模型，计算了串抗条件下工频过电 压、操作过电压以及雷电过电压。依据过电压与 绝缘配合，确定中性点绝缘水平与电抗器的运行 参数。 1 仿真模型 1.1 某 220kV 系统 考虑如下系统，如图 1所示，某 220kV 变电 站为户外常规变电站，现有 220kV 主变 3台，容 量为 3240MV A，其中 #1、 #2 变电站中性点采用 2019 年中国电机工程学会年会论文集 直接接地并联避雷器， #3变压器中性点考虑

9、经小 电抗接地的运行方式。220kV 配电装置采用双母 线接线，现有出线 2 回；110kV 配电装置采用双 母线双分段接线，现有出线 7回。 #1 #2 #3 220kV 110kV 图 1 某变电站接线示意图 Fig.1 Connection schematic diagram of a substation 1.2 元件参数 电源模型：采用单电源模型对进线侧电源进行 模拟， 其中送端电源峰值选取 242 23 =197kV。 输电线路模型：进线侧采用 2LGJX-630/55 钢芯铝绞线，出线侧采用 LGJX-400/35。在仿真 计算中，采用 ATP/EMTP 中提供的 J-marti

10、 频率 相关模型对架空线路进行模拟，考虑集肤效应和 传输线效应 13 。 对于变电站内导线及母线采用三 相波阻抗模拟，波阻抗值选取 280 14 。 变压器模型：采用 ATP/EMTP中提供的饱和 变压器模型 SATTRAFO 模拟变压器，变压器 220kV 侧套管等效电容 200pF，110kV 侧套管等 效电容 50pF，10kV 侧等效电容忽略 15 。 避雷器模型：变电站 220kV 母线避雷器型号 Y10W-200/496W ，中性点避雷器型号 Y1.5W-144/320W ， 110kV 侧避雷器型号 Y10W-108/268W ， 11kV 侧避雷器型号 YH5WR-16.5/4

11、5。采用 ATP/EMTP 中采用非线性 MOV 元件模拟。 其余模型：断路器分合闸采用时控开关模型 模拟，分闸状态下的断路器采用对地电容模拟， 等效值为 200-300pF，采用对地电容模拟电容式 电压互感器 16 ，其中 110kV 等级 CVT等效电容 8000pF，220kV 等级 CVT等效电容 6500pF。 2 仿真分析 2.1 工频过电压 工频过电压包括接地故障过电压与空载容升 过电压，仿真主要针对中性点过电压水平展开， 空载容升过电压对中性点电压无影响，在此不进 行计算。接地故障中，对称故障时中性点电压为 零，因此本仿真主要考虑常见的单相接地故障与 非全相运行过电压。 2.1

12、.1 单相接地故障分析 为考察最苛刻情况下过电压水平，设置短路 时刻为故障相峰值时刻，仿真计算得到不同工况 下#3主变高压侧中性点的过电压水平。 由于变电 站运行时，#1、#2 变压器接地状况会发生变化， 在此考虑#1 中性点接地#2 中性点不接地，#2 中 性点接地#1 中性点不接地两种情况，其典型波形 如图 2所示。 0 4 8 12 16 20 ms -50 -35 -20 -5 10 25 40 kV #1接地#2不接地 #2接地#1不接地 图 2 10km 处短路故障#3 中性 点过电压水平 Fig.2 Short Circuit Fault at 110km #3 Neutral

13、Point Overvoltage Level （1）工况一：两回线路正常运行，#3 主变 高压侧中性点过电压与单相接地故障点有关，最 严重情况为距离变电站 10km 处，变压器中性点 过电压值为-55.6kV（0.40 p.u.） ，见表 1 所示。 表 1 一回正常运行、一回单相 接地运行工况下，不同故 障点时的变压器中性点过电压值 Tab.1 Transformer Neutral Point Overvoltage Value at Different Fault Points 编号 1 2 3 4 5 6 故障点 母线 距变 电站 1km 距变 电站 5km 距变电 站 10km 距

14、变电 站 15km 距变电 站 20km 变压器中 性点过电 压（kV） -55.6 -46.1 -49.7 -47.0 -33.4 -30.2 2019 年中国电机工程学会年会论文集 （2）工况二：两回出线，一回停运、另一回 单相接地故障条件下， #3主变高压侧中性点过电 压见表 2所示。 最严重情况为母线发生单相接地， 变压器中性点过电压值为-49.8kV（0.35 p.u.）。 表 2 一回停运、一回单相接地 故障工况下，不同故障点 时的变压器中性点过电压值 Tab.2 Transformer Neutral Point Overvoltage V alue at Different F

15、ault Points 编号 1 2 3 4 5 6 故障点 母线 距变 电站 1km 距变 电站 5km 距变 电站 10km 距变 电站 15km 距变 电站 20km 变压器 中性点 过电压 （kV） -49.8 -42.2 -35.6 -32.6 -29.0 -25.6 将不同工况下中性点过电压绘制成折线图， 如图 3所示，可以看出，工况一的过电压明显高 于工况二，这是因为一回正常运行，一回单相接 地时，单相接地故障点处会产生耦合过电压于正 常运行线路上，提高了过电压水平。同时可以看 出，随着故障点与变电站距离的增加， #3变压器 中性点过电压水平随之下降， 当故障发生在 20km 处

16、时，过电压水平约为 25-30kV。 图 3 单相接地故障时过电压水 平 Fig.3 Overvoltage Level in Single Phase Grounding Fault 2.1.2 非全相运行过电压分析 电网非全相运行时，由于三相不对称，造成 中性点过电压。经计算，两相合上、一相断开的 运行方式过电压水平大于一相合上、两相断开的 情况，其中性点过电压如表 3所示。 表 3 #3 变压器中性点过电压 水平 Tab.3 #3 Transformer Neutral Point Overvoltage Level 系统运行方式 3#主变中性点过电压水平（kV） 两相合上 6.97 两

17、相断开 3.82 可以看出，非全相运行时中性点电压水平较 低，20 串抗接地对中性点绝缘不会造成影响， 同时对电抗器自身耐压要求不高。 综上所述，考虑单相接地故障和非全相运行 引起工频过电压的工况，3#主变中性点加装 20 串抗后中性点过电压可达-55.6kV（0.40 p.u.）。 2.2 操作 过电 压 对 220kV系统应该预测空载线路合闸和单相 重合闸在线路上产生的相对地过电压，校核线路 的绝缘水平是否满足操作过电压的要求。 2.2.1 单相重合闸 计算得到中性点电压如图 4 所示，可以看出 中性点串联 20电抗接地情况下，中性点过电压 为-19.2kV（0.09p.u） ，中性点不接

18、地情况下，中 性点过电压为 27.5kV（0.14p.u） ，中性点直接接 地情况下，中性点过电压为 0。 侧操作过电压时控开关l4 ) 0 2 4 6 8 10 ms -25 -14 -3 8 19 30 kV 20串抗 中性点不接地 图 4 单相重合闸中性点过电压波形 Fig. 4 Overvoltage waveform of single-phase reclosure neutral point 2.2.2 三相重合闸 计算得到中性点电压如图 5 所示，可以看出 中性点串联 20电抗接地情况下，中性点过电压 为 4.6kV（0.02p.u） ，中性点不接地情况下，中性 点过电压为 1

19、0.5kV（0.05p.u） ，中性点直接接地 情况下，中性点过电压为 0。 1 2 3 4 5 6 0 20 40 60 80 100 过电压峰值 /kV 编号 工况一 工况二 2019 年中国电机工程学会年会论文集 侧操作过电压时控开关l4 ) 0 2 4 6 8 10 ms -12 -8 -4 0 4 8 kV 20串抗 中性点不接地 图 5 三相重合闸中性点过电压波形 Fig.5 Overvoltage waveform of neutral point in three-phase reclosure 综上，操作过电压情况下，单相重合闸对中 性点产生的过电压水平更高，峰值约为-19.

20、2kV （0.09p.u） ， 三相重合闸时中性点过电压水平相对 较低。 2.3 雷电过电压 计算中考虑反击与绕击情况下变电站雷电侵 入过电压，偏严考虑雷电侵入波波形为 1.2/50s， 电流极性为负。 由于雷电过电压持续时间较短 （数 十微秒） 17 。绕击选择以下四种情况下的雷电流 幅值进行计算： a） 绝缘子不发生闪络时的最大雷电流（绝缘子 闪络电压为 1350kV） b） 设备绝缘不发生击穿的最大雷电流（设备绝 缘水平按照雷电冲击耐压水平选为 950kV） c） 平均雷电流幅值 29.87kA， d） 雷电定位系统记录的最大雷电流幅值 （52.3kA） 当进线 2km处发生 52kA绕

21、击雷过电压时， 三种运行方式下的母线故障相过电压峰值均为 400kV（2.03p.u）左右，此时变电站进线侧避雷 器动作，进线 CVT处电压波形如图 6所示。 进一步考虑不同雷电流情况下中性点过电压， 对避雷器正常动作情况下中性点的过电压进行分 析。中性点电压波形如图 7所示，整理电压峰值 如表 4所示。 侧雷击过电压 2 k l4 ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ms -400 -300 -200 -100 0 100 kV 20串抗 中性点不接地 中性点直接接地 图 6 进线 CVT 处电压波形 Fig. 6 V oltage waveform at the CVT o

22、f the incoming line 侧雷击过电压 ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ms -200 -150 -100 -50 0 50 100 kV 20串抗 中性点不接地 a）雷电流为 11kA 侧雷击过电压 2k 215 l 4 ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ms -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 kV 20串抗 中性点不接地 b）雷电流为 9kA 侧雷击过电压 2k 215 l 4 ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ms -160 -120 -80 -40 0 40 80 kV 20串抗 中性点

23、不接地 c)雷电流为 29.87kA 2019 年中国电机工程学会年会论文集 过 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ms -200 -150 -100 -50 0 50 100 kV 20串抗 中性点不接地 d）雷电流为 52.3kA 图 7 #3 变压器中性点电压波 形 Fig. 7 #3 Transformer Neutral Point Voltage Waveform 表 4 #3 变压器中性点电压 Tab. 4 #3 Transformer Neutral Point Voltage 串 20电抗 不接地运行 直接接地运行 A-11kA（击穿） -90kV -176kV

24、 0 B-9kA(未击穿) -97kV -197kV 0 C-29.87kA(击穿) -81kV -160kV 0 D-52.3kA（击穿） 91kV -173kV 0 由表 4可以看出，不接地运行时，#3变压器 中性点电压峰值最高，可达到 197kV，串 20 电 抗时，中性点电压峰值100kV。绕击时产生的最 大过电压是雷电流为-9kA，此时绝缘子未发生击 穿，雷电流直接作用于输电线路上。而其他雷电 流情况下绝缘子击穿，雷电流会分流至杆塔，从 而降低变电站的雷电侵入过电压。 （2）反击过电压 考虑横步线 2km处落雷反击导线， 对避雷器 正常动作情况下中性点的过电压进行分析。中性 点电压波

25、形如图 8所示，整理电压峰值如表 5所 示。 侧雷击过电压 2k 215 l 4 ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ms -5000 -3000 -1000 1000 3000 5000 7000 V 20串抗 中性点不接地 a）雷电流为 11kA 侧雷击过电压 2k 215 l 4 ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ms -15 -10 -5 0 5 10 15 20 kV 20串抗 中性点不接地 b）雷电流为 29.87kA 侧雷击过电压 2k 215 l 4 ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ms -20 -10 0 10 20 30

26、 40 kV 20串抗 中性点不接地 c）雷电流为 52.3kA 侧雷击过电压 2 k l4 ) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ms -350 -250 -150 -50 50 150 250 kV 20串抗 中性点不接地 d）雷电流为 93kA 图 8 #3 变压器高压侧中性点 电压 Fig.8 #3 Transformer High Voltage Side Neutral Point Voltage 在雷电流较小时，雷电反击输电线路未造成 击穿，此时线路上主要为感应过电压，可以看出 侵入站内的过电压值较低。当雷电反击造成绝缘 子击穿（雷电流-93kA）时，不接地运行时中

27、性 点过电压峰值最高，可达到 337kV，串 20电抗 中性点电压峰值为 218kV。 2019 年中国电机工程学会年会论文集 表 5 #3 变压器中性点电压 Tab. 5 #3 Transformer Neutral Point Voltage 串 20电抗 不接地运行 直接接地运行 A-11kA（未击穿） 2.8kV 3.6kV 0 B-29.87kA(未击穿) 7.5kV 13.1kV 0 C-52.3kA(未击穿) 12.3kV 18.9kV 0 D-93kA（击穿） -218kV -337kV 0 3 结论 本文采用 ATP-EMTP建立仿真模型， 针对某 220kV系统变压器中性点

28、加装 20串抗后中性点 过电压进行仿真计算，结果如下 （1）工频过电压情况下， 单相接地故障时中 性点过电压水平最高，约-55.6kV（0.40p.u）， 且 中性点过电压随故障点的距离呈负相关。非全相 运行时中性点过电压水平较低，约 37kV。 （2）操作过电压情况下， 单相重合闸时中性 点过电压水平最高，约-19.2kV（0.09p.u）， 三 相 重合闸中性点过电压水平较低，约为 4.6kV （0.02p.u） 。 （3） 雷电过电压情况下， 考虑 2km 处落雷， 雷电反击过电压时中性点过电压水平最高，电压 峰值约为 218kV，雷电绕击过电压中性点过电压 约为 100kV。 中性点加

29、装小电抗时需考虑过电压与绝缘配 合，本文计算的三种过电压可为同等级系统电抗 器选型与绝缘选择提供参考。 参 考 文 献: 1 林志超.中压电网系统中性点接地方式的选择与应用J.高电压 技术,2004(04):60-61+64. LIN Zhichao. Selection and application of neutral grounding mode in medium voltage power network system J.High V oltage Technology, 2004 (04): 60-61+64. 2 许颖.电力网中性点接地问题J.电网技术,1991(03):90

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