電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)的雷電傳遞

電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)的雷電傳遞

中國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)l400-1991年《電氣工程》明確規(guī)定，電壓傳感器二次組只能連接，接地應(yīng)在試驗(yàn)室內(nèi)。由于電壓互感器二次繞組容易受到直擊雷或線路雷電侵入波傳遞過電壓的威脅,我國(guó)《電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置反事故措施要點(diǎn)》第8.4條作了進(jìn)一步規(guī)定,必要時(shí)可以在開關(guān)場(chǎng)將電壓互感器二次接線圈中性點(diǎn)經(jīng)放電間隙或氧化鋅閥片接地,作為在現(xiàn)場(chǎng)安裝處對(duì)其中性點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的附加保護(hù)。近年來,廣東電網(wǎng)多次發(fā)生因放電間隙不正確擊穿而造成保護(hù)誤動(dòng)的事故。佛山局2007年4月30日發(fā)生的220kV羅三乙線B屏保護(hù)誤動(dòng)事故,就是由于保護(hù)間隙發(fā)生誤擊穿導(dǎo)致電壓互感器因二次繞組發(fā)生兩點(diǎn)接地而誤動(dòng)作的一個(gè)典型例子。事后解體檢查發(fā)現(xiàn),羅三乙線線路TYDN600的擊穿保險(xiǎn)內(nèi)部導(dǎo)流片表層已經(jīng)炭化。運(yùn)行實(shí)踐和分析證明,采用放電間隙不是電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)過電壓保護(hù)的理想選擇。低壓無間隙金屬氧化物避雷器(以下簡(jiǎn)稱MOA)是另一種選擇,但長(zhǎng)期以來該方向的研究很少,氧化物避雷器技術(shù)參數(shù)選擇一直沒有統(tǒng)一的選型標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。針對(duì)近年來廣東電網(wǎng)多次發(fā)生因電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)安裝的放電間隙不正確擊穿造成保護(hù)誤動(dòng)的事故,為防止類似事件的再次發(fā)生,明確電壓互感器二次中性點(diǎn)安裝放電間隙或避雷器的安裝條件和技術(shù)要求,廣東電網(wǎng)公司開展了電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)保護(hù)問題的專題研究。1試驗(yàn)結(jié)果和分析選擇比較有代表性的JDCF-110型電磁式電壓互感器TV1和TYD2-110/3-001H型電容式電壓互感器TV2作為試品,實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。其中,將二次繞組的首端接入一個(gè)阻值為50?電阻模擬二次繞組中性點(diǎn)電壓受電纜的波阻抗的影響和二次繞組的負(fù)載,末端接一段長(zhǎng)電纜以模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,在高壓側(cè)加沖擊電壓波(選用1.25/50μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波形,并改變波頭時(shí)間)后,在二次繞組末端處(B點(diǎn))掛高壓探頭,用示波器(V1)測(cè)量雷電傳遞過電壓。典型試驗(yàn)波形如圖2所示。用集中參數(shù)簡(jiǎn)化分析計(jì)算線圈波過程,在ATP軟件中建立PT和CVT的仿真模型進(jìn)行雷電傳遞過電壓暫態(tài)過程仿真計(jì)算。仿真計(jì)算時(shí),110kV到500kV等級(jí)的電壓互感器一次側(cè)雷電沖擊電壓幅值,分別取到相應(yīng)電壓等級(jí)的避雷器的保護(hù)水平。二次繞組中性點(diǎn)未加保護(hù)措施時(shí)雷電沖擊傳遞過電壓的模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果表明:1)對(duì)于電磁式電壓互感器,雷電波波頭在1.2μs左右,一次側(cè)雷電沖擊電壓幅值在200~300kV,110kV電磁式電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)傳遞過電壓幅值為2~3kV之間;當(dāng)雷電波波頭縮短到0.5μs左右,中性點(diǎn)傳遞過電壓幅值可達(dá)3.6kV。當(dāng)波頭縮短到0.5μs以下,220kV電磁式電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)傳遞過電壓幅值急劇升高,一次側(cè)沖擊電壓幅值為320~400kV時(shí),中性點(diǎn)傳遞過電壓幅值為可達(dá)7~8.5kV。2)對(duì)于電容型電壓互感器,總體的二次繞組中性點(diǎn)傳遞過電壓幅值非常高。一次側(cè)沖擊電壓幅值為200kV左右,波頭在2.5~5μs,110kV電容型電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)傳遞過電壓幅值即達(dá)到7~8.6kV;數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示,雷電波波頭在1.2μs以下,二次繞組中性點(diǎn)傳遞過電壓幅值將超過10kV。3)雷電沖擊波頭對(duì)二次側(cè)振蕩峰值的影響非常明顯,電壓型和電容型電壓互感器的傳遞過電壓幅值均隨波頭時(shí)間的縮短(波形較陡)而上升。在嚴(yán)重情況下(一次側(cè)雷電沖擊電壓幅值較高或波形較陡)二次繞組中性點(diǎn)傳遞過電壓幅值已大大超過二次端子中性點(diǎn)對(duì)地的雷電沖擊耐受水平(前述的約4242V)。2實(shí)驗(yàn)研究和分析為了解變電站發(fā)生單相接地短路時(shí)兩點(diǎn)間最大電壓差,為二次繞組中性點(diǎn)避雷器的動(dòng)作電壓選擇提供依據(jù),利用CDEGS(電流分布、電磁干擾、接地和土壤結(jié)構(gòu)分析)軟件進(jìn)行變電站接地短路故障和雷電直擊狀態(tài)下接地網(wǎng)電位分布的仿真計(jì)算。取典型的廣東地區(qū)110kV變電站為研究對(duì)象,地網(wǎng)尺寸為150m×150m,網(wǎng)格間隔為10m;土壤結(jié)構(gòu)近似取水平分層為2層,第一層厚度10m(土壤電阻率1500?m),第二層到無窮(土壤電阻率300?m);水平接地網(wǎng)埋深0.8m,導(dǎo)體半徑0.01m,材料參數(shù)(相對(duì)于銅)為相對(duì)電阻率12,相對(duì)磁導(dǎo)率10,注入電流接地網(wǎng)故障電流取1kA。以肇慶局220kV旺新變電站和潮州局110kV所城變電站為研究對(duì)象,向變電站主接地網(wǎng)注入工頻大電流或類工頻小電流,來模擬變電站發(fā)生單相接地故障短路狀態(tài),通過測(cè)量變電站兩臺(tái)電壓互感器接地點(diǎn)之間的電位差,進(jìn)行變電站單相接地短路時(shí)接地網(wǎng)兩點(diǎn)間電位差的驗(yàn)證性實(shí)測(cè)研究。對(duì)變電站接地短路故障狀態(tài)下接地網(wǎng)電位分布的仿真和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果分析表明:1)地網(wǎng)邊角注入短路電流時(shí)的電位分布比地網(wǎng)中心注入分布不均勻;地網(wǎng)面積越大,電位分布越不均勻。地網(wǎng)導(dǎo)體材料對(duì)于電位分布均勻性影響很大,銅地網(wǎng)的電位均勻程度遠(yuǎn)優(yōu)于鐵材料。2)單相接地短路故障時(shí)變電站地網(wǎng)兩點(diǎn)間的穩(wěn)態(tài)電位差隨著變電站地網(wǎng)接地電阻的增大而升高。地網(wǎng)接地電阻正常的情況下,地網(wǎng)兩點(diǎn)間的穩(wěn)態(tài)電位差基本上與國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議關(guān)于接地網(wǎng)兩點(diǎn)間橫向電位差為每千安培故障電流10V(有效值)的規(guī)定基本相符合;地網(wǎng)接地電阻偏大的情況下,變電站地網(wǎng)兩點(diǎn)間的穩(wěn)態(tài)電位差明顯較國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議的規(guī)定值偏大。3)在極端情況下,如變電站最大單相接地電流Imax很大(達(dá)50kA以上),且變電站發(fā)生單相接地短路時(shí),操作過電壓時(shí)間段由短路電流的非周期分量產(chǎn)生的兩臺(tái)電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)之間的暫態(tài)電位差最大值在數(shù)值上可達(dá)到30Imax(即1500V)的水平。對(duì)變電站雷電直擊狀態(tài)下接地網(wǎng)暫態(tài)電位分布的仿真研究結(jié)果分析結(jié)果表明:1)雷電直擊變電站時(shí),地網(wǎng)的電位分布很不均勻。在地網(wǎng)的頂點(diǎn)附近注入電流時(shí)電位分布是最不均勻的;注入點(diǎn)越靠近中心,電位分布越均勻。2)雷電流為1kA時(shí),相距10m的兩點(diǎn)的電位差最大可能達(dá)到數(shù)千伏。仿真結(jié)果顯示,變電站發(fā)生單相接地短路時(shí)接地網(wǎng)兩點(diǎn)間的穩(wěn)態(tài)電位差不高,即便按最大單相接地短路入地短路電流核算,該值在500V(有效值)以下,不會(huì)造成電壓互感器二次繞組繞組兩點(diǎn)接地而引起保護(hù)誤動(dòng)的威脅,無須防范。而應(yīng)重點(diǎn)防范變電站單相接地短路時(shí)接地網(wǎng)兩點(diǎn)間的暫態(tài)電位差引起電壓互感器二次繞組繞組兩點(diǎn)接地的隱患。3試驗(yàn)2:電磁式電壓東南角帶根據(jù)變電站接地故障時(shí)接地網(wǎng)兩點(diǎn)間暫態(tài)最大電位差最大值來選擇避雷器的1mA參考電壓U1mA,按照直流1mA參考電壓來進(jìn)一步選擇避雷器額定電壓Ur;根據(jù)其全工況下的通流能力和保護(hù)水平的校核來進(jìn)一步確定Ur。提出供雷電沖擊試驗(yàn)和仿真計(jì)算研究用的氧化鋅避雷器5個(gè)選型方案,并提交廠家試制出5種規(guī)格的試品,其主要技術(shù)指標(biāo)為:額定電壓Ur為800~1250V,直流1mA參考電壓U1mA為1130~170V,1.5kA標(biāo)稱放電電流下的殘壓V1.5為2000~3000V。仍選擇與電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)未加保護(hù)措施時(shí)雷電沖擊傳遞過電壓測(cè)量試驗(yàn)研究的相同的電壓互感器進(jìn)行雷電沖擊傳遞過電壓對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)于220kV電磁式電壓互感器、220kV和500kV電磁式電壓互感器,進(jìn)行仿真模擬研究,結(jié)果供參考。電磁式電壓互感器和電容型電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)加裝Ur=1000V避雷器后雷電沖擊傳遞過電壓的典型試驗(yàn)波形和仿真波形的比較如圖3和圖4所示。雷電沖擊對(duì)比試驗(yàn)和仿真計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于所有6種型號(hào)的電壓互感器(110kV和220kV電磁式電壓互感器、110~500kV電容式電壓互感器),二次側(cè)中性點(diǎn)加裝試制的5個(gè)技術(shù)參數(shù)的避雷器保護(hù)后傳遞到二次繞組中性點(diǎn)的過電壓得到了明顯的限制,相對(duì)于大部分一次側(cè)的雷電沖擊電壓,避雷器上的殘壓(即二次繞組中性點(diǎn)上的限壓水平)均低于3kV,即便對(duì)于幅值接近一次繞組額定沖擊絕緣水平且波形較陡的雷電沖擊電壓這樣的極端惡劣運(yùn)行條件,避雷器上的殘壓也不足3.5kV,從而有效地限制了雷電傳遞過電壓的幅值,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)絕緣的雷電沖擊傳遞過電壓保護(hù)。4電壓模式二次5個(gè)維度的選擇雷電沖擊波頭對(duì)二次側(cè)振蕩峰值的影響非常明顯,電壓型和電容型電壓互感器的傳遞過電壓幅值均隨波頭時(shí)間的縮短而上升。在嚴(yán)重情況下二次繞組中性點(diǎn)傳遞過電壓幅值已大大超過二次端子中性點(diǎn)對(duì)地的雷電沖擊耐受水平,有必要在電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)就地安裝過電壓保護(hù)。雷電沖擊對(duì)比試驗(yàn)和仿真計(jì)算結(jié)果表明,二次側(cè)中性點(diǎn)加裝避雷器保護(hù)后傳遞