不同接地方式下变压器35_...部过电压特性分析及防治措施_胡晓宇.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：基金项目：中国大唐集团有限公司科技项目资助“基于尾端电流监测的避雷器状态评估及发电厂过电压智能识别系统研究”。：不同接地方式下变压器 绕组外部过电压特性分析及防治措施胡晓宇，陈 皓，刘守豹（四川大学电气工程学院，成都；大唐水电科学技术研究院有限公司，南宁）摘 要：变压器 绕组中性点接地方式较多，现有设计没有对不同接地方式下变压器的防雷措施进行专门考虑，导致变压器 侧雷击事故频发。为了对不同接地方式下变压器 绕组雷电侵入波特性及防治措施进行研究，采用电磁暂态分析软件 建立仿真模型，对 绕组星形接线的配网变压器和三角形接线的风电场升压变进行了雷电侵入波电磁暂态仿真，分析了导致 绕组绝缘损坏的雷电侵入波特点，考察了不同安装方式下避雷器对雷电侵入波防治的有效性。研究表明不同接地方式下变压器 绕组的雷电过电压特性不同，应根据不同接地方式采取针对性防雷措施。关键词：接地方式；绕组；雷电侵入波；电磁暂态；避雷器 ，（，；，）：，：；年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）引言根据使用场合的不同，变压器 绕组有星型接线和三角形接线两种方式，其中星型接线绕组的中性点可直接接地、不接地、经高阻或消弧线圈接地，三角形接线绕组没有中性点无法接地。雷击近区输电线路后雷电波将沿着线路向变压器传导，由此引发侵入波过电压，侵入波进入变压器绕组内部后将发生反射，对于变压器中性点接地方式不同，雷电侵入波在绕组中的传播方式差别较大，需要根据其电磁暂态特性采取不同的治理措施。长期以来，等级系统的防雷问题没有得到足够重视，防雷设计没有根据绕组进行个性化考虑，加之 系统防雷水平较薄弱，雷击导致的变压器 绕组损坏事故时有发生。本研究以不同接地方式的变压器 绕组为分析对象，在电磁暂态分析软件 中建立其雷电过电压分析模型，量化分析了绕组的电磁暂态特性，给出了针对性防雷措施。仿真模型的建立为了对变压器 绕组典型接地方式下外部过电压特性进行分析，选取 配电变压器中性点不接地的星型接线绕组、风电场 升压变三角形接线的 绕组作为分析对象。分析对象 绕组星型接线的配电变压器 配电变压器所在变电所电气接线见图。图 变电所主接线图 其中变压器型号为 ，额定容量为 ，额定电压为（），联接组标号，短路阻抗 。绕组星形接线，中性点外引但不接地，侧采用三角形接线。绕组及其中性点雷电全波冲击耐受电压 （峰值），雷电截波冲击电压耐受值（峰值）。变压器绕组的电容实测值见表。表 配网变压器绕组电容量实测值 绕组电容低压对高压及地高压对低压及地 高低压对地电容量 绕组三角形接线的风电场升压变风电场升压站主变低压侧（侧）通过绝缘（热缩套）硬导线与开关柜相连，连接 侧套管硬导线长度约 ，开关柜通过电缆与 杆塔相连，电缆型号为 ，长 度，号杆塔处架空输电线路与入站电缆通过硬导线（长度约 ）引下线连接，在硬导线与电缆交接处安装有一组 避雷器，见图。图 风电场升压站接线图 升压变型号为 ，额定容量为 ，额定电压为（），联接组标号，短路阻抗 。绕组三角形接线，绕组星形接线中性点接地。绕组雷电全波冲击耐受电压 （峰值），雷电截波冲击电压耐受值 （峰值）。升压变绕组电容测试结果见表。表 风电场 升压变绕组电容量实测值 测试项目 低压对高压及地 高压对低压及地 高低压对地电容量 系统雷电过电压绝缘水平线路杆塔尺寸结构及波阻抗模型见图。导线型号为 ，杆塔顶端安装单根型号为 年第 期不同接地方式下变压器 绕组外部过电压特性分析及防治措施研究（总第 期）的架空避雷线，采用的 避雷器型号为，绝缘子型号为 ，每串绝缘子片数为 片，计算模型中避雷器伏安特性曲线及绝缘子串伏秒特性曲线见图，杆塔冲击接地电阻 。图 杆塔尺寸结构及波阻抗模型 图 计算模型中 避雷器及线路绝缘子串特征曲线 仿真模型的建立在 中建立雷电侵入波计算模型见图。为了对变压器绕组内部的电压分布进行分析，根据文献，建立变压器绕的梯形等值电路，变压器绕组被等分为 份，内部设置 个观测点，其中观测点 位于绕组首端，观测点 位于绕组尾端，雷电流采用 标准雷电波。图 两类变压器雷击过电压仿真模型 由于配网变电所近区 线路和风电场 集电线路均安装了避雷线，大幅值雷电流无法绕击到导线，因此在进行绕击雷电分析时选取幅值在 的雷电；线路反击耐雷水平在 区间，考虑到幅值 以上雷电流出现概率较小，本研究考虑反击时选取幅值在 的雷电。配网变压器雷击过电压及防治 雷电过电压特性分析在站外 侧第一基杆塔采用雷电流进行绕击和反击，得到不同雷电流幅值下变压器绕组内部电压分布情况。绕击雷电过电压以 雷电流绕击 相导线，得到主变入口和中性点的过电压幅值见表。表 星形接线中性点不接地情况下绕击雷电流引起的过电压幅值 雷电流幅值 变压器 相入口 中性点 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）在由于在 雷电流作用下 号杆塔 相绝缘子串未发生闪络，而 雷电流作用下 相绝缘子发生闪络导致部分雷电能量通过杆塔入地，所以雷电流幅值增大反而导致了过电压的减小；在 雷电流绕击下、号杆塔 相绝缘子串同时被闪络，导致入口和中性点的侵入波过电压幅值进一步减小。在 雷电流时，过电压波形见图。图 绕击雷电作用下星型接线 绕组过电压波形 反击雷电侵入波以 雷电流反击 号杆塔塔顶，得到主变入口和中性点的过电压幅值见表。表 星形接线中性点不接地情况下反击雷电流引起的过电压幅值 雷电流幅值 变压器入口 中性点 的反击雷电不能引起线路绝缘子串闪络，不会在变压器绕组首端和中性点产生过电压，在 雷电流反击下发生了 号杆塔的两相绝缘子串闪络，当反击雷电流幅值大于 时将引发 号杆塔三相绝缘子串的同时闪络。在 雷电流反击下，相关过电压波形见图。图 反击雷电作用下星型接线 绕组过电压波形 小结）绕击雷电流由于幅值较低小且在引发绝缘子串闪络的情况下不会导致大量雷电能量入侵变压器，所引起的过电压不会导致变压器入口及中性点电压超过理论耐受值。）大幅值反击雷电流引起的三相绝缘子串同时闪络，进而形成三相进波，是导致变压器中性点绝缘击穿的主要原因。）大幅值雷电流反击时，变压器单位长度绕组承受的电位差较绕击时大幅增加，是导致绕组匝间绝缘闪络的重要原因。治理措施研究考虑 雷电流反击，分别对 绕组中性点直接接地、经消弧线圈接地两种方式下的中性点防雷治理措施进行研究。直接接地在中性点直接接地情况下，中性点电位被钳制，不存在被雷电侵入波损坏的问题，对应的变压器入口电压及观测点电位差波形见图。年第 期不同接地方式下变压器 绕组外部过电压特性分析及防治措施研究（总第 期）图 中性点直接接地 反击雷电作用下星型接线 绕组过电压波形 从图 可知，在中性点直接接地后，变压器绕组首端过电压和单位长度绕组耐受电压并未降低，因此应该降低大雷电流反击情况下变压器单位长度绕组承受的电位差幅值。下面采用在 号杆塔加装一组 避雷器的方式进行治理，在相同的反击雷电作用下，观测点之间的电位差波形见图。图 号杆塔加装避雷器 反击雷电作用下星型接线 绕组过电压波形 经消弧线圈接地为防止单相接地导致弧光接地过电压，配网变压器越来越多经消弧线圈接地，由于消弧线圈的电感效应，在冲击电流作用下容易产生过电压。如果配变中性点安装容量为 的消弧线圈，在 号杆塔遭受 反击雷电流作用下中性点过电压波形见图。从图 可知，消弧线圈对快速暂态电流的阻碍导致大幅值雷电反击情况下中性点过电压超过变压器及消弧线圈的理论耐受值。实际上，对于中性点不接地、经消弧线圈接地、小电阻接地等情况，均应采用 避雷器对变压器中性点和加装设备本身进行过电压保护。在安装 避雷器后，反击雷电流作用下中性点过电压波形见图。图 中性点安装消弧线圈情况下 雷电流反击引起的过电压波形 图 中性点安装避雷器情况下 雷电流反击引起的过电压 小结）对于中性点直接接地的星型接线 绕组，大幅值雷电流反击所导致的变压器绕组匝间绝缘击穿是主要威胁，可通过在出线第一基杆塔安装 避雷器进行防治。）对于中性点非直接接地的情况，可以通过安装 避雷器进行治理，可对中性点及加装的消弧线圈等装置进行有效保护。）对于星型接线的 绕组，其中性点应外引并安装 避雷器，未外引的应进行改造后再加装 避雷器。风电场升压变雷击过电压及防治 雷电过电压特性分析 绕击雷电过电压在不同绕击雷电流作用在 号杆塔 相导线时，升压变的入口电压见表。年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）表 绕组三角形情况下绕击雷电流引起的过电压幅值 绕击雷电流幅值 过电压幅值 对于升压站 号杆塔雷电绕击，由于电缆与杆塔引下线交接处避雷器及开关柜避雷器同时释放雷电能量，入口电压的提升并不明显。在 雷电绕击下，变压器内部单位长度绕组承受的过电压波形见图。图 雷电流绕击 号杆塔 相导线时升压变绕组内部电压波形 反击雷电过电压以 雷电流反击 号杆塔塔顶，得到升压变入口过电压幅值见表。表 绕组三角形情况下反击雷电流引起的过电压幅值 雷电流幅值 过电压幅值 当 反击雷电流作用时，仅单相绝缘子串闪络，在 雷电流作用下三相绝缘子串同时闪络，使得过电压幅值降低。在 雷电流反击下，变压器出口及内部单位长度绕组承受的过电压波形见图。图 雷电流反击 号杆塔时升压变绕组内部电压波形 年第 期不同接地方式下变压器 绕组外部过电压特性分析及防治措施研究（总第 期）小结）对于三角形接线的 绕组，反击雷电流所引起的入口过电压未超过变压器理论耐受值。）大幅值反击雷电流引起的三相进波使得三角形接线绕组单位长度承受过电压幅值增大，导致绕组匝绝缘损坏的可能性较星型接线情况下大。治理措施研究由于大幅值雷电反击导致三相绝缘子串闪络，三相进波使得能量集中于变压绕组内部，由于没有中性点外引，其能量泄放主要通过避雷器。本研究中升压变安装在开关柜内，连接 侧套管与避雷器的硬导线长度约 ，如果在升压变 绕组入口处加装一组 避雷器，以 雷电流反击 号杆塔塔顶，得到升压变入口过电压幅值见表，雷电流反击 号杆塔变压器出口及内部单位长度绕组承受的过电压波形见图。表 绕组三角形情况下反击雷电流引起的过电压幅值 雷电流幅值 过电压幅值 图 加装一组避雷器后 雷电流反击 号杆塔时升压变绕组内部电压波形 在升压变 绕组入口增加一组 避雷器后，能够有效限制入口过电压及内部单位长度绕组承受的过电压。结论本研究通过建立 绕组星形接线的配网变压器及三角形接线的风电场升压变雷电过电压仿真模型，对近区雷击导致的侵入波过电压进行了量化分析，对防雷措施的有效性进行了研究，得出如下结论：）反击雷电，尤其是大幅值反击雷电所导致的三相同时遭受侵入波是引起变压器 绕组损坏的重要原因。）对于星形接线的 绕组，如果中性点非直接接地，应该采用在中性点和 输电线路第一基杆塔安装避雷器方式进行雷电防治。）对于三角形接线的 绕组，应该在变压器套管处就近安装 避雷器进行侵入波能量吸收。参考文献：敬亮兵，方梦鸽，李臻奇，等 变压器接地新方法研究 电瓷避雷器，：，（）：徐丙垠，李天友 配电网中性点接地方式若干问题的探讨 供用电，（）：，（）：郭丽伟，薛永端，徐丙垠，等 中性点接地方式对供电可靠性的影响分析 电网技术，（）：，年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期），（）：金晖 关于电网中性点接地方式的探讨 中国电力企业管理，（）：，（）：刘玉林，王琨，赵一龙，等 基于电流源模型的中性点不接地系统铁磁谐振频域解析方法 电气自动化，（）：，（）：王雪文 基于多端同步波形的配电网小电流接地故障区段定位技术 济南：山东大学，刘科研，盛万兴，董伟杰 配电网弧光接地故障建模仿真与实验研究综述 高电压技术，（）：，（）：刘守豹，曾伟，廖文龙，等 输电线路雷击特性及防雷措施研究 电瓷避雷器，（）：，（）：刘守豹，吴晓晖，曾宏，等 变压器雷电侵入波过电压及治理措施研究（）：，（）：宋晓菲 架空输电线路雷击模型及防雷应用研究 西安：西安工程大学，孟伟航 配电线路多断点主动灭弧间隙防雷保护研究 南宁：广西大学，刘建华，李鹏飞，庞乐乐，等 提高 架空输电线路反击耐雷水平的仿真优化分析 ，（）：徐偲畅 基于