220kV变压器中性点串抗过电压仿真分析

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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）SimulationAnalysisofNeutralPointSeriesReactanceOvervoltageof220kVTransformerSONGKunyu，ZHAOXiaofeng，WANGZengbing，LVHong，YANGXian（ElectricPowerResearchInstituteofGuangdongPowerGridCo.,Ltd.GuangzhouGuangdong510080China）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20Ω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:Theneutralpointof220kVsystemisusuallyoperatedbydirectgrounding.Recentoperatingexperienceshowsthattheno-loadinrushcurrentandsingle-phasegroundingfaultcurrentarerelativelylargeunderthismode,whichaffectsthestableoperationofthesystem.Inordertosolvetheaboveproblems,thepossibilityofneutralgroundingthroughsmallreactanceisdiscussedinthispaper.Asimulationmodelfora220kVsystemisestablishedbasedonATP-EMTP.Thepowerfrequencyovervoltage,switchingovervoltageandlightningovervoltageatneutralpointarecalculatedunderdifferentworkingconditions.Theresultsshowthatthepowerfrequencyovervoltageatneutralpointis-55.6kV(0.40p.u),theoperatingovervoltageis-19.2kV(0.09p.u),andthelightningovervoltageis218kV(1.10p.u)whenthereactanceatneutralpointseriesis20Ω.Theresultscanprovidereferencefortheselectionofneutralpointreactorandover-voltageinsulationcoordination.Keywords:neutralpoint;smallreactance;overvoltage;simulationanalysis0引言外学者[9-11]综合考虑，论证了变压器中性点经小220kV系统中，变压器中性点直接接地可减电抗接地的可行性，表示中性点串阻抗可有效抑少变压器中性点的绝缘水平，降低工程造价，在制励磁涌流，并限制单相接地过电压。目前在深电网中广泛采用[1-3]。近年来运行经验表明，中圳110kV向前站、贵州220kV开阳站已开展中性性点直接接地系统也存在一些弊端。一方面：空点小电抗接地试运行，效果良好[12]。载变压器合闸时可能会出现励磁涌流过大导致保对此，本文使用ATP-EMTP，以东莞某220kV护跳闸现象[4-5]。针对这一现象，目前励磁涌流系统建立仿真模型，计算了串抗条件下工频过电的抑制方法主要有两种，一种是识别励磁涌流与压、操作过电压以及雷电过电压。依据过电压与选相合闸技术，但在实际应用中尚有不确定性[6]。绝缘配合，确定中性点绝缘水平与电抗器的运行另一种是中性点串联合闸阻抗，该方法直接有效，参数。同时会增加运行成本[7]。1仿真模型另一方面，在220kV直接接地系统中，发生1.1某220kV系统单相接地故障时，由于零序阻抗较低，单相接地考虑如下系统，如图1所示，某220kV变电故障电流较大，甚至超过三相短路电流，严重威站为户外常规变电站，现有220kV主变3台，容胁变压器绕组的安全[8]。为解决上述问题，国内量为3×240MVA，其中#1、#2变电站中性点采用

12019年中国电机工程学会年会论文集直接接地并联避雷器，#3变压器中性点考虑经小工频过电压包括接地故障过电压与空载容升电抗接地的运行方式。220kV配电装置采用双母过电压，仿真主要针对中性点过电压水平展开，线接线，现有出线2回；110kV配电装置采用双空载容升过电压对中性点电压无影响，在此不进母线双分段接线，现有出线7回。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。220kV2.1.1单相接地故障分析#1#2#3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110kV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。图1某变电站接线示意图40Fig.1Connectionschematicdiagramofasubstation[kV]#1接地#2不接地25#2接地#1不接地1.2元件参数10电源模型：采用单电源模型对进线侧电源进行-5模拟，其中送端电源峰值选取24223=197kV。-20输电线路模型：进线侧采用2×LGJX-630/55-35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频率-500481216[ms]20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图210km处短路故障#3中性点过电压水平相波阻抗模拟，波阻抗值选取280Ω[14]。Fig.2ShortCircuitFaultat110km#3NeutralPoint变压器模型：采用ATP/EMTP中提供的饱和OvervoltageLevel变压器模型SATTRAFO模拟变压器，变压器（1）工况一：两回线路正常运行，#3主变220kV侧套管等效电容200pF，110kV侧套管等高压侧中性点过电压与单相接地故障点有关，最效电容50pF，10kV侧等效电容忽略[15]。严重情况为距离变电站10km处，变压器中性点避雷器模型：变电站220kV母线避雷器型号过电压值为-55.6kV（0.40p.u.），见表1所示。Y10W-200/496W，中性点避雷器型号表1一回正常运行、一回单相接地运行工况下，不同故Y1.5W-144/320W，110kV侧避雷器型号障点时的变压器中性点过电压值Y10W-108/268W，11kV侧避雷器型号Tab.1TransformerNeutralPointOvervoltageValueatYH5WR-16.5/45。采用ATP/EMTP中采用非线性DifferentFaultPointsMOV元件模拟。其余模型：断路器分合闸采用时控开关模型编号123456模拟，分闸状态下的断路器采用对地电容模拟，距变距变距变电距变电距变电等效值为200-300pF，采用对地电容模拟电容式故障点母线电站电站站站站电压互感器[16]，其中110kV等级CVT等效电容1km5km10km15km20km8000pF，220kV等级CVT等效电容6500pF。变压器中性点过电-55.6-46.1-49.7-47.0-33.4-30.22仿真分析压（kV）2.1工频过电压

22019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、另一回表3#3变压器中性点过电压水平单相接地故障条件下，#3主变高压侧中性点过电Tab.3#3TransformerNeutralPointOvervoltageLevel压见表2所示。最严重情况为母线发生单相接地，系统运行方式3#主变中性点过电压水平（kV）变压器中性点过电压值为-49.8kV（0.35p.u.）。两相合上6.97表2一回停运、一回单相接地故障工况下，不同故障点两相断开3.82时的变压器中性点过电压值可以看出，非全相运行时中性点电压水平较Tab.2TransformerNeutralPointOvervoltageValueat低，20Ω串抗接地对中性点绝缘不会造成影响，DifferentFaultPoints同时对电抗器自身耐压要求不高。编号123456综上所述，考虑单相接地故障和非全相运行距变距变距变距变距变引起工频过电压的工况，3#主变中性点加装20Ω故障点母线电站电站电站电站电站串抗后中性点过电压可达-55.6kV（0.40p.u.）。1km5km10km15km20km变压器2.2操作过电压中性点对220kV系统应该预测空载线路合闸和单相-49.8-42.2-35.6-32.6-29.0-25.6过电压重合闸在线路上产生的相对地过电压，校核线路（kV）的绝缘水平是否满足操作过电压的要求。2.2.1单相重合闸将不同工况下中性点过电压绘制成折线图，计算得到中性点电压如图4所示，可以看出如图3所示，可以看出，工况一的过电压明显高中性点串联20Ω电抗接地情况下，中性点过电压于工况二，这是因为一回正常运行，一回单相接为-19.2kV（0.09p.u），中性点不接地情况下，中地时，单相接地故障点处会产生耦合过电压于正性点过电压为27.5kV（0.14p.u），中性点直接接常运行线路上，提高了过电压水平。同时可以看地情况下，中性点过电压为0。出，随着故障点与变电站距离的增加，#3变压器30中性点过电压水平随之下降，当故障发生在20km[kV]20Ω串抗中性点不接地处时，过电压水平约为25-30kV。19100工况一8工况二80-360-1440-25过电压峰值/kV02468[ms]10侧操作过电压时控开关l4)20图4单相重合闸中性点过电压波形Fig.4Overvoltagewaveformofsingle-phase0123456reclosureneutralpoint编号2.2.2三相重合闸图3单相接地故障时过电压水平计算得到中性点电压如图5所示，可以看出Fig.3OvervoltageLevelinSinglePhaseGroundingFault中性点串联20Ω电抗接地情况下，中性点过电压2.1.2非全相运行过电压分析为4.6kV（0.02p.u），中性点不接地情况下，中性电网非全相运行时，由于三相不对称，造成点过电压为10.5kV（0.05p.u），中性点直接接地中性点过电压。经计算，两相合上、一相断开的情况下，中性点过电压为0。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。

32019年中国电机工程学会年会论文集8100[kV]20Ω串抗[kV]20Ω串抗中性点不接地中性点不接地04中性点直接接地-1000-200-4-300-8-4000.00.10.20.30.4[ms]0.5-12侧雷击过电压2kl4)02468[ms]10图6进线CVT处电压波形侧操作过电压时控开关l4)图5三相重合闸中性点过电压波形Fig.6VoltagewaveformattheCVToftheincominglineFig.5Overvoltagewaveformofneutralpointinthree-phase100reclosure[kV]20Ω串抗中性点不接地50综上，操作过电压情况下，单相重合闸对中0性点产生的过电压水平更高，峰值约为-19.2kV（0.09p.u），三相重合闸时中性点过电压水平相对-50较低。-1002.3雷电过电压-150计算中考虑反击与绕击情况下变电站雷电侵-2000.00.10.20.30.4[ms]0.5入过电压，偏严考虑雷电侵入波波形为1.2/50μs，侧雷击过电压)a）雷电流为11kA电流极性为负。由于雷电过电压持续时间较短（数150十微秒）[17]。绕击选择以下四种情况下的雷电流[kV]20Ω串抗100中性点不接地幅值进行计算：50a）绝缘子不发生闪络时的最大雷电流（绝缘子0闪络电压为1350kV）-50b）设备绝缘不发生击穿的最大雷电流（设备绝-100缘水平按照雷电冲击耐压水平选为950kV）-150c）平均雷电流幅值29.87kA，-2000.00.10.20.30.4[ms]0.5d）雷电定位系统记录的最大雷电流幅值（52.3kA）侧雷击过电压2k215l4)当进线2km处发生52kA绕击雷过电压时，b）雷电流为9kA三种运行方式下的母线故障相过电压峰值均为80400kV（2.03p.u）左右，此时变电站进线侧避雷[kV]20Ω串抗中性点不接地40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，0对避雷器正常动作情况下中性点的过电压进行分-40析。中性点电压波形如图7所示，整理电压峰值-80如表4所示。-120-1600.00.10.20.30.4[ms]0.5侧雷击过电压2k215l4)c)雷电流为29.87kA

42019年中国电机工程学会年会论文集10020[kV]20Ω串抗[kV]20Ω串抗50中性点不接地15中性点不接地010-505-1000-150-5-10-2000.00.10.20.30.4[ms]0.5过-150.00.10.20.30.4[ms]0.5d）雷电流为52.3kA侧雷击过电压2k215l4)图7#3变压器中性点电压波形b）雷电流为29.87kAFig.7#3TransformerNeutralPointVoltageWaveform40[kV]20Ω串抗表4#3变压器中性点电压30中性点不接地Tab.4#3TransformerNeutralPointVoltage20串20Ω电抗不接地运行直接接地运行10A-11kA（击穿）-90kV-176kV00B-9kA(未击穿)-97kV-197kV0-10C-29.87kA(击穿)-81kV-160kV0-200.00.10.20.30.4[ms]0.5D-52.3kA（击穿）91kV-173kV0侧雷击过电压2k215l4)c）雷电流为52.3kA250由表4可以看出，不接地运行时，#3变压器[kV]20Ω串抗中性点不接地中性点电压峰值最高，可达到197kV，串20Ω电150抗时，中性点电压峰值<100kV。绕击时产生的最50大过电压是雷电流为-9kA，此时绝缘子未发生击-50穿，雷电流直接作用于输电线路上。而其他雷电-150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。-250（2）反击过电压-3500.00.10.20.30.4[ms]0.5考虑横步线2km处落雷反击导线，对避雷器侧雷击过电压2kl4)正常动作情况下中性点的过电压进行分析。中性d）雷电流为93kA点电压波形如图8所示，整理电压峰值如表5所图8#3变压器高压侧中性点电压示。Fig.8#3TransformerHighVoltageSideNeutralPoint7000Voltage[V]20Ω串抗中性点不接地5000在雷电流较小时，雷电反击输电线路未造成3000击穿，此时线路上主要为感应过电压，可以看出1000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，不接地运行时中性-1000点过电压峰值最高，可达到337kV，串20Ω电抗-3000中性点电压峰值为218kV。-50000.00.10.20.30.4[ms]0.5侧雷击过电压2k215l4)a）雷电流为11kA

52019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[5]傅伟,赵莉华,梁勇,等.多台变压器空载合闸励磁涌流及其抑制方案的研究[J].电力系统保护与控制,2015,43(01):28-33.Tab.5#3TransformerNeutralPointVoltageFUWei,ZHAOLihua,LIANGYong,etal.Researchon串20Ω电抗不接地运行直接接地运行excitationinrushcurrentanditssuppressionschemeofno-loadclosingoftransformers.[J].Powersystemprotectionandcontrol,A-11kA（未击穿）2.8kV3.6kV02015,43(01):28-33.[6]李伟,黄金,方春恩,等.基于相控开关技术的空载变压器励磁涌B-29.87kA(未击穿)7.5kV13.1kV0流抑制研究[J].高压电器,2010,46(05):9-1C-52.3kA(未击穿)12.3kV18.9kV0LIWei,HUANGJin,FANGChun-en,etal.ResearchonInrushCurrentSuppressionofNo-loadTransformerBasedonD-93kA（击穿）-218kV-337kV0Phase-controlledSwitchingTechnology[J].HighVoltageElectricalAppliances,2010,46(05):9-13结论[7]刘涛,颜廷武,卜新良,等.基于合闸电阻的变压器励磁涌流相控技术研究[J].高压电器,2018,54(03):109-114.本文采用ATP-EMTP建立仿真模型，针对某LIUTao,YANTingwu,BUXinliang,etal.Researchon220kV系统变压器中性点加装20Ω串抗后中性点transformerinrushphasecontroltechnologybasedonswitchingresistance[J].Highvoltageelectricalappliances,2018,54(03):过电压进行仿真计算，结果如下109-114.（1）工频过电压情况下，单相接地故障时中[8]梁纪峰,刘文颖,梁才,等.500kV自耦变中性点串接小电抗对接性点过电压水平最高，约-55.6kV（0.40p.u），且地短路电流限制效果分析[J].电力系统保护与控制,2011,39(13):96-99+110.中性点过电压随故障点的距离呈负相关。非全相LIANGJifeng,LIUWenyin,LIANGCai.Analysisofthe运行时中性点过电压水平较低，约3~7kV。LimitingEffectofSmallReactanceSeriesConnectedwith（2）操作过电压情况下，单相重合闸时中性NeutralPointof500kVAutotransformeronGroundingShortCircuitCurrent[J].PowerSystemProtectionandControl,点过电压水平最高，约-19.2kV（0.09p.u），三相2011,39(13):96-99+110.重合闸中性点过电压水平较低，约为4.6kV[9]CAOHuazhen.Studyoninstallingsmallreactanceinneutralpointof500kVtransformeronGuangdongpowergrid[C]IEEE（0.02p.u）。10.1109/ICECENG.2011.6058464（3）雷电过电压情况下，考虑2km处落雷，[10]王建伟,王建民,王宇.500kV变压器中性点经小电抗接地的计算雷电反击过电压时中性点过电压水平最高，电压和应用方法分析[J].变压器,2018,55(08):12-16.WANGJianwei,WANGJianmin,WANGYu.500kV峰值约为218kV，雷电绕击过电压中性点过电压transformerneutralpointgroundedbysmallreactancecalculation约为100kV。andapplicationmethodanalysis[J].Transformer,2018,55(08):中性点加装小电抗时需考虑过电压与绝缘配12-16.[11]陆国庆,姜新宇,江健武,等.110kV及220kV系统变压器中性点合，本文计算的三种过电压可为同等级系统电抗经小电抗接地方式的研究及其应用[J].电网技器选型与绝缘选择提供参考。术,2006(01):70-74.LUGuoqing,JIANGXinyu,JIANGJianwu,etal.Researchand参考文献:applicationofgroundingmodeoftransformerneutralpoint[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throughsmallreactancein110kVand220kVsystems[J].Power技术,2004(04):60-61+64.gridtechnology,2006(01):70-74.LINZhichao.Selectionandapplicationofneutralgrounding[12]于化鹏,陈水明,杨鹏程,等.220kV变压器中性点经小电抗接地modeinmediumvoltagepowernetworksystem[J].HighVoltage方式[J].电网技术,2011,35(01):146-151.Technology,2004(04):60-61+64.YUHuapeng,CHENShuiming,YANGPengcheng,etal.220kV[2]许颖.电力网中性点接地问题[J].电网技术,1991(03):90-93.transformerneutralpointgroundedbysmallreactance[J].PowerXUYing.NeutralGroundingProbleminPowerNetwork[J].gridtechnology,2011,35(01):146-151.PowerNetworkTechnology,1991(03):90-93.[13]陈文广,朱映洁,潘春平.一种新型的220kV垂直排列四回路塔[3]曹亚旭,邵鹏,景中炤,等.变压器中性点运行方式分析[J].电力系性能研究[J].广东电力,2013,26(01):68-73.统保护与控制,2010,38(05):115-118.CHENWenguang,ZHUYingjie,PANChunping.StudyonCAOYaxu,SHAOPeng,JINGZhongzhang,etal.Analysisofperformanceofanew220kVverticalfour-looptower[J].operationmodeoftransformerneutralpoint[J].PowersystemGuangdongElectricPower,2013,26(01):68-73.protectionandcontrol,2010,38(05):115-118.[14]蒋威,王克甫.输电线路杆塔的多波阻抗模型研究[J].电气应[4]郝治国,张保会,褚云龙,等.变压器空载合闸励磁涌流抑制技术用,2014,33(12):52-54.研究[J].高压电器,2005(02):81-84.JIANGWei,WANGKefu.Multi-waveimpedancemodelofHAOZhiguo,ZHANGBaohui,ZHUYunlong,etal.Researchontransmissionlinepolesandtowers[J].Electricalapplications,InrushCurrentSuppressionTechnologyforNo-loadSwitchingof2014,33(12):52-54.Transformers[J].HighVoltageElectricalAppliances,2005(02):[15]李谦.220kV板桥变电站母联断路器故障的雷电波过电压分析81-84.[J].广东电力,2012,25(03):105-108.

62019年中国电机工程学会年会论文集LIQian.LightningWaveOvervoltageAnalysisofBusCircuitSupplyBureau[J].GuangdongElectricPower,2002(01):9-12BreakerFaultin.220kVBanqiaoSubstation[J].Guangdong[17]Nekhoul,B.,Harrat,B.,Boufenneche,L.,Chouki,M.,Poljak,ElectricPower,2012,25(03):105-108.D.,Kerroum,K..Asimplifiedapporoachtothestudyof[16]彭向阳,陈禾,钟建灵.深圳供电局110kV联城变电站过电压的electromagnetictransientsgeneratedbylightningstrokeinpower分析[J].广东电力,2002(01):9-12.network[P].ElectromagneticCompatibility(EMCEurope),2014PENGXiangyang,CHENHe,ZHONGJianling.AnalysisofInternationalSymposiumon,2014.Overvoltagein110kVLianchengSubstationofShenzhenPower