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 Co.,L
2、td.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抗器选型以及过电压绝缘配
3、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 operation of the sys
4、tem.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 overvoltage at neutral point ar
5、e 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 point series is 20.The results can
6、 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
7、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
8、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#3220kV110kV
9、 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 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 28014。变压器模型：采用 ATP/EMTP中提供的饱和变压器模型 SAT
10、TRAFO 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-16.5/45。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
11、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。2.1.1 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
12、两种情况，其典型波形如图 2所示。0 4 8 12 16 20ms-50-35-20-5102540kV#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 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
13、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
14、.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 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
15、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 Tran
16、sformer 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
17、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 10ms-25-14-381930kV20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
18、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 10.5kV（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 6020406080100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 10ms-12-8-4048kV 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
19、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绕击雷过电压时，三种运
20、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 0.5ms-400-300-200-1000100kV20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 of the incoming line 侧雷击过电压)0.0 0
21、.1 0.2 0.3 0.4 0.5ms-200-150-100-50050100kV20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 0.5ms-200-150-100-50050100150kV 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 0.5ms-160-120-80-4004080kV20串抗中性点不接地 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 0.5ms-200-
22、150-100-50050100kV20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 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
23、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 0.5ms-5000-3000-10001000300050007000V20串抗中性点不接地
24、 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 0.5ms-15-10-505101520kV20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 0.5ms-20-10010203040kV 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 0.5ms-350-250-150-5050150250kV 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
25、 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
26、-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
27、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 ne
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