50602204828电压互感器二次绕组中性点保护措施的实验和仿真分析研究_0

电压互感器二次绕组中性点保护措施的实验和仿真分析研究ExperimentandSimulationAnalysisonNeutral-pointProtectionofPT’sSecondaryWinding李谦郑晓光饶章权（广东电力科学研究院，广州510600）刘玮梁文进（广东电网公司，广州510600）袁亮荣（广东省电力调度中心，广州510600）游伏生（广东省电力设计研究院，广州510600）林福昌（华中科技大学，武汉430074）曾嵘（清华大学，北京100084）提要：针对近年来广东电网多次发生因电压互感器二次绕组中性点安装的放电间隙不正确击穿造成保护误动的事故，为防止类似事件的再次发生，明确电压互感器二次中性点安装放电间隙或避雷器的安装条件和技术要求，广东电网公司立项开展电压互感器二次绕组中性点保护问题的专题研究。通过在国内首次完整地进行雷电侵入、雷直击和工频接地故障状态下二次绕组中性点的雷电传递和地网两点间电位差的实验和仿真研究，确定了二次绕组中性点的雷电传递过电压水平和二次绕组中性点间暂态和稳态电位差水平，得出应采用氧化锌避雷器作为二次绕组中性点的过电压保护措施的重要结论，并提出了避雷器参数选择的基本原则和选型方案。Abstract：TheaccidentsaboutmalfunctionofprotectionhavecomeoutforseveraltimesinGuangdongpowernetwork,duetoincorrectinstallationofdischargegapattheneutralpointofthesecondarywindingofthevoltagetransformer.Experimentsandnumericalsimulationsarecarriedoutforthefirsttimeinthecountrytostudythelightningtransferintheneutralpointofthesecondarywindingandpotentialdifferencebetweentwopointsofgroundnetworkunderthesituationoflightninginvasion,directlightningstrokeandpowerfrequencygroundingfault.Asaresult,over-voltageleveloflightningtransmissionattheneutralpointofthesecondarywinding,andthepotentialdifferencebetweenneutralpointsofsecondarywindingsunderbothtransientandsteady-statesituationsaredetermined.ZnOArresteraresuggestedtoprotectagainsttheover-voltageoftheneutralpointofthesecondarywinding.Thebasicprinciplesforthechoiceofthearresterparametersandselectionschemearealsoproposed.关键词：电压互感器二次绕组中性点过电压保护氧化锌避雷器研究Keyword：voltagetransformer;neutralpointofsecondarywinding;over-voltageprotection;ZnOarrester;research1前言1.1我国电压互感器二次绕组中性点保护方式我国电力行业标准DL400—91《继电保护和安全自动装置技术规程》明确规定电压互感器的二次回路只允许有一处接地，接地点宜设在控制室内。由于电压互感器二次回路容易受到直击雷或线路雷电侵入波传递过电压的威胁，我国《电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点》第8.4条作了进一步规定，必要时可以在开关场将电压互感器二次接线圈中性点经放电间隙或氧化锌阀片接地，作为在现场安装处对其中性点实现的附加保护，如图1所示。考虑到广东电网地处雷电活动强烈的区域，在电压互感器回路外场安装过电压保护器件有着的客观现实需要。保保保保abTVMOAabTV图1电压互感器二次回路接地方式示意图1.2电压互感器二次绕组中性点过电压保护的绝缘配合要求根据绝缘配合原则，保护装置（放电间隙或避雷器）的启动电压必须同时满足两个方面要求：1）首先，保护装置应在雷电侵入波耦合到二次回路时可靠动作，其启动电压应低于二次绕组回路绝缘的雷电冲击传递耐受水平，由于后者目前尚没有相关的标准和规定，参考国标GB1207—1997《电压互感器》和GB/T4703—2001《电容式电压互感器》，保守可取为二次端子中性点对地的工频耐受电压的峰值，即3000×2≈4242V；考虑到冲击绝缘水平的增高效应，二次端子中性点对地的冲击耐压水平还会更高。2）在电网发生工频接地故障，变电站地网注入最大的短路电流时，要求图1中a、b两点间在承受最大电位差下保护装置不动作，确保在关键时刻不出现不允许的二次回路两点接地，这就要求其启动电压应大于电网发生接地故障时可能出现的开关场两点地电位差的最大值。1.3电压互感器二次绕组中性点在开关场的保护性接地存在的问题长期以来，广东电网普遍选用电压互感器二次绕组中性点击穿保险（内部是放电间隙）。由于放电间隙具有自身固有的弱点和缺陷，如放电电压不稳定，分散性较大；击穿电压选择不合理；电极容易氧化，运行中发生炭化等，近年来，广东电网多次发生因放电间隙不正确击穿而造成保护误动的事故，随着电网容量的增加，这个问题更加严峻和突出。佛山局2007年4月30日发生的220kV罗三乙线B屏保护误动事故就是由于保护间隙发生误击穿导致电压互感器因二次回路发生两点接地而误动作的一个典型例子，事后解体检查发现罗三乙线线路TYDN600的击穿保险内部导流片表层已经炭化。为此，基层单位每年均须对现场大量的电压互感器二次中性点放电间隙进行检查和试验，即使如此，仍无法避免间隙误动、缺陷等造成的电压互感器二次回路两点接地隐患。大量运行实践和总结分析证明，采用放电间隙不是电压互感器二次绕组中性点过电压保护的理想选择。低压无间隙金属氧化物避雷器（以下简称MOA）具有优异的非线性伏安特性，但长期以来该方向的研究很少，氧化物避雷器技术参数选择五花八门，一直没有统一的选型标准和技术规范，更多的是简单地套用具有标准化产品参数的低压无间隙金属氧化物避雷器，导致使避雷器经常起不到期望的保护效果，严重者可能发生因避雷器额定电压选择过低导致不正确动作，引起电压互感器二次回路多点接地而导致保护误动作，氧化锌避雷器优异的保护特性远远没有能够发挥出来。2电压互感器二次回路中性点未加保护时雷电冲击传递过电压试验和数值仿真研究选择比较有代表性的电磁式电压互感器和电容型电压互感器试品用于实验室雷电冲击传递过电压试验研究和数值仿真分析，分别是#1PT（湖南电力电瓷电器厂，JDCF-220（WB）型）、#2PT（沈阳互感器厂，JDCF-110型）、#3PT（上海互感器厂，JCCZ-110型）和#4CVT（无锡电力电容器厂，TYD2-110/3-001H型）。实验原理如图2所示，其中，将二次绕组的首端接入一个阻值为50Ω电阻R模拟二次绕组中性点电压受电缆的波阻抗的影响和二次绕组的负载，末端接一段长电缆以模拟现场实际情况，在高压侧加冲击电压波（选用1.25/50μs的标准雷电冲击波形，并改变波头时间）后，在二次绕组末端处（B点）挂高压探头，用示波器测量雷电传递过电压。L1R1Cg1C12R2L2Cg2图2电压互感器二次侧冲击电压传递试验原理图图3典型的电压互感器等值电路变电站异常近区落雷，或变电站遭受直击雷过电压，当雷电冲击电压侵入电压互感器绕组时，绕组间的电压传递基本上按静电耦合和电磁耦合产生。为了分析方便，常用集中参数代替分布参数以分析计算线圈波过程，用图3以线饼为单元的集中参数的链型网络做为电压互感器的等值电路，高低压绕组分别分为3个线饼，图中Cgi为对地电容，C12为高低压绕组间的电容，Ri，Li分别为绕组的自阻和自感。基于图3的等效电路，在ATP软件中建立了PT和CVT的仿真模型，其中PT的高低压绕组都是由5个RLC单元组成。电磁式电压互感器和电容型电压互感器二次绕组中性点雷电冲击传递过电压的典型试验波形和仿真波形的比较如图4和图5所示，两者基本吻合，数值上基本相近，大量的实验和仿真计算结果验证了仿真计算结果的有效性，可将数值分析研究对象进一步拓宽到多个电压等级和型号的电压互感器，以及多种雷电冲击波形和更高的雷电冲击电压幅值来进行。仿真计算时，110kV到500kV等级的电压互感器一次侧雷电冲击电压幅值，分别取到相应电压等级的避雷器的保护水平。(file变压器的分布模型传递过电压测量.pl4;x-vart)v:20246810[us]-2000-1000010002000300040005000[V]（a）试验波形（b）仿真波形图4电磁式电压互感器（110kV#2PT）二次侧经电缆接负载中性点电压典型试验和仿真波形(file变压器的分布模型传递过电压测量.pl4;x-vart)v:20246810[us]-6-3036912[kV]（a）试验波形（b）仿真波形图5电容型电压互感器（110kV#4CVT）二次侧中性点电压典型试验和仿真波形二次回路中性点未加保护措施时雷电冲击传递过电压的模拟实验和数值仿真计算结果表明[4]：（1）对于电磁式电压互感器，雷电波波头在1.2μs左右，一次侧雷电冲击电压幅值在200～300kV，110kVPT二次回路中性点传递过电压幅值为2～3kV之间；当雷电波波头缩短到0.5μs左右，中性点传递过电压幅值可达3.6kV。当波头缩短到0.5μs以下，220kVPT二次回路中性点传递过电压幅值急剧升高，一次侧冲击电压幅值为320～400kV时，中性点传递过电压幅值为可达7～8.5kV。（2）对于电容型电压互感器，总体的二次回路中性点传递过电压幅值非常高。一次侧冲击电压幅值为200kV左右，波头在2.5～5μs，110kVCVT二次回路中性点传递过电压幅值即达7～8.6kV；数值计算结果显示，雷电波波头在1.2μs以下，二次回路中性点传递过电压幅值将超过10kV。（3）雷电冲击波头对二次侧振荡峰值的影响非常明显，PT和CVT的传递过电压幅值均随波头时间的缩短（波形较陡）而上升。在严重情况下（一次侧雷电冲击电压幅值较高或波形较陡，）二次回路中性点传递过电压幅值已大大超过二次端子中性点对地的雷电冲击耐受水平（前述的≈4242V），电压互感器一次侧传递到二次回路中性点的雷电冲击过电压将对二次端子的绝缘耐受造成很大的威胁，尤以电容式电压互感器为严重，需要重点防范，在电压互感器二次回路中性点就地安装过电压保护措施完全有必要，并应选择无间隙金属氧化锌避雷器作为保护措施。3变电站接地短路故障和雷电直击状态下接地网电位分布的仿真和实验研究当系统发生短路故障时，变电站接地网上的电位分布是不均匀的，为了解变电站发生单相接地短路时两点间最大电压差，以便为二次绕组中性点避雷器的动作电压选择提供依据，利用加拿大CDEGS（电流分布、电磁干扰、接地和土壤结构分析）软件进行变电站接地短路故障和雷电直击状态下接地网电位分布的仿真计算分析。取典型的广东地区110kV变电站为研究对象，地网尺寸为150m×150m，网格间隔为10m；土壤结构近似取水平分层为2层，第一层厚度10m（土壤电阻率1500Ωm），第二层到无穷（土壤电阻率300Ωm）；水平接地网埋深0.8m，导体半径0.01m，材料参数（相对于铜）为相对电阻率12，相对磁导率10，注入电流接地网故障电流取1kA。以肇庆局220kV旺新变电站和潮州局110kV所城变电站为研究对象，向变电站主接地网注入工频大电流或类工频小电流，来模