电压互感器二次绕组中性点的雷电传递

电压互感器二次绕组中性点的雷电传递

中国能源行业标准l400-1991年《电气工程》明确规定，电压传感器二次组只能连接，接地应在试验室内。由于电压互感器二次绕组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。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。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绕组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。运行实践和分析证明,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)是另一种选择,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一直没有统一的选型标准和技术规范。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,广东电网公司开展了电压互感器二次绕组中性点保护问题的专题研究。1试验结果和分析选择比较有代表性的JDCF-110型电磁式电压互感器TV1和TYD2-110/3-001H型电容式电压互感器TV2作为试品,实验原理如图1所示。其中,将二次绕组的首端接入一个阻值为50Ω电阻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(V1)测量雷电传递过电压。典型试验波形如图2所示。用集中参数简化分析计算线圈波过程,在ATP软件中建立PT和CVT的仿真模型进行雷电传递过电压暂态过程仿真计算。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。二次绕组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: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,110kV电磁式电压互感器二次绕组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,220kV电磁式电压互感器二次绕组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,总体的二次绕组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,110kV电容型电压互感器二次绕组中性点传递过电压幅值即达到7~8.6kV;数值计算结果显示,雷电波波头在1.2µs以下,二次绕组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,电压型和电容型电压互感器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)二次绕组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(前述的约4242V)。2实验研究和分析为了解变电站发生单相接地短路时两点间最大电压差,为二次绕组中性点避雷器的动作电压选择提供依据,利用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。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,来模拟变电站发生单相接地故障短路状态,通过测量变电站两台电压互感器接地点之间的电位差,进行变电站单相接地短路时接地网两点间电位差的验证性实测研究。对变电站接地短路故障状态下接地网电位分布的仿真和实验研究结果分析表明:1)地网边角注入短路电流时的电位分布比地网中心注入分布不均匀;地网面积越大,电位分布越不均匀。地网导体材料对于电位分布均匀性影响很大,铜地网的电位均匀程度远优于铁材料。2)单相接地短路故障时变电站地网两点间的稳态电位差随着变电站地网接地电阻的增大而升高。地网接地电阻正常的情况下,地网两点间的稳态电位差基本上与国际大电网会议关于接地网两点间横向电位差为每千安培故障电流10V(有效值)的规定基本相符合;地网接地电阻偏大的情况下,变电站地网两点间的稳态电位差明显较国际大电网会议的规定值偏大。3)在极端情况下,如变电站最大单相接地电流Imax很大(达50kA以上),且变电站发生单相接地短路时,操作过电压时间段由短路电流的非周期分量产生的两台电压互感器二次绕组中性点之间的暂态电位差最大值在数值上可达到30Imax(即1500V)的水平。对变电站雷电直击状态下接地网暂态电位分布的仿真研究结果分析结果表明:1)雷电直击变电站时,地网的电位分布很不均匀。在地网的顶点附近注入电流时电位分布是最不均匀的;注入点越靠近中心,电位分布越均匀。2)雷电流为1kA时,相距10m的两点的电位差最大可能达到数千伏。仿真结果显示,变电站发生单相接地短路时接地网两点间的稳态电位差不高,即便按最大单相接地短路入地短路电流核算,该值在500V(有效值)以下,不会造成电压互感器二次绕组绕组两点接地而引起保护误动的威胁,无须防范。而应重点防范变电站单相接地短路时接地网两点间的暂态电位差引起电压互感器二次绕组绕组两点接地的隐患。3试验2:电磁式电压东南角带根据变电站接地故障时接地网两点间暂态最大电位差最大值来选择避雷器的1mA参考电压U1mA,按照直流1mA参考电压来进一步选择避雷器额定电压Ur;根据其全工况下的通流能力和保护水平的校核来进一步确定Ur。提出供雷电冲击试验和仿真计算研究用的氧化锌避雷器5个选型方案,并提交厂家试制出5种规格的试品,其主要技术指标为:额定电压Ur为800~1250V,直流1mA参考电压U1mA为1130~170V,1.5kA标称放电电流下的残压V1.5为2000~3000V。仍选择与电压互感器二次绕组中性点未加保护措施时雷电冲击传递过电压测量试验研究的相同的电压互感器进行雷电冲击传递过电压对比试验。对于220kV电磁式电压互感器、220kV和500kV电磁式电压互感器,进行仿真模拟研究,结果供参考。电磁式电压互感器和电容型电压互感器二次绕组中性点加装Ur=1000V避雷器后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3和图4所示。雷电冲击对比试验和仿真计算结果表明,对于所有6种型号的电压互感器(110kV和220kV电磁式电压互感器、110~500kV电容式电压互感器),二次侧中性点加装试制的5个技术参数的避雷器保护后传递到二次绕组中性点的过电压得到了明显的限制,相对于大部分一次侧的雷电冲击电压,避雷器上的残压(即二次绕组中性点上的限压水平)均低于3kV,即便对于幅值接近一次绕组额定冲击绝缘水平且波形较陡的雷电冲击电压这样的极端恶劣运行条件,避雷器上的残压也不足3.5kV,从而有效地限制了雷电传递过电压的幅值,实现了对电压互感器二次绕组中性点绝缘的雷电冲击传递过电压保护。4电压模式二次5个维度的选择雷电冲击波头对二次侧振荡峰值的影响非常明显,电压型和电容型电压互感器的传递过电压幅值均随波头时间的缩短而上升。在严重情况下二次绕组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,有必要在电压互感器二次绕组中性点就地安装过电压保护。雷电冲击对比试验和仿真计算结果表明,二次侧中性点加装避雷器保护后传递