110kV变压器中性点不对称短路过电压研究

　　110kV变压器中性点不对称短路过电压研究李鸿泽、温生2，安韵竹3（1.江苏省电力公司，江苏南京210024；2.南京供电公司，江苏南京210008；3.武汉大学电气工程学院，湖北武汉430072）出现的最大过电压进行了理论计算，在ATP-EMTP中建立了宁夏洪广变电站的仿真计算模型，分别在单相接地短路、断线故障和系统非全相运行三种情况下仿真计算了变压器中性点的过电压，并分析了变压器中性点过电压在不同参数下的变化特点。计算结果表明，单相故障对变压器中性点绝缘可能造成的危害最大。

　　中性点中性点雷电标称绝冲击时耐受缘水平电压（峰值）中性点短时工频耐受电压主变电压等级近年来，随着我国电网的不断发展、系统电压等级不断提高、短路电流不断增大，对110、220kV变压器中性点绝缘的要求亦越来越高。变压器中性点绝缘击穿事故将会对整个电网的安全运行构成严重威胁。在我国110kV电力系统属有效接地系统（又。/兄<3，其中X.为零序阻抗；X1为正序阻抗），通常在110kV变电站中采用部分变压器接地的方式来限制单相短路电流，以满足继电保护配置、防止通讯干扰等方面的要求。

　　目前电力系统中，变压器大多采用分级绝缘，即靠近变压器中性点绕组的主绝缘水平比端部绕组的绝缘水平低。当发生接地短路、断线故障等不对称故障时，很可能会危及到部分不接地变压器中性点的绝缘。因此，研究各种故障下变压器中性点可能出现的过电压情况具有重要的现实意义。

　　鉴此，本文运用对称分量法对不同情况下变压器中性点可能出现的最大过电压进行理论分析，并在ATP-EMTP中构建了宁夏洪广变电站的仿真计算模型，计算了不同不对称故障时变压器中性点过电压。

　　1不对称故障对中性点过电压的影响1.1 110kV变压器中性点的绝缘水平110kV电力系统中的变压器分两种：①中性点全绝缘，一般不加保护；②中性点半绝缘，即110kV的变压器中性点为44kV级的绝缘水平，均需避雷器保护。

　　宁夏洪广110kV变电站中变压器中性点绝缘采用分级绝缘，考虑海拔校正因数和综合耐受裕度系数0.85，其变压器高压侧中性点绝缘水平见表1.表1 110kV变压器中性点绝缘水平考虑运行中的变压器中性点绝缘中性点雷电冲中性点短时工击时耐受电压频耐受电压1.2不对称故障对变压器中性点绝缘的影响电力系统中发生的不对称故障主要包括接地短路故障（单相、两相、三相）、相间故障和断线故障。采用对称分量法计算各种故障状态下变压器中性点电压及变压器中性点可能出现的最大稳态过电压。

　　（1）单相故障时。以A相故障为例，变压器中性点过电压理论计算如下。

　　考虑系统中零序与正序阻抗之比为々。

　　在中性点有效接地、=3时，变压器中性点稳态电压最大值为：在中性点局部接地时，变压器中性点的稳态电压即可达到系统的相电压认=73匕。

　　在有效接地系统线路下的不接地变压器中性点的暂态电压最大值为：表2 110kV变电站主变压器参数额定电压/kV损耗/kW阻抗电压/%高中低空载负载高中高低中低纠结式绕组取Y=0.5，连续式绕组取Y=（2）单相故障未及时维护，变压器可能会非全相运行。由于110220kV系统中，部分变压器的中性点不接地，故发生故障断线时（包括断路器的非同期合闸）会激发铁磁谐振，中性点会产生很高的过电压。电力线路断线导致变压器非全相运行也会产生过电压。单相、两相断线不接地变压器中性点处可能产生的过电压分别为UXS/2、UXS（Uxs为系统相电压）。若被操作的线路与变压器参数达到一定的匹配关系时，暂态过程中产生的过电压可能超过2UXS，稳态时可能达2UXS.对两侧均有电源的变压器，在非全相运行时有2UXS的差频过电压，产生的此类过电压会对变压器中性点绝缘产生很严重的危害。

　　由以上分析可知，变压器在中性点有效接地、中性点局部接地、系统非全相运行时中性点可能出现的最大稳态过电压M0m分别为43.对变压器中性点绝缘，主要研究单相接地短路故障。另外，断线故障引起的非全相运行对变压器中性点绝缘构成的威胁亦不能忽视。因此，本文主要对单相故障、断线故障及系统非全相运行三种情况进行了仿真研究。

　　2变压器中性点过电压仿真计算2.1仿真模型与参数以宁夏洪广110kV变电站为例，仿真计算主变压器110kV电源侧发生A相接地故障、AB相断线故障及系统非全相运行时主变压器中性点产生的过电压。主变压器1和2的额定容量为63000kVA，高、中、低绕组容量分配为100/100/100，中性点不接地，联接方式为YN、yn0、dl1，空载电流百分数0.84%，其余参数见表2.避雷器参数按典型值选择。

　　分别在高、中、低压侧不同位置处设置故障点。

　　故障时间为0.020.06s，仿真时间为0. 06s.通过比较不同故障点处变压器中性点，找出中性点电压与故障位置的关系。为仿真模型主接线图。

　　仿真模型主接线图在ATT-EMTP中建立单相接地故障仿真模型。分别在变压器入口和距离变压器0.03、0. 43、0.83、1.23、1.63km处设置6个故障点，发生A相故障时测得1主变压器中性点电压波形见。随故障点位置不同仿真得到变压器中性点上的过电压值见表3.由表可看出：①高压侧发生单相故障时，中性点产生的电压值最大。且只有高压侧故障时，变压器中性点才有可能出现高于65. 7078.84kV的过电压，即高压单相接地故障时表3 1主变压器高压侧中性点过电压暂态峰值35kV侧故障10kV侧故障中性点不接地2中性点接地中性点不接地2中性点接地侧单相故障对中性点绝缘的威胁最大。②由于10kV侧变压器为三角形接法，故当其发生单相故障时，理论上在高压侧中性点的电压值应为0.但由于三相线路可能不完全对称，且ATT进行的是数值计算，计算过程中可能会有误差。但其值相对于千伏级电压很小，可忽略。③变压器高压侧发生单相短路故障时，两变压器中性点运行方式不同，在不接地变压器中性点产生的电压就不同。两变压器均不接地时产生的中性点过电压要高于一个变压器接地、另一个不接地时的中性点过电压，但差距并不明显。所以中性点分级绝缘的变压器，必须加装避雷器或保护间隙，否则将有可能发生故障。④110kV侧架空线路发生单相故障时，随故障点距变压器中性点越远，在中性点上产生的电压值有增大的趋势。此时变压器中性点的过电压可达80kV以上，已超过有效接地系统暂态最大电压（65. 7078.84kV）及局部接地系统中性点最大暂态电压（73kV），可能导致变压器中性点间隙的误动作。间隙一旦击穿，变压器会产生零序电流，此时零序电流保护可能也会误动作，将变压器切除。这些对电网运行均不利。2.3断线故障仿真分析110kV架空线路在距离变压器0.8km处、0.02s时，分别发生单相、两相故障，断线故障仿真模型见。

　　1变压器中性点电压波形见。由图可看出：①A相断线时，在1主变压器中性点产生的暂态电压最大值为26.476kV，稳态电压幅值为12. 709kV；②AB两相断线故障时，暂态电压最大值为26. 574kV；③系统出现谐振现象，若不及时切除故障，1主变压器最终可能将导致中性点绝缘击穿。

　　1主变压器中性点电压波形在110kV输电线路侧发生A相接地故障时，2主变压器中性点接地，在故障时被切除。此时，1主变压器失地运行。若不能在短时间内排除故障，需将不接地变压器也切除。若此时断路器发生故障，有一相断路器未断开，将使不接地变压器非全相运行。单相故障引起系统非全相运行仿真模型见。

　　在ATP中进行非全相运行仿真，变压器中性点电压波形见。由图可看出：①发生单相故障时，变压器中性点产生较大的过电压。在0.1s时，2接地变压器将被切除，此时1不接地变压器中性点的过电压较不切除时幅值偏高，但变化不大。在0.2s时，故障仍存在，应切除1主变压器，但断路器的A相未断开，1主变压器非全相运行。②出现震荡现象，即当系统非全相运行时发生了谐振，此时产生的过电压越来越大，1主变压器非全相运行时中性点电压波形若不及时抢修，谐振过电压将大于该变压器中性点所能承受的非全相运行电压（146kV），最终导致中性点绝缘击穿。

　　3结语从对称分量法理论分析和ATP-EMTP构建的模型仿真计算结果可看出，单相故障对变压器中性点的威胁最大。在发生单相接地故障时，变压器中性点会出现超过变压器中性点保护间隙设置的电压，导致保护间隙误动作，并进一步导致变压器的零序保护动作，切除变压器，使正常变压器退出运行。

　　仿真结果表明：尽管部分接地变电站接地切除后，不接地变压器仍可带故障运行一段时间，而不会破坏不接地变压器中性点的绝缘。但若不能在短时间内完成故障抢修，需切除不接地变压器，若断路器发生故障，故障相燃弧，不能全相断开，不接地变压器在非全相状态下运行，极有可能产生谐振过电压，极易发生中性点绝缘击穿事故。