變壓器中性點接阻抗裝置及其多用途直流偏磁防護方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了變壓器中性點接阻抗裝置及其多用途直流偏磁防護方法，設(shè)置在變電站所有主變壓器中性點和大地之間，包括阻抗器Z、避雷器A和旁路開關(guān)K,阻抗裝置一端連接變壓器中性點，另一端接地。本發(fā)明的有益效果是：本裝置主要用于變電站，變電站的主變的中性點都經(jīng)本阻抗裝置接地，可以有效抑制直流偏磁電流，提高變壓器抗短路能力，避免失地過電壓對變壓器中性點絕緣的破壞。
【專利說明】變壓器中性點接阻抗裝置及其多用途直流偏磁防護方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到一種阻抗裝置，特別是涉及到變壓器中性點接阻抗裝置及其多用途 直流偏磁防護方法，還能夠用于提高變壓器抗短路能力和解決"間隙+避雷器"配合不好的 問題。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流輸電工程能夠緩解我國負荷中心和能源中心分布不均衡的問題，但直流輸電 單極大地回路運行時，直流接地極電流會導(dǎo)致近區(qū)交流變壓器出現(xiàn)振動加劇、噪聲增大、局 部過熱等直流偏磁現(xiàn)象，引發(fā)變壓器內(nèi)部加緊件松動、繞組斷線、絕緣材料受到破壞、鐵片 松動彎曲等問題，持續(xù)時間過長還將導(dǎo)致變壓器損壞。變壓器直流偏磁還會引起交流電網(wǎng) 電壓總畸變率增大，諧波大幅升高，對其他電氣設(shè)備產(chǎn)生較大影響，并可能引起繼電保護誤 動，這些影響最終將會危及到電網(wǎng)的安全運行。
[0003] 目前，IlOkV和220kV變電站采用部分接地方式，當運行中操作中性點不接地的變 壓器，如果斷路器發(fā)生非全相故障，繼電保護誤動作，使中性點接地的那組變壓器先跳閘， 將形成了局部不接地的系統(tǒng)，從而造成設(shè)備損壞；當中性點接地側(cè)發(fā)生接地短路而切開變 壓器，則不接地變壓器"失地"，在雙端供電的情況下，由于相位的不同最大可造成不接地變 壓器中性點電壓達到兩倍的系統(tǒng)相電壓。中性點不接地變壓器中性點絕緣采用"間隙+避 雷器"的保護方式，由于間隙動作的分散性，仍有損壞避雷器或變壓器中性點絕緣的事故發(fā) 生。
[0004] 根據(jù)歷年來變壓器事故的統(tǒng)計資料，35kV及以上等級的電力變壓器因短路故障而 損壞占事故總數(shù)的50%。該事故造成了絕大部分變壓器繞組不同程度的變形和絕緣破壞。 隨著繞組輕微變形和絕緣老化不斷加劇，一旦發(fā)生嚴重的外部短路，會引起繞組匝間短路， 嚴重損壞變壓器，甚至可能造成變壓器損壞和停運，導(dǎo)致大面積停電。隨著電網(wǎng)容量日益擴 大，系統(tǒng)短路容量也隨之增大，因短路故障造成變壓器損壞的數(shù)量逐年上升。每一臺變壓器 在廠家的設(shè)計過程中，一旦結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，其理論抗短路能力已確定，即投運變壓器自身的 抗短路能力在出廠設(shè)計時已經(jīng)確定，但是隨著系統(tǒng)短路容量的逐漸增大，變壓器抗短路能 力的問題日益突出，通過外部措施提高變壓器抗短路沖擊的能力具有重要的意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供變壓器中性點接阻抗裝 置及其多用途直流偏磁防護方法，主要用于變壓器直流偏磁防護，同時還能解決現(xiàn)有變壓 器抗短路能力不足，很容易出現(xiàn)損壞的缺陷，以及解決現(xiàn)有變壓器中性點絕緣的"間隙+避 雷器"保護方式配合不好的問題。
[0006] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：變壓器中性點接阻抗裝置，阻抗裝置設(shè)置 在變壓器中性點和大地之間，包括阻抗器Z和避雷器A，阻抗器Z-端連接變壓器中性點，另 一端接地。本裝置主要是用于變電站中主變壓器上，阻抗器Z能夠抑制交直流電流，其中電 阻部分用于抑制直流偏磁電流，電抗部分用于削弱短路電流，安裝時，改變變電站傳統(tǒng)的部 分接地方式(如有兩臺主變，一臺主變中性點直接接地，另一臺主變中性點不接地)，將變電 站的所有主變都經(jīng)阻抗裝置接地。而并聯(lián)的避雷器A用于變壓器中性點絕緣過電壓保護。
[0007] 進一步，上述的阻抗裝置上還并聯(lián)有旁路開關(guān)K，阻抗裝置投入運行期間旁路開關(guān) 斷開，阻抗裝置檢修期間旁路開關(guān)閉合。
[0008] 進一步，上述的阻抗器Z的阻抗值為2-5 Ω，阻抗過大時，會影響變壓器接地的有 效性，并容易出現(xiàn)較大的過電壓；阻抗過小時，抗短路電流能力不足，抑制直流偏磁電流的 效果也不好。
[0009] 變壓器中性點接阻抗裝置的多用途直流偏磁防護方法，變電站中所有主變壓器的 中性點都經(jīng)阻抗裝置接地，以防護直流偏磁，現(xiàn)有的變電站中，在遇到多主變時，一般僅僅 部分主變壓器接地，可以繼電保護，當運行中操作中性點不接地的變壓器，如果斷路器發(fā)生 非全相故障，繼電保護誤動作，使中性點接地的那組變壓器先跳閘，將形成了局部不接地的 系統(tǒng)，從而造成設(shè)備損壞；當中性點接地側(cè)發(fā)生接地短路而切開變壓器，則不接地變壓器 "失地"，在雙端供電的情況下，由于相位的不同最大可造成不接地變壓器中性點電壓達到 兩倍的系統(tǒng)相電壓。中性點不接地變壓器中性點絕緣采用"間隙+避雷器"的保護方式，由 于空氣介質(zhì)受溫度、濕度、風(fēng)速等因素的影響，導(dǎo)致間隙動作的存在分散性，因此，仍有損壞 避雷器或變壓器中性點絕緣的事故發(fā)生。本發(fā)明即解決該問題，設(shè)置阻抗裝置，還具有以下 用途：電阻部分用于抑制直流偏磁電流，電抗部分用于削弱短路電流。
[0010] 本發(fā)明的有益效果是：本裝置主要用于直流接地極附近的變電站，變電站主變的 中性點都經(jīng)本阻抗裝置接地，可以有效抑制直流偏磁電流，提高變壓器抗短路能力，避免失 地過電壓對變壓器中性點絕緣的破壞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為中性點接阻抗裝置抑制變壓器直流偏磁原理示意圖； 圖3為不接電阻流入變壓器中性點的直流量； 圖4為接電阻分量為10 Ω的阻抗裝置后流入變壓器中性點的直流量； 圖5為變壓器中性點接入不同電阻分量的限流效果； 圖6為不接地變壓器中性點過電壓仿真接線圖； 圖7為Tll中性點電壓Uz及線路相電壓變化圖； 圖8為T22中性點電壓Uz及線路相電壓變化圖 圖9為雷電波侵入變壓器中性點的電壓行波網(wǎng)格圖； 圖10為變電站主變經(jīng)阻抗裝置接地圖； 圖11為雷電流仿真模型； 圖12為雷電流波形圖； 圖13為無雷電過電壓時接10歐阻抗裝置后變壓器中性點電壓變化圖； 圖14為有雷電過電壓時接10歐阻抗裝置后變壓器中性點電壓變化圖； 圖15為無雷電過電壓時接10歐阻抗裝置后變壓器中性點電流變化圖； 圖16為有雷電過電壓時接10歐阻抗裝置后變壓器中性點電流變化圖； 圖17為接阻抗裝置后短路過電壓的仿真模型； 圖18為變壓器中性點處直接接地后零序電流變化曲線圖； 圖19為變壓器中性點直接接地后工頻過電壓變化曲線圖； 圖20為變壓器中性點處接10歐阻抗裝置后零序電流變化曲線圖； 圖21為變壓器中性點接10歐阻抗裝置后工頻過電壓變化曲線圖； 圖22為阻抗值與中性點零序電流的關(guān)系圖； 圖23為阻抗值與中性點短路過電壓的關(guān)系圖； 圖 24 SFPSZB-120MVA/220kV 變壓器的參數(shù)； 圖25變壓器中性點接入不同電阻分量后的直流量； 圖26 IOkA等級電站避雷器參數(shù)； 圖27不同運行電壓下發(fā)生單相接地故障時，不接地變壓器中性點電壓； 圖 28 SFPSZ8-150MVA/220kV 變壓器的參數(shù)； 圖29接入不同阻抗值時變壓器中性點電流、暫態(tài)過電壓和工頻過電壓。
【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不僅限于以下 實施例： 如圖1所示，變壓器中性點接阻抗裝置，阻抗裝置設(shè)置在變壓器中性點和大地之間，包 括阻抗器Z和避雷器A，阻抗器Z -端連接變壓器中性點，另一端接地，如圖變壓器T。本 裝置主要是用于變電站中主變壓器上，阻抗器Z能夠抑制交直流電流，其中電阻部分用于 抑制直流偏磁電流，電抗部分用于削弱短路電流，安裝時，改變變電站傳統(tǒng)的部分接地方式 (如有兩臺主變，一臺主變中性點直接接地，另一臺主變中性點不接地)，將變電站的所有主 變都經(jīng)阻抗裝置接地。而并聯(lián)的避雷器A用于變壓器中性點絕緣過電壓保護。
[0013] 本實施例中阻抗裝置上還并聯(lián)有旁路開關(guān)K，阻抗裝置投入運行期間旁路開關(guān)斷 開，阻抗裝置檢修期間旁路開關(guān)閉合。
[0014] 1、抑制直流偏磁電流的工作原理 中性點串接阻抗裝置抑制變壓器直流偏磁的原理如圖2所示，阻抗裝置的電阻分量用 于抑制變壓器中性點流入（出）的直流量，電抗分量對直流量而言相當于短路。用集總參數(shù) 表示輸電線路、變壓器以及兩變電站土壤間的直流電阻。當兩變電站中性點存在電勢差時， 直流量會經(jīng)并聯(lián)的地面支路和地下支路流向遠方，變壓器中性點串接阻抗裝置后，增大了 地上支路的電阻，流經(jīng)地下支路的電流就會更多，這樣就減少了進入變壓器的直流量，達到 了抑制直流偏磁的目的。
[0015] 以SFPSZB-120MVA/220kV變壓器為例，分析變壓器中性點串接阻抗裝置后抑制中 性點直流量的效果，變壓器的參數(shù)如圖25中的表1。
[0016] 按照圖2所示串接阻抗裝置的直流偏磁電流抑制原理圖建立仿真模型，取兩個 220kV變電站間的線路長度為30公里，直流接地極附近1號變壓器與2號變壓器地表電位 差為50V，基于PSCAD軟件計算變壓器中性點分別接入電阻分量為0Ω和10Ω的阻抗裝置 時，流入變壓器的直流量和經(jīng)大地散流的直流量，計算結(jié)果如圖3、圖4。
[0017] 當變壓器中性點不接入阻抗裝置時，流入變壓器的直流量為32. 5 A，經(jīng)大地散流 的直流量為2. 95 A;當變壓器中性點接入電阻分量為10Ω的阻抗裝置時，流入變壓器的直 流量為3.75 A，經(jīng)大地散流的直流量為7.67 A。為了更好分析接入阻抗值與限流效果的關(guān) 系，再分別計算接入電阻分量為2 Ω、4 Ω、6 Ω、8 Ω、20 Ω、50 Ω時，流入變壓器的直流量和 經(jīng)大地散流的直流量，仿真結(jié)果及變化趨勢見圖26中表2和圖5。
[0018] 根據(jù)表2得到的計算值可得到變壓器中性點接入一系列電阻分量的阻抗裝置時 流入變壓器直流量的變化情況，見圖5。
[0019] 由仿真結(jié)果可知：當阻抗裝置電阻分量小于10Ω時，限流效果很好；當電阻分量 大于10 Ω后，限流效果不明顯。
[0020] 2、變壓器部分接地方式的缺點及經(jīng)阻抗裝置接地的工作原理 110/220kV系統(tǒng)變壓器中性點普遍使用氧化鋅避雷器加放電間隙作為過電壓保護。這 種保護方式對保護變壓器安全運行發(fā)揮了重要作用，但有時仍有間隙不正確動作的情況。 隨著電網(wǎng)電壓等級的提高,IlOkV電網(wǎng)基本呈輻射狀結(jié)構(gòu)，部分220kV電網(wǎng)也有向輻射狀結(jié) 構(gòu)變化的趨勢。運行中時有發(fā)生的問題是輻射狀結(jié)構(gòu)電網(wǎng)采用部分變壓器中性點接地方式 時，系統(tǒng)發(fā)生接地故障期間，不接地變壓器放電間隙誤擊穿導(dǎo)致中性點間隙零序電流保護 誤動作，跳開無故障變壓器，導(dǎo)致停電范圍擴大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與中性點間隙保護沖 擊放電電壓易受氣候因素影響發(fā)生變化以及間隙沖擊放電電壓與避雷器雷電保護水平難 以實現(xiàn)足夠裕度的配合關(guān)系有關(guān)。
[0021] IlOkV變壓器中性點經(jīng)小電抗接地可以大大降低系統(tǒng)接地故障期間變壓器中性點 過電壓，有效限制流過變電站的接地故障電流，從而取消變壓器中性點放電間隙，避免因間 隙誤擊穿而誤切變壓器。這種接地方式可以為110/220kv電網(wǎng)提供可靠接地，避免局部電 網(wǎng)失地情況發(fā)生，有助于提高雷暴天氣下直接接地變壓器跳開后電網(wǎng)運行性能，是一種值 得研究的電網(wǎng)接地方式。
[0022] 在IlOkV接地系統(tǒng)，電站避雷器是保護電站設(shè)備免受雷電沖擊電壓傷害的主要手 段。IlOkV電站用避雷器參數(shù)見圖27中的表3。根據(jù)GB11032-2000的規(guī)定，交流無間隙金 屬氧化物避雷器的"額定電壓Ur"定義為："施加到避雷器端子間的最大允許工頻電壓有效 值，按照此電壓設(shè)計的避雷器，能在所規(guī)定的動作負載試驗中確定的暫時過電壓下正確地 工作。"根據(jù)定義，金屬氧化物避雷器額定電壓是保證避雷器經(jīng)受放電過程后仍能保持熱穩(wěn) 定性的上限電壓，變壓器中性點放電間隙的放電電壓需與電站避雷器額定電壓參數(shù)實現(xiàn)配 合。當不能實現(xiàn)可靠配合時，電站避雷器可能承受超出允許能力的熱過程，并可能因此造成 損壞。
[0023] 在變壓器中性點經(jīng)避雷器+放電間隙接地方式中，避雷器應(yīng)承但變壓器中性點的 雷電過電壓保護，而放電間隙則需保證失地系統(tǒng)存在接地故障時保證電站避雷器運行安 全。據(jù)此，變壓器中性點放電間隙動作條件可以描述為： 1) 接地變壓器跳開前，在系統(tǒng)最高運行電壓下發(fā)生接地故障時，間隙不誤擊穿； 2) 接地變壓器跳開導(dǎo)致系統(tǒng)失地后，在系統(tǒng)允許的最低運行電壓下發(fā)生接地故障時， 間隙可靠擊穿。
[0024] 3)當"1)"的要求得不到滿足時，會出現(xiàn)接地故障期間經(jīng)間隙接地變壓器的放電 間隙誤擊穿，可能導(dǎo)致非故障變壓器誤切除；當"2)"的要求得不到滿足時，可能導(dǎo)致失地 系統(tǒng)遭受雷電侵襲時電站避雷器失去熱穩(wěn)定并因此導(dǎo)致避雷器故障。
[0025] 為探討變壓器中性點間隙保護滿足上述要求的能力，利用圖5所示系統(tǒng)仿真不同 運行條件下變壓器中性點呈現(xiàn)的暫態(tài)電壓。
[0026] 圖6系統(tǒng)僅T22變壓器直接接地，Tll經(jīng)放電間隙接地，線路Ll長50km。改變系 統(tǒng)運行電壓、故障位置以及系統(tǒng)側(cè)零序阻抗與正序阻抗之比，考察單相接地故障期間Tll 中性點電壓Uz變化，仿真結(jié)果見圖28中的表4。
[0027] 表中：Uz_w為Tll中性點電壓Uz穩(wěn)態(tài)有效值；Uz_p為Tll中性點電壓Uz暫態(tài)瞬 時值的最大值。
[0028] 當運行中因某原因使T22跳開后，系統(tǒng)成為局部失地運行狀態(tài)。當系統(tǒng)電壓為 0.9Un，線路Ll中點發(fā)生A相接地故障期間，Tll中性點電壓Uz及線路相電壓變化見圖7。
[0029] 在這種狀態(tài)下，由于健全相避雷器承受超出額定電壓的常時間高電壓作用，如果 線路遭受雷擊，避雷器可能失去熱穩(wěn)定。系統(tǒng)側(cè)零序阻抗與正序阻抗之比Xso/Xsl=l，系統(tǒng) 接地變壓器正常運行，系統(tǒng)電壓為I. lUn。線路Ll上距Tll 15km處發(fā)生A相接地故障期 間，Tll中性點電壓Uz及線路相電壓變化見圖8。在故障暫態(tài)電壓作用下，如果Tll中性點 間隙擊穿，可能導(dǎo)致不接地變壓器誤跳閘。系統(tǒng)側(cè)零序阻抗與正序阻抗之比Xso/Xsl=3,系 統(tǒng)接地變壓器正常運行，系統(tǒng)電壓為l.lUn。線路Ll上距Tll 15km處發(fā)生A相接地故障 期間，Tll中性點電壓Uz及線路相電壓變化見圖8。在這種條件下Uz_p瞬時最大值達到 119kV，若Tll中性點間隙擊穿，可能導(dǎo)致不接地變壓器誤跳閘。
[0030] 比較表4仿真結(jié)果可見，為實現(xiàn)"接地變壓器跳開導(dǎo)致系統(tǒng)失地后，在系統(tǒng)允許的 最低運行電壓下發(fā)生接地故障時，間隙可靠擊穿"，Tll中性點間隙工頻擊穿電壓有效值需 低于57. 36kV，對應(yīng)瞬時值為81. IlkV ;為實現(xiàn)"接地變壓器跳開前，在系統(tǒng)最高運行電壓 下發(fā)生接地故障時，間隙不誤擊穿"，需保證間隙在99. IkV (或119kV)瞬態(tài)電壓作用下不擊 穿。
[0031] 顯然，兩者存在矛盾。變壓器中性點放電間隙的擊穿電壓無法同時滿足兩個矛盾 需求。在運行中為避免出現(xiàn)誤跳，非故障變壓器常采用加大間隙距離的方法。顯然，這樣做 的結(jié)果是以損失電站避雷器的安全性為代價的。值得指出的是，在分析上述問題時尚未考 慮環(huán)境條件及電極形狀改變對放電間隙擊穿電壓的影響，也未考慮必要的可靠系數(shù)。
[0032] 運行中，變壓器中性點經(jīng)"避雷器+間隙"保護接地時存在的主要問題是由于間隙 擊穿的分散性，致使在異常氣候條件下發(fā)生接地故障時間隙誤擊穿，并導(dǎo)致停電范圍擴大。
[0033] 3、提高變壓器抗短路能力 隨著系統(tǒng)短路容量的逐漸增大，老舊變壓器的逐漸增多，系統(tǒng)中連續(xù)發(fā)生多臺220kV 變壓器在外部短路的沖擊下遭受損壞的事故。每一臺變壓器在廠家的設(shè)計過程中，一旦結(jié) 構(gòu)參數(shù)確定，其理論抗短路能力即確定，即投運變壓器自身的抗短路能力在出廠設(shè)計時已 經(jīng)確定，但是針對系統(tǒng)短路容量的逐漸增大，變壓器在短路故障中損壞時有發(fā)生的情況，通 過外部措施提高變壓器抗短路沖擊的能力具有重要的意義。
[0034] 通過在變壓器中性點串接阻抗裝置，在系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時，阻抗裝置提供 的感性電流能夠有效的削弱短路故障電流，起到限流電抗器的作用。變壓器中性點串接阻 抗裝置提高變壓器抗短路能力實用于運行中的自身抗短路能力不足的變壓器，尤其是抗短 路能力和絕緣老化問題更突出的直流接地極IOOkm范圍內(nèi)的老舊變壓器。
[0035] 4、接阻抗裝置對雷電過電壓的影響 研究表明：在平均高度為8m的輸電線路中，每IOOkm線路年平均受雷擊次數(shù)約為4. 8 次。根據(jù)運行經(jīng)驗，電力系統(tǒng)中的停電事故有近50%是由雷擊線路造成的。線路落雷后，沿 輸電線路侵入變電所的雷電侵入波是造成變壓器事故的主要因素之一。因此，以下進行雷 電過電壓對變壓器接入阻抗裝置后的影響的研究。
[0036] 如圖9所示，雷電侵入波從變壓器中性點傳播到阻抗裝置時，會在發(fā)生折反射，進 入阻抗裝置的是折射波。折射波與侵入波的關(guān)系與變壓器和阻抗裝置的暫態(tài)阻抗比值緊密 相關(guān)。由于變壓器暫態(tài)阻抗通?？蛇_前者的幾百、甚至上千歐，而接入阻抗裝置的暫態(tài)阻抗 相對很小，因此實際上折射波很小，中性點電位不會因為接入阻抗裝置而提高很多。
[0037] 以220kV系統(tǒng)為例，根據(jù)圖29中的表5所示變壓器參數(shù)，基于圖10的系統(tǒng)建立部 分接地方式變壓器接阻抗裝置后雷電過電壓分析的仿真模型，輸電線路距離取20km，導(dǎo)線 型號為2 X LGJ-400/35,接入阻抗為10 Ω。
[0038] 目前最廣泛應(yīng)用的是雙指數(shù)函數(shù)模型，故采用雙指數(shù)函數(shù)模型，雷電流按規(guī)程取 波頭/波尾為2. 6/50 μ s，雷電流的表達式為：
【權(quán)利要求】
1. 變壓器中性點接阻抗裝置，其特征在于，阻抗裝置設(shè)置在變壓器中性點和大地之間， 包括阻抗器Z和避雷器A，阻抗器Z -端連接變壓器中性點，另一端接地。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器中性點接阻抗裝置，其特征在于，所述的阻抗裝置上 還并聯(lián)有旁路開關(guān)K，阻抗裝置投入運行期間旁路開關(guān)斷開，阻抗裝置檢修期間旁路開關(guān)閉 合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變壓器中性點接阻抗裝置，其特征在于，所述的阻抗器的阻 抗值為2-5 Ω。
4. 變壓器中性點接阻抗裝置的多用途直流偏磁防護方法，其特征在于，變電站中所有 主變壓器的中性點都經(jīng)阻抗裝置接地。
【文檔編號】H02H9/02GK104319733SQ201410375755
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月1日
【發(fā)明者】蔣偉, 張星海, 甘德剛 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院