電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)就地安裝雷電過電壓保護(hù)的必要性研究

電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)就地安裝雷電過電壓保護(hù)的必要性研究

在電壓損失較大的地區(qū)，當(dāng)電氣電流傳感器的中性點(diǎn)安裝絕緣間隙或避雷器保護(hù)時(shí)，由于其異常行為，二次電壓傳感器電路的雙重接地錯(cuò)誤可能會導(dǎo)致誤動器事故。如果能通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算,論證二次繞組的雷電沖擊傳遞過電壓、工頻或雷擊接地故障狀態(tài)下接地網(wǎng)兩點(diǎn)間的暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)電位差這兩種過電壓不足以對電壓互感器二次回路絕緣造成威脅,則可以取消電壓互感器二次中性點(diǎn)裝設(shè)放電間隙或避雷器,不僅避免了間隙誤動、缺陷等造成的二次回路兩點(diǎn)接地隱患,還可以將基層單位從每年對現(xiàn)場大量的二次繞組中性點(diǎn)放電間隙或避雷器進(jìn)行的檢查試驗(yàn)工作中解放出來。本文就第二個(gè)問題進(jìn)行研究,通過模擬計(jì)算和實(shí)測,確定工頻或雷擊接地故障狀態(tài)下接地網(wǎng)兩點(diǎn)間的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)電位差水平,論證電壓互感器二次中性點(diǎn)裝設(shè)放電間隙或避雷器的必要性,為取消電壓互感器二次中性點(diǎn)裝設(shè)放電間隙或避雷器的可能性提供依據(jù)。1基于cdegs軟件的接地網(wǎng)電位分析當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障、雷直擊變電站或異常近區(qū)落雷時(shí),變電站接地網(wǎng)上的電位分布是不均勻的,接地網(wǎng)不同點(diǎn)的電位分布不均勻可能導(dǎo)致現(xiàn)場電壓互感器接地點(diǎn)電位與不接地的二次繞組中性點(diǎn)(在控制室內(nèi)一點(diǎn)接地)之間的暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)電位差超過二次繞組的耐壓水平,威脅二次繞組的絕緣。本文利用加拿大SES公司開發(fā)的電流分布、電磁干擾、接地和土壤結(jié)構(gòu)分析(currentdistribution、electromagneticfield、groundingandsoilstructureanalysis,CDEGS)軟件,并采用數(shù)值分析手段對變電站發(fā)生接地短路故障、雷直擊變電站或異常近區(qū)落雷時(shí)變電站地網(wǎng)電位分布進(jìn)行計(jì)算分析。CDEGS軟件是目前世界上電磁干擾分析、接地系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)領(lǐng)域通用性最強(qiáng)、功能最強(qiáng)大的集成軟件包。接地網(wǎng)電氣特性的分析和計(jì)算是電力系統(tǒng)電磁兼容基礎(chǔ)問題之一,采用快速傅立葉變換(fastFouriertransform,FFT)和矩量法相結(jié)合是接地網(wǎng)暫態(tài)特性分析的主流方法。采用CDEGS軟件對雷電波形進(jìn)行FFT,然后在頻域中計(jì)算各特征頻率的響應(yīng),再通過智能算法擬合出地網(wǎng)在整個(gè)頻域上的傳遞函數(shù),從而得到地網(wǎng)的頻域響應(yīng),最后通過快速傅立葉逆變換(inversefastFouriertransformer,IFFT),得到地網(wǎng)電位的時(shí)域響應(yīng)。取典型模擬計(jì)算的雷電流波形波頭、波尾分別為2.6μs、50μs,經(jīng)計(jì)算,幅值Im=1kA的雷電流i=1.082Im[exp(-13136t)-exp(-861549t)],對該表達(dá)式做FFT后,可以得到雷電流在各頻率下的幅值密度。取典型的廣東地區(qū)110kV變電站為研究對象,如圖1所示,地網(wǎng)尺寸為150m×150m,網(wǎng)格間隔為10m。土壤結(jié)構(gòu)近似取水平分層,分為2層,第1層厚度10m,土壤電阻率500Ω·m;第2層到無窮,土壤電阻率300Ω·m。水平接地網(wǎng)埋深0.8m,導(dǎo)體半徑0.01m,導(dǎo)體材料為某種鐵(相對于銅的相對電阻率12,相對磁導(dǎo)率10),注入電流(接地網(wǎng)故障電流)取1kA。2單相接地短路時(shí)，接地網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定電位分布的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的分析2.1b點(diǎn)注入時(shí)導(dǎo)電l1上電位圖1中,電流從A點(diǎn)注入時(shí),導(dǎo)體L2上電位分布如圖2所示,其電位分布比較均勻;電流從B點(diǎn)注入時(shí),導(dǎo)體L2上電位分布如圖3所示,離注入點(diǎn)距離近的地方電位高,電位隨距離增大近似按指數(shù)關(guān)系下降。計(jì)算結(jié)果顯示,電流從角上(A點(diǎn))注入時(shí),地網(wǎng)內(nèi)的最大電位差(12.7V)遠(yuǎn)大于電流從地網(wǎng)中心(B點(diǎn))注入時(shí)地網(wǎng)內(nèi)的最大電位差(4.3V)。2.2近似按指數(shù)關(guān)系下降電流從A點(diǎn)注入時(shí),導(dǎo)體L1上電位分布如圖4所示,電位隨距離的增大近似按指數(shù)關(guān)系下降。對比圖2與圖4可以看出,離電流注入點(diǎn)距離越遠(yuǎn)的導(dǎo)體,其電位分布越均勻。2.3土壤條件對最大電位差的影響假設(shè)土壤結(jié)構(gòu)仍取水平分層,分為2層,第1層厚度10m,第2層到無窮,改變每層的土壤電阻率值,得出4種土壤結(jié)構(gòu)下A點(diǎn)注入1kA電流后地網(wǎng)的最大電位差對比,見表1?？梢钥闯?土壤電阻率對地網(wǎng)最大電位差影響不大,但是隨著土壤電阻率的增大,導(dǎo)體電位分布會變得均勻。假想土壤電阻率趨向無窮大,導(dǎo)體阻抗完全可以忽略,可以將其看作理想的良導(dǎo)體,導(dǎo)體上電位趨于相等。2.4土壤條件對導(dǎo)電電位的影響從上述計(jì)算可以推斷,導(dǎo)致導(dǎo)體電位分布不均的原因,主要是導(dǎo)體自身的阻抗,而不是土壤,所以導(dǎo)體材料對導(dǎo)體電位分布的影響是相當(dāng)大的。假設(shè)接地網(wǎng)尺寸為150m×150m,網(wǎng)格間隔為10m,取土壤結(jié)構(gòu)1,地網(wǎng)埋深和導(dǎo)體半徑不變,經(jīng)計(jì)算可得:導(dǎo)體材料為某種鐵時(shí),地網(wǎng)最大電位差12.7V;導(dǎo)體材料為銅時(shí),地網(wǎng)最大電位差1.87V。因此,選用銅質(zhì)材料后導(dǎo)體電位分布更為均勻。假設(shè)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍類似于圖1,將尺寸改為200m×200mm,間距仍為10m,此時(shí)地網(wǎng)最大電位差由尺寸為150m×150m時(shí)的12.7V增大到13.9V,即當(dāng)面積增大時(shí),地網(wǎng)上電位分布變得不均勻。2.5所城變電站地網(wǎng)接地網(wǎng)格穩(wěn)態(tài)電位差測量選取已完成土建施工、尚未接入線路的新建肇慶供電局220kV旺新變電站和潮州供電局110kV所城變電站作為研究對象,通過向主接地網(wǎng)注入工頻大電流或類工頻小電流,模擬變電站發(fā)生單相接地故障短路狀態(tài),進(jìn)行變電站發(fā)生單相接地短路時(shí)接地網(wǎng)兩點(diǎn)間電位差的實(shí)測。旺新變電站位于平原地帶,土壤狀況一般,接地網(wǎng)尺寸為191m×135m,地網(wǎng)接地電阻值為0.394Ω;所城變電站位于丘陵地帶,土壤狀況較差,接地網(wǎng)尺寸為87m×62m,地網(wǎng)接地電阻值為2.483Ω,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值。采用工頻大電流和類工頻小電流進(jìn)行測試,采用工頻大電流進(jìn)行測試時(shí),以隔離變壓器突然合閘對地短路來模擬變電站發(fā)生單相接地短路故障的暫態(tài)過程,以期測量到接地短路電流的非周期分量。但由于電源開關(guān)的開關(guān)特性不能滿足要求,合閘時(shí)間不夠短,接地短路難以激發(fā)起非周期的電磁振蕩過程,因此采用兩種電流測試時(shí)均只能得到接地短路電流的穩(wěn)態(tài)過程的周期分量,即接地網(wǎng)電位分布的穩(wěn)態(tài)值。采用工頻大電流法和類工頻小電流法,得到兩組電容式電壓互感器(CVT)接地引下線之間的地電位差穩(wěn)態(tài)值的測量結(jié)果,見表2。表2的測量結(jié)果表明,單相接地短路故障時(shí),變電站地網(wǎng)兩點(diǎn)間的穩(wěn)態(tài)電位差隨著地網(wǎng)接地電阻的增大而升高。地網(wǎng)接地電阻正常(符合設(shè)計(jì)要求)時(shí),該穩(wěn)態(tài)電位差測量值與國際大電網(wǎng)會議關(guān)于變電站發(fā)生接地故障時(shí)變電站接地網(wǎng)格系統(tǒng)兩點(diǎn)間電位差的規(guī)定(1kA故障電流引起地網(wǎng)兩點(diǎn)間電位差為10V)是相符合的;當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)接地電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值時(shí),1kA故障電流引起的地網(wǎng)兩點(diǎn)間穩(wěn)態(tài)電位差為20V,可見國際大電網(wǎng)會議關(guān)于接地網(wǎng)兩點(diǎn)間橫向電位差的規(guī)定主要是針對地網(wǎng)接地電阻正常的變電站。3結(jié)果表明，在雷擊直接打擊站點(diǎn)或附近異常區(qū)域落下來的全職區(qū)塊中，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的暫時(shí)狀態(tài)分布在結(jié)論和分析中沒有得到證實(shí)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸參數(shù)不變,取雷電流幅值為1kA,假設(shè)雷電流從A點(diǎn)直接注入,取觀測點(diǎn)C點(diǎn)與A點(diǎn)大約相距10m。3.1入點(diǎn)a點(diǎn)的頻域特性地網(wǎng)各點(diǎn)的頻率特性與它相對注入點(diǎn)(A點(diǎn))的位置有關(guān)。圖5為注入點(diǎn)(A點(diǎn))的頻域特性,橫坐標(biāo)為注入電流的頻率,縱坐標(biāo)為在A點(diǎn)注入1A該頻率下的電流引起的A點(diǎn)電位φA。圖6為C點(diǎn)的頻域特性,反映在A點(diǎn)注入1A該頻率下的電流引起的C點(diǎn)電位φC。3.2時(shí)域響應(yīng)特性得到地網(wǎng)的頻域特性后,可得到其頻域響應(yīng),做一次IFFT,可以得到系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)。圖7和圖8分別反映了A點(diǎn)電位φA和C點(diǎn)電位φC隨時(shí)間的變化?？傮w來看,在注入點(diǎn)附近,電位上升非常迅速,然后迅速下降。3.3頂設(shè)20m的情況由3.1可知,在地網(wǎng)的頂點(diǎn)附近注入電流,地網(wǎng)的電位分布是最不均勻的。此時(shí)計(jì)算的A點(diǎn)與C點(diǎn)的電位,正是在頂點(diǎn)注入電流時(shí)的情況,因此,它們的電位差可以代表地網(wǎng)中相距10m的兩點(diǎn)間最大電位差。圖9反映了A、C兩點(diǎn)的電位差uAC隨時(shí)間變化的情況,uAC峰值為8817V。4地網(wǎng)點(diǎn)間暫態(tài)電位差比其他電為論證電壓互感器二次繞組中性點(diǎn)裝設(shè)過電壓保護(hù)的必要性,對工頻接地故障、雷直擊變電站或異常近區(qū)落雷情況下的地網(wǎng)兩點(diǎn)間電位差進(jìn)行了計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究,確定了地網(wǎng)兩點(diǎn)間暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)電位差水平。變電站發(fā)生單相接地短路時(shí),在正常的地網(wǎng)接地電阻范圍內(nèi),地網(wǎng)兩點(diǎn)間的穩(wěn)態(tài)電位差與國際大電網(wǎng)會議關(guān)于接地網(wǎng)兩點(diǎn)間橫向電位差的規(guī)定基本相符合;地網(wǎng)接地電阻偏大的情況下,地網(wǎng)兩點(diǎn)間的穩(wěn)態(tài)電位差明顯較國際大電網(wǎng)會議的規(guī)定值偏大。總體上,按照變電站最大單相接地短路故障入地短路電流核算,單相接地短路時(shí)地網(wǎng)兩點(diǎn)間的穩(wěn)態(tài)電位差不會造成電壓互感器二次繞組回路兩點(diǎn)接地而引起保護(hù)誤動的威脅,無須防范。雷直擊變電站或異常近區(qū)落雷時(shí),地網(wǎng)兩點(diǎn)間暫態(tài)電位分布很不均勻,尤以地網(wǎng)頂點(diǎn)附近注入電流時(shí)最嚴(yán)重;另一方面,變電站兩點(diǎn)間的暫態(tài)電位差很大,雷電流為1kA時(shí),相距10m的兩點(diǎn)電位差最大可能達(dá)到數(shù)千伏,可能對現(xiàn)場電壓互感器的二次繞組中性點(diǎn)絕緣構(gòu)成威脅。廣東屬