電壓互感器二次繞組中性點就地安裝雷電過電壓保護的必要性研究

電壓互感器二次繞組中性點就地安裝雷電過電壓保護的必要性研究

在電壓損失較大的地區(qū)，當電氣電流傳感器的中性點安裝絕緣間隙或避雷器保護時，由于其異常行為，二次電壓傳感器電路的雙重接地錯誤可能會導致誤動器事故。如果能通過實驗和理論計算,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裝設放電間隙或避雷器,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放電間隙或避雷器進行的檢查試驗工作中解放出來。本文就第二個問題進行研究,通過模擬計算和實測,確定工頻或雷擊接地故障狀態(tài)下接地網(wǎng)兩點間的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)電位差水平,論證電壓互感器二次中性點裝設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裝設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,變電站接地網(wǎng)上的電位分布是不均勻的,接地網(wǎng)不同點的電位分布不均勻可能導致現(xiàn)場電壓互感器接地點電位與不接地的二次繞組中性點(在控制室內(nèi)一點接地)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)落雷時變電站地網(wǎng)電位分布進行計算分析。CDEGS軟件是目前世界上電磁干擾分析、接地系統(tǒng)研究和設計領域通用性最強、功能最強大的集成軟件包。接地網(wǎng)電氣特性的分析和計算是電力系統(tǒng)電磁兼容基礎問題之一,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軟件對雷電波形進行FFT,然后在頻域中計算各特征頻率的響應,再通過智能算法擬合出地網(wǎng)在整個頻域上的傳遞函數(shù),從而得到地網(wǎng)的頻域響應,最后通過快速傅立葉逆變換(inversefastFouriertransformer,IFFT),得到地網(wǎng)電位的時域響應。取典型模擬計算的雷電流波形波頭、波尾分別為2.6μs、50μs,經(jīng)計算,幅值Im=1kA的雷電流i=1.082Im[exp(-13136t)-exp(-861549t)],對該表達式做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,導體半徑0.01m,導體材料為某種鐵(相對于銅的相對電阻率12,相對磁導率10),注入電流(接地網(wǎng)故障電流)取1kA。2單相接地短路時，接地網(wǎng)絡穩(wěn)定電位分布的計算與實驗驗證結(jié)果的分析2.1b點注入時導電l1上電位圖1中,電流從A點注入時,導體L2上電位分布如圖2所示,其電位分布比較均勻;電流從B點注入時,導體L2上電位分布如圖3所示,離注入點距離近的地方電位高,電位隨距離增大近似按指數(shù)關系下降。計算結(jié)果顯示,電流從角上(A點)注入時,地網(wǎng)內(nèi)的最大電位差(12.7V)遠大于電流從地網(wǎng)中心(B點)注入時地網(wǎng)內(nèi)的最大電位差(4.3V)。2.2近似按指數(shù)關系下降電流從A點注入時,導體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)關系下降。對比圖2與圖4可以看出,離電流注入點距離越遠的導體,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,導體電位分布會變得均勻。假想土壤電阻率趨向無窮大,導體阻抗完全可以忽略,可以將其看作理想的良導體,導體上電位趨于相等。2.4土壤條件對導電電位的影響從上述計算可以推斷,導致導體電位分布不均的原因,主要是導體自身的阻抗,而不是土壤,所以導體材料對導體電位分布的影響是相當大的。假設接地網(wǎng)尺寸為150m×150m,網(wǎng)格間隔為10m,取土壤結(jié)構(gòu)1,地網(wǎng)埋深和導體半徑不變,經(jīng)計算可得:導體材料為某種鐵時,地網(wǎng)最大電位差12.7V;導體材料為銅時,地網(wǎng)最大電位差1.87V。因此,選用銅質(zhì)材料后導體電位分布更為均勻。假設地網(wǎng)結(jié)構(gòu)仍類似于圖1,將尺寸改為200m×200mm,間距仍為10m,此時地網(wǎng)最大電位差由尺寸為150m×150m時的12.7V增大到13.9V,即當面積增大時,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),進行變電站發(fā)生單相接地短路時接地網(wǎng)兩點間電位差的實測。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,遠遠超過設計值。采用工頻大電流和類工頻小電流進行測試,采用工頻大電流進行測試時,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。但由于電源開關的開關特性不能滿足要求,合閘時間不夠短,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,變電站地網(wǎng)兩點間的穩(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(符合設計要求)時,該穩(wěn)態(tài)電位差測量值與國際大電網(wǎng)會議關于變電站發(fā)生接地故障時變電站接地網(wǎng)格系統(tǒng)兩點間電位差的規(guī)定(1kA故障電流引起地網(wǎng)兩點間電位差為10V)是相符合的;當?shù)鼐W(wǎng)接地電阻遠遠超過設計值時,1kA故障電流引起的地網(wǎng)兩點間穩(wěn)態(tài)電位差為20V,可見國際大電網(wǎng)會議關于接地網(wǎng)兩點間橫向電位差的規(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或附近異常區(qū)域落下來的全職區(qū)塊中，現(xiàn)場網(wǎng)絡的暫時狀態(tài)分布在結(jié)論和分析中沒有得到證實地網(wǎng)結(jié)構(gòu)和相關尺寸參數(shù)不變,取雷電流幅值為1kA,假設雷電流從A點直接注入,取觀測點C點與A點大約相距10m。3.1入點a點的頻域特性地網(wǎng)各點的頻率特性與它相對注入點(A點)的位置有關。圖5為注入點(A點)的頻域特性,橫坐標為注入電流的頻率,縱坐標為在A點注入1A該頻率下的電流引起的A點電位φA。圖6為C點的頻域特性,反映在A點注入1A該頻率下的電流引起的C點電位φC。3.2時域響應特性得到地網(wǎng)的頻域特性后,可得到其頻域響應,做一次IFFT,可以得到系統(tǒng)的時域響應。圖7和圖8分別反映了A點電位φA和C點電位φC隨時間的變化。總體來看,在注入點附近,電位上升非常迅速,然后迅速下降。3.3頂設20m的情況由3.1可知,在地網(wǎng)的頂點附近注入電流,地網(wǎng)的電位分布是最不均勻的。此時計算的A點與C點的電位,正是在頂點注入電流時的情況,因此,它們的電位差可以代表地網(wǎng)中相距10m的兩點間最大電位差。圖9反映了A、C兩點的電位差uAC隨時間變化的情況,uAC峰值為8817V。4地網(wǎng)點間暫態(tài)電位差比其他電為論證電壓互感器二次繞組中性點裝設過電壓保護的必要性,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)兩點間電位差進行了計算分析和實驗驗證研究,確定了地網(wǎng)兩點間暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)電位差水平。變電站發(fā)生單相接地短路時,在正常的地網(wǎng)接地電阻范圍內(nèi),地網(wǎng)兩點間的穩(wěn)態(tài)電位差與國際大電網(wǎng)會議關于接地網(wǎng)兩點間橫向電位差的規(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?？傮w上,按照變電站最大單相接地短路故障入地短路電流核算,單相接地短路時地網(wǎng)兩點間的穩(wěn)態(tài)電位差不會造成電壓互感器二次繞組回路兩點接地而引起保護誤動的威脅,無須防范。雷直擊變電站或異常近區(qū)落雷時,地網(wǎng)兩點間暫態(tài)電位分布很不均勻,尤以地網(wǎng)頂點附近注入電流時最嚴重;另一方面,變電站兩點間的暫態(tài)電位差很大,雷電流為1kA時,相距10m的兩點電位差最大可能達到數(shù)千伏,可能對現(xiàn)場電壓互感器的二次繞組中性點絕緣構(gòu)成威脅。廣東屬