单相短路时220 kV变压器中性点过电压及避雷器并联棒间隙的动作特性仿真试验研究

李 爽，崔巨勇，韦德福，李佳奇，王 帅

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳 110006 )

0 引言

对于220 kV系统，通常有一台变压器的中性点直接接地运行，当系统的短路电流过大，往往通过减少变压器中性点接地的数量来增大零序阻抗。这就可能出现，在一个变电站中，所有的变压器中性点均不接地运行。当系统发生单相接地故障，变压器的中性点电压降被抬高[1-2]。目前，保护变压器中性点绝缘的主要方式有间隙、避雷器及间隙与避雷器的并联[3-5]，对于东北地区，主要采用棒间隙与避雷器的并联来保护变压器中性点的绝缘，间隙的距离设置为385±5 mm，避雷器的额定电压为144 kV。

当系统发生单相接地故障时，不接地系统中性点的电压要升高，在不威胁变压器中性点绝缘的前提下，间隙的距离设置要躲过中性点出现的最高过电压值，该值通常是(1.5～1.8)U0，U0为中性点零序电压稳态有效值。由此算得220 kV变压器中性点间隙距离通常在260 mm～400 mm。如果中性点电压超过某一间隙距离下的击穿电压时，间隙发生击穿放电，以保护中性点的绝缘。

国内外对变压器中性点保护开展了大量的研究工作，给出了变压器中性点绝缘的保护方法、间隙距离的设置计算、不同变电站主变间隙距离的差异化设置原则等[6-8]，得到了很多有价值的结论，但这些结论都没有考虑电缆和架空线混连时发生单相接地故障的情况。

在试卷回收过程中，教师只能按照全部答卷提交时间先后顺序查看问卷，无法按照考生姓名关键词、班级或者学号对结果进行筛选查看。例如，不能把某个班的答题结果单独抽出来进行分析，只能对整体答题结果进行分析，而每个班级实际学情有时差别较大，因此在针对性上需要进一步提高。

本研究结合某500 kV变电站220 kV一电缆-架空混连线路，分别在A相和B相的电缆首端发生单相接地故障时，只有一起造成对侧不接地变压器中性点间隙击穿为例，详细分析了影响主变中性点间隙击穿的因素，利用EMTP对两次故障进行了仿真计算。最后，仿真研究了中性点避雷器与棒间隙并联，在单相短路故障下的动作特性，并开展了试验验证。

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1 案例简述

2019年12月，PH 500 kV变电站220 kV PF线A相短路故障，短路位置为220 kV PF线出线电缆首端，该线路为电缆-架空混合线路。故障造成HS和JB两个变电站的220 kV变压器中性点间隙击穿。

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2020年1月，220 kV PF线B相发生短路故障，故障位置与A相时相同，但本次故障未造成HS和JB的220 kV变压器中性点间隙击穿。

PH 500 kV变电站主变为自耦变压器，中性点直接接地，220 kV系统中HS变、JB变和DY变所有变压器的中性点均通过避雷器与间隙并联接地，其余变电站变压器中性点均有一台直接接地运行。220 kV系统主接线图见图1，图中标出了各220 kV线路的连接形式和变压器中性点的接地方式。

图1 一次主接线图Fig.1 Main wiring diagram

2 中性点过电压计算

对于电缆-架空线混合线路，当在电缆首端发生单相接地故障时，在架空线处不接地变压器中性点的电压将被抬高。图2所示为在电缆的首端发生单相短路时的示意图，图中Z1为电缆波阻抗，Z2为架空线波阻抗。

图2 单相短路示意图Fig.2 Schematic diagram of single-phase short circuit

假设A相发生单相短路，首端的零序电压、短路电流与终端的零序电压、短路电流的关系如下：

(1)

式中，α1为电缆的相位系数，l1为电缆的长度；α2为架空线的相位系数，l2为架空线的长度。

由于终端变压器中性点全不接地，则I2=0，中性点的电压表示为

(2)

首端的零序电压为

(3)

式中，z0为短路点的零序阻抗。

短路点的故障电流为

(4)

式中，α为电流相角；β为功率因数；τ为时间常数。

最后，终端变压器中性点零序电压表达式为

(5)

根据电缆头解体时的故障路径，A相故障时，放电通道为电缆线芯-电缆主绝缘-应力锥内表面-应力锥托-限压器-杆塔入地；B相故障时，放电通道为电缆线芯-电缆主绝缘屏蔽断口-应力锥半导电-应力锥托-电缆铝护套-接地线(包含紧固件接触电阻)-杆塔入地。对比两次放电路径，A相故障时放电回路电阻要比B相的小，结合故障录波文件，A相故障时放电回路电阻约为2 Ω，B相故障时放电回路电阻约为4 Ω。

中性点间隙距离为385 mm，试验测得在标准大气压下的工频击穿电压峰值为203.6 kV；避雷器的参数为Y1.5W-144/320。其余参数由运维单位提供，基于以上参数，结合图1及实际的故障情况，在EMTP下建立仿真模型[9-13]，由于模型过大，此处略去，步长设置为1 μs，仿真时间50 ms。

陆九渊说：“恻隐，仁之端也；羞恶，义之端也；辞让，礼之端也；是非，智之端也。此即是本心。”[4]“孟子曰‘所不虑而知者，其良知也。所不学而能者，其良能也’……此吾之本心也。”[3]“仁义者，人之本心也。”[3]

将HS变和JB变其中的一台变压器中性点接地[14]，故障点为PF线A相电缆首端，故障时刻在A相电压负峰值。计算结果为JB变中性点电压峰值为189.1 kV，HS中性点电压峰值为199.4 kV，均未达到385 mm间隙的击穿电压，波形见图7。

图3、图4分别给出了当A、B相故障时，HS和JB变主变中性点的过电压波形，从计算结果可以看出，A相故障时，HS和JB变主变中性点最大过电压值为207.9 kV和206.8 kV，均高于间隙的击穿电压。B相故障时，HS和JB变主变中性点最大过电压值为193 kV和194 kV，均未达到间隙的击穿电压。计算结果符合实际情况。

图3 A相故障时的录波图与仿真结果Fig.3 Oscillogram and simulation results of phase A fault

图4 B相故障时的录波图与仿真结果Fig.4 Oscillogram and simulation results of phase B fault

3 中性点过电压的影响因素

3.1 波阻抗的不连续

当电压波在线路上行进时，遇到波阻抗不连续点(从Z1到Z2)，会发生折射和反射，见图5。当电压波U沿着电缆Z1进入架空线路Z2时，由于Z1

图5 电压波的折反射示意图Fig.5 Schematic diagram of refraction and reflection of voltage wave

(6)

将电缆波阻抗Z1=47 Ω，架空线波阻抗Z2=273 Ω代入上式，得折射电压为1.7U，可见，暂态电压波由电缆进入架空线路时，电压波在一次折射时将被抬高1.7倍。

由图1可知，PH变220 kV共有16条出线，其中连接HS和JB变的线路形式为电缆-架空线，电压波从电缆进入架空线，其幅值将被抬高1.7倍，有可能造成连接在架空线处变压器中性点间隙发生击穿。而连接DY变的线路形式为电缆-架空-电缆和架空-电缆，电压波达到终端时幅值有所降低，不会引起变压器中性点间隙发生击穿。

关于刀片的优化方案，主要是通过参考割草机上常用的、工艺性良好的刀片确定的。市面上常见的割草机刀片大概有弯曲刀片、异形刀片和平直刀片(原方案)三种，故优化方案2采用原刀盘和图11所示的弯曲刀片。

可见，暂态电压波由电缆进入架空线后，电压倍数将被进一步抬高。

图6 电压波的折射试验Fig.6 Test of voltage wave refraction

首先在态度上，培训工作就没有得到B公司管理层的重视。比如，在公司历次的营销动员大会上，公司均会要求各级渠道部门进行前期的工作总结和后期的工作规划，但基本上从未安排过培训组人员进行培训工作的总结和规划。虽然在每个月中旬，培训组人员均会与各职能部门沟通，要求各职能部门提供次月的培训需求，但往往各个职能部门也都不提报，或者临时性拍脑门提出一些培训要求。而当培训组人员深入各个市场进行培训时，经销商人员由于重视度不足或者所接受的培训并不是其急需的，导致培训时应付了事甚至将培训当成是工作放松，无法保证培训效果。重视度不足，导致培训不成系统，培训效果不佳，培训部门难以发挥真正的作用。

图6为验证电压波从电缆进入架空线和由架空线进入电缆时电压波的变化情况，在试验室搭建了试验平台，试验原理见图6(a)。图中的电缆为单芯10 kV，15 m；架空线为10 kV，15 m的钢芯铝绞线，电源为7 V的交流电压，用示波器采集电缆首端(U1)和架空线末端的信号(U2)。

由图6(b)可知，开关合闸瞬间，产生一系列脉冲波，当脉冲波由电缆进入架空线后，折射的电压被进一步抬高，抬高倍数为折射系数，最后在架空线末端产生全反射。图6(b)中的纵坐标为10 V/格。将电缆和架空线的顺序互换后，得到的结果与上述相反。

另外，巩固性原则、系统性和循序渐进性原则同样对我们的工作具有启迪作用。由于受时代的限制夸美纽斯的某些教学原则是不十分科学的。比如过于夸大直观的意义；承认“神启”的作用；对儿童有巨大的学习潜力估计不足。但他仍是一位伟大的教育改革家和理论家，他对世界教育史做出了巨大的贡献。

3.2 中性点的运行方式

质谱离子模式选择时，碱性化合物一般选择正离子模式，酸性化合物一般选择负离子模式。本实验选取的16个监测指标中新绿原酸、绿原酸、隐绿原酸、咖啡酸、芦丁、金丝桃苷、木犀草苷、异绿原酸A、异绿原酸C均含有酸性官能团，负离子响应高，故选用负离子模式进行检测；木兰花碱、黄连碱、表小檗碱、药根碱、小檗碱、巴马汀均含有碱性官能团，正离子响应高，故选用正离子模式进行检测；黄芪甲苷在正、负离子模式下均有响应，正离子响应比负离子响应高，因此采用正离子模式鉴别黄芪甲苷。

1942年5月，在延安整风运动的基础上，毛泽东决定召集一次文艺座谈会，“我们的歌剧要贴近群众生活，要从群众中来，再到群众中去”。在《在延安文艺座谈会上的讲话》之后，明确了在向“七大”的献礼的指导思想下，在小型“秧歌剧”的基础上，延安的音乐家终于创作出了我国第一部民族新歌剧——《白毛女》

图7 JB变和HS变中性点过电压波形Fig.7 Overvoltage waveform of neutral point of JB and HS transformers

可见，终端变电站其中一台变压器中性点接地运行，可降低变压器中性点的暂态过电压。

3.3 放电回路电阻大小

A相电缆首端故障时，放电通道为电缆线芯-电缆主绝缘-应力锥内表面-应力锥托-限压器-杆塔入地。B相电缆首端故障时，放电通道为电缆线芯-电缆主绝缘屏蔽断口-应力锥半导电-应力锥托-电缆铝护套-接地线(包含紧固件接触电阻)-杆塔入地，故障瞬间放电回路电阻与A相故障时相比较大。

以B相电缆首端故障为例，分别计算放电回路电阻为2 Ω和4 Ω时，JB变中性点的过电压，结果见图8。当放电回路电阻为2 Ω时，JB变中性点最大电压值为207.3 kV，当放电回路电阻为4 Ω时，JB变中性点最大电压值为199.8 kV。

图8 放电回路电阻对中性点过电压的影响Fig.8 Influence of discharge circuit resistance on neutral point overvoltage

可见，放电回路电阻越大，终端变压器中性点的暂态电压越小。

3.4 电缆-架空长度比例

以JB变为例，计算条件同3.2。当电缆长度在100 m≤l<5 900 m变化、总线路长度(5 900 m)不变情况下，JB变和HS变中性点电压峰值均超过间隙的击穿电压[15]，但当电缆长度为5 900 m时，即总线路为全电缆时，JB和HS变中性点电压峰值分别为175 kV、177 kV，均未达到385 mm间隙击穿电压。计算结果见图9。

在缅茄广场，一棵大树如众星捧月般伫立在广场中央。公园运营部经理王飞瑶告诉我们，它叫缅茄树，是国家一级保护树木。缅茄种子坚硬，黄色蜡头可以雕刻制成珍贵的工艺品。缅茄的繁育很艰难，就算种活也不一定能开花，开花也不一定能结果，结果也不一定有蜡头，没有蜡头种子就没有繁殖功能。公园里的这棵缅茄树已经有六十多年的树龄，移植于此多年，2018年可喜地结出了带蜡头的果实。经过十多年精心培育，国家一级保护树种终于扎根、开花、结果，这让农业公园更添了一分保护和传承的厚重。

图9 电缆-架空不同长度比例对中性点电压的影响Fig.9 Influence of different length ratio of cable to overhead on neutral point voltage

可见，只要电缆和架空线的混合线路，无论比例如何，均会使架空线处变压器中性点暂态过电压进一步抬高。

通过以上分析可知，当220 kV系统发生单相接地时，不接地的220 kV变压器中性点电压将升高，该电压使中性点间隙发生击穿存在3个必要条件：

近日，法国圣爱美隆产区酿酒开拓者——杰乐贝干（J.LEGEGUE）酒庄新品晚宴在阳光上东MAISON CELINE隆重举行，ADVINI集团中国大区总监Bertrand Jimenez亮相晚宴现场，品牌方携5款新品惊艳亮相。

当A相电缆首端故障时电缆末端的接地线烧损，说明短路电流从电缆芯、绝缘层等流入大地，故障瞬间放电回路电阻较小，HS变和JB变中性点电压过高，超过了间隙的击穿电压，间隙放电；而B相电缆首端故障时电缆末端的接地线烧损，短路电流经过电缆芯、绝缘层、铝护套、接地线等，故障瞬间放电回路电阻比A相时大，HS变和JB变中性点电压没有达到间隙击穿电压，间隙未放电。

2)电缆和架空线混连线路，形成波阻抗不连续点。

3)电压波从电缆进入架空线，使中性点电压进一步抬升。

1)终端变压器中性点全不接地，使中性点电压升高。

晚明官箴书直接掺杂与行政相关的法律、公文与法医学知识文本，反应了晚明官员在行政中对此的迫切需要。晚明官员读物《官常政要》，将“从政经验型”式的官箴书与法律、公文、法医等相关知识文本收录在一起，刊刻成为一部丛书，即为最好的例证。此外，与面面俱到、全面铺开不同，晚明有一类官箴书所涉内容只局限于某一领域，如司法诉讼或礼仪规范。《牧民政要》与《新官到任仪注》即为此类，前者所述内容有关捕、打、监、罚等刑罚领域，后者则有关进贺、庆贺、乡饮、祭祀等礼仪规范。《新官到任仪注》所述内容大多系朝廷颁布的礼仪知识，亦为“知识型”的官箴书。

4 避雷器和棒间隙并联动作特性仿真研究

计算条件：以PF线A相短路故障为例，为说明问题，简化计算，省略DY变、DC变、HT变、XC变和FR变，见图10。其它参数不变，避雷器的型号为Y1.5W-144/320，U1mA=205.8 kV。间隙间距385 mm，击穿电压峰值为203.6 kV。短路点发生在PF线电缆首端处，短路方式为金属性接地，接地电阻为1 Ω，计算时间50 ms。间隙击穿后的波形及避雷器阀片电流波形见图11-12。

图10 故障示意图Fig.10 Fault diagram

图11 JB变中性点电压和避雷器阀片电流Fig.11 JB transformer neutral point voltage and arrester current

图12 HS变中性点电压和避雷器阀片电流Fig.12 Neutral voltage and current of arrester of HS transformer

从计算结果可知，当中性点的暂态电压达到了棒间隙的击穿电压时，间隙就会发生击穿[16]，在击穿的同时，避雷器也工作，流过一定的电流。JB变间隙在209.45 kV发生了击穿，HS变间隙在204.53 kV发生了击穿，有效保护了中性点的绝缘。

为了验证仿真计算的正确性，在试验室搭建了避雷器与棒间隙在工频下的试验回路，回路见图13。图中Tt为升压器，Ts为试验变压器，C为电容分压器，低压部分接入示波器；在避雷器的底部测泄漏电流。在385 mm间隙下，环境温度为20.4 ℃，湿度为56%，间隙的击穿平均电压为146.4 kV。图14显示了在加压的过程中，避雷器的泄漏电流和电压逐渐发生畸变(图中A段)，图14(a)纵坐标为50 kV/格。间隙在完全击穿前，两极之间产生不稳定电弧，形成过电压(图中B段)，直至间隙完全导通，所测的电压为电弧电压(图中C段)，同时，避雷器上流过一定的电流。试验与仿真结果一致，验证了仿真的有效性。

图13 试验回路Fig.13 Test circuit

图14 实测录波图与避雷器泄漏电流Fig.14 Measured oscillogram and leakage current of arrester

将避雷器由原参数Y1.5W-144/320改成Y1.5W-96/260，其与间隙配合时的动作特性见表所示，表中电压为峰值。

表1 避雷器参数与间隙距离配合的动作情况Table 1 Action of arrester parameters matching with gap distance

仿真计算和试验表明，只要中性点电压超过间隙的放电电压，间隙就会击穿，同时，避雷器也流过电流。这是因为，当发生单相接地故障时，变压器中性点立即建立起暂态电压，与此同时，棒间隙立即建立起极不均匀电场。随着电压的升高，间隙之间的自由电子逐渐累积，形成电晕放电和电刷放电，这时间隙的电阻要低于避雷器的阀片电阻。当电压超过间隙的击穿电压时，间隙立即击穿。

总结避雷器和并联间隙配合的结果来看，避雷器是保护雷电过电压及操作过电压对变压器中性点绝缘的损坏，而棒间隙是保护由于工频过电压而导致的变压器中性点的损坏。

5 结 论

1)对于电缆-架空线混连线路，当发生单相接地短路时，暂态电压波由电缆进入架空线，将对连接在架空线处所有不接地变压器的中性点电压值进一步抬高，有可能造成中性点间隙击穿。

2)在中性点保护方式为棒间隙和避雷器并联条件下，当发生单相接地故障时，只要中性点电压超过间隙的放电电压，间隙就会击穿，同时，避雷器也流过电流。

3)对于单相接地故障引起的中性点电压抬高，棒间隙对变压器中性点绝缘的保护起主要作用。