上海电网110kV中性点接地方式对过电压的影响

上海城市电网110kV中性点接地方式对过电压的影响王伟1，朱祚云1，胡为进1，甘忠1，凌晓波1，万善良1，万幸倍1，李超群1，吕伟强1，马仁明2，毕毓良1（1.上海市电力公司，上海市200122；2.华东电力试验研究院，上海市200437）摘要：电缆、自耦变在上海110千伏城市电网的应用日益广泛导致单相短路电流水平不断增大，促使人们重新考虑110kV侧中性点接地方式的选择问题。鉴于该问题与过电压及绝缘配合密切相关，因此，对几种中性点典型接地方式下的过电压进行计算和分析就显得尤为必要。本文介绍了上海市电力公司“上海城市电网主变110kV侧中性点接地方式研究”课题组在这方面的研究成果。仿真结果表明：中性点加接小电阻或小电抗限制110kV单相短路电流在25kA以下是可行的，其所引起的过电压对设备的影响不大。关键词：城市电网；110kV中性点；接地方式；过电压0引言目前，上海的110kV系统全部采用直接接地方式（仅宝钢110kV自用电网采用经小电阻接地），单相短路电流按三相短路电流（《上海电网若干技术原则规定》）25kA水平设计。随着上海城市电网的快速发展，110kV电缆线路大量涌现，自耦变压器的应用日益广泛，变压器容量也不断增大，导致单相短路电流水平持续增长。为此，上海市电力公司成立了“上海城市电网主变110kV侧中性点接地方式研究”课题组（简称课题组），对110kV中性点接地方式进行了深入的分析研究，以求探索110kV中性点经其他方式接地（如经小电阻、小电抗等）的可能性并对由此带来的过电压问题、电磁干扰问题、保护配置问题等进行评估。本文简要介绍了课题组在过电压研究方面取得的部分成果。110kV中性点接地方式在过电压方面进行考虑，主要是从单相接地时，中性点直接接地、经小电阻接地及经小电抗接地等三种接地方式（以下简称三种接地方式）下中性点电位的升高，影响相对地绝缘和相间绝缘等方面来进行比较。此外，还需要比较拉合空载长线或空载变压器【1】【3】所产生的操作过电压水平。为验证110kV中性点三种接地方式对过电压水平的影响，课题组选取上海市市区供电公司天宝、瑞金110kV电网作为典型计算模型，对三种接地方式下的工频过电压、操作过电压进行了EMTP仿真研究，并考察了电源容量、线路长度、操作方式及中性点接地方式等各种因素的影响，得出了110kV的主要操作过电压的大小和中性点接地方式的优劣。操作冲击水平应对设备的操作过电压冲击水平留有一定的裕度。1过电压计算结果和分析过电压通常用标么值表示，其基值对工频过电压为系统最高持续运行相电压的有效值；对操作过电压则为系统最高持续运行相电压的峰值。110kV系统属于中性点有效接地系统，其相对地绝缘按3.0pu过电压设计【2】。虽然相间绝缘与相对地绝缘采用相同的试验电压，相间绝缘是复合绝缘，设计时，相间过电压按相对地过电压的1.3~1.4倍考虑。通常110kV系统的相间过电压不宜超过4.0pu。1.1系统单相接地时的工频过电压和操作过电压计算条件所提供的天宝站和瑞金站均为自耦变压器，目前中性点直接接地，考虑到系统中现在或将来可能会有三线圈变压器供电给110kV系统，其220kV侧中性点可能是不接地的。正常工况下110kV母线电压在118～119kV左右，表1中所提供的数据包括了220kV侧中性点接地与不接地方式下，短路点沿线路变化时110kV系统中最大相对地工频过电压和变压器中性点的最大工频过电压。根据DL/T620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准中规定，110kV系统工频过电压一般不超过1.3pu。现从表1中可以看出：对大容量三绕组变压器系统而言，变压器中性点接小电抗与小电阻就工频过电压和限制短路电流则有较大差别：中性点接小电抗时工频过电压较低，短路电流较小，选择3Ω小电抗比较合适。而接小电阻时其阻值则难以选择，并且小电阻的热容量问题也是一大难题，当工频过电压大于1.4pu时，避雷器选择就比较困难，因此不适合使用。电缆长度的影响不大。对于自耦变压器而言，110kV单相接地时220kV亦同时有故障。经计算，容量为360MVA自耦变系统的工频过电压不大。即使形成多电源大短路容量110kV系统供电时也可以用中性点小电抗或小电阻来限制单相短路电流。经计算，系统单相接地引起的操作过电压较低，最大不超过2.0pu，不足为虑。此类过电压通常由带电作业及特高压系统考虑。表1工频过电压随中性点接地阻抗的变化（Ω）Tab.1Dependenceofpowerfrequencyovervoltageandearthingimpedanceofneutralpoint(Ω)中性点接地阻抗（欧姆）计算值目前三绕组系统大容量系统360MVA自耦变系统220kV接地220kV不接地220kV接地220kV不接地0.05相工频过电压(pu)1.11.11.11.11.1单相短路电流(kA)7.05.026注*21.10.63相工频过电压(pu)1.191.201.631.541.18中性点过电压(pu)0.250.2.69.620.3单相短路电流(kA)5.84.816.815.09.85相工频过电压(pu)1.331.291.711.661.22中性点过电压(pu)0.380.31.82.780.3710相工频过电压(pu)1.561.481.721.701.26中性点过电压(pu)0.620.53.91.890.470.1+j5相工频过电压(pu)1.121.201.361.391.11中性点过电压(pu)0.290.24.62.570.270.1+j10相工频过电压(pu)1.231.281.471.481.13中性点过电压(pu)0.450.38.75.710.361.2切合220kV电源变压器110kV侧过电压合闸前110kV母线电压在118～119kV左右，考虑大、小方式下各三线圈变压器220kV中性点不同方式及360MVA自耦变压器时合闸过电压最大值列于表2。从表中可见，合空变过电压确实不高，在设备允许的过电压设计范围以内。鉴于现在变压器的空载电流甚小，截断空载电流的能量不大；且通常变压器旁有氧化锌避雷器保护，切空变过电压一般不足为虑。表2合空变过电压最大值(pu)Tab.2Themaximumovervoltageduringswitching-onidlingpowertransformer(pu)110kV接地阻抗（Ώ）相对地过电压相间过电压中性点过电压0.052.103.700.0010.02.153.730.120.2.153.730.2.1+j102.253.851.23.2+j202.253.851.231.3110kV线路合闸过电压110kV中性点经小电阻或小电抗接地可能会使线路合闸过电压增加，而对110kV系统而言，线路合闸过电压不是主要研究对象。合闸相对地过电压在避雷器的保护下不会超过3.0pu，由于避雷器保护不力，相间过电压则可能对绝缘有一定的威胁。合闸前110kV母线电压在118～119kV左右，三线圈变压器和自耦变压器供电的各110kV线路合闸过电压最大值列于表3。表3各110kV线路合闸过电压最大值(pu)Tab.3Themaximumovervoltageduringclosingoverheadline(pu)110kV接地阻抗（Ώ）相对地过电压相间过电压中性点过电压0.05~0.22.13.40.110.02.03.40.220.2.03.40.3.1+j102.33.71.3.2+j202.43.71.5表4合闸过电压随电缆长度的变化Tab.4Dependenceofclosingovervoltageandundergroundcablelength电缆长度（kM）相对地过电压相间过电压中性点过电压2.8652.273.381.026.02.313.551.0210.02.383.581.0215.02.393.651.0220.02.383.661.02表3是以天宝站合1151线路为例，改变线路不同长度的计算结果。由表3知，即使在系统中性点通过小R或小X接地，110kV线路合闸过电压都在设计允许范围以内，相对地过电压和相间过电压都有一定的裕度。220kV接地或不接地，变压器110kV中性点通过接地阻抗Z=.2+j20Ω接地时，随着电缆长度的变化，合不同长度110kV电缆的过电压见表4。从表4中可见，随着电缆长度的增加，线路合闸过电压通常都有一定的裕度；且都在设备允许的过电压设计范围以内。1.4切110kV空载线路重燃过电压切110kV空载线路可能产生很高的过电压，且目前切空线重燃现象仍然不可避免，但属于小概率事件。在计算重燃过电压时，仅考虑断路器一相一次重燃，并考虑了线路长度、母线接线方式及避雷器等因素。远期三相短路电流接近25kA时系统称为大容量系统，而目前的系统则称为现有系统。考虑220kV中性点不同接地方式、在110kV中性点不同接地阻抗下的重燃过电压列于表5。表中无特殊说明时，电缆长度为2.865kM，线路上无避雷器，且母线上仅此一回待切的空载电缆。从表5中可以看到，中性点加接小电抗过电压比加接小电阻时要大；未来大容量系统的过电压比现有系统的要大；线路两端加接氧化锌避雷器对限制系统相对地过电压有明显的效果，尤其是对长线路；但对限制系统相间过电压的效果不大。此外，在氧化锌避雷器保护下，相对地过电压和中性点过电压通常都在设计允许范围以内；相间过电压和断路器断口过电压会随着中性点小电抗增大或电缆长度的增加而日趋严重，应该在工程应用时进行仔细的核算。表5切空线重燃过电压Tab.5Re-lightingovervoltageduringtrippingunloadedoverheadline计算系统中性点接地阻抗（Ω）中性点对地过电压相对地过电压相间过电压断路器断口过电压现有系统0.05/2.363.642.920.05*2/2.493.542.88大容量系统0.05/2.643.672.945.00.102.573.572.94100.192.463.462.950.1+j51.262.423.993.650.1+j5*11.082.703.953.400.1+j5*21.262.604.173.520.1+j5*31.262.304.123.450.1+j5*41.262.294.013.390.1+j101.302.324.073.42表5中：*1－电缆长度不变，母线上挂一回110kV出线；*2－电缆长度10kM；*3－电缆长10kM，且两端有避雷器；*4－电缆长10kM，且两端有避雷器，母线最高运行电压115kV。360MVA自耦变供电的110kV系统切空载电缆过电压见表6。表中数值为三相不同切除顺序时各相不同重燃时刻的最大过电压值。从表5、表6中可以看出，自耦变压器供电网络切空载电缆线路重燃过电压比三绕组变压器的要低，中性点接小电阻时的过电压比接小电抗时要低。表6360MVA自耦变系统切空载电缆过电压Tab.6Overvoltageduringtrippingunloadedundergroundcablein360MVAauto-transformersystem中性点接地阻抗（Ω）中性点对地过电压相对地过电压相间过电压断路器断口过电压0.05/2.373.332.725.00.102.343.292.7010.0.102.303.252.690.1+j50.922.373.772.840.1+j10.0.982.374.072.77*本计算中取110kV母线稳态电压120kV，电缆长度5kM。2过电压对设备的影响2.1变压器等设备(1).工频过电压对电气设备影响不大。因为110kV设备短时工频耐压185kV,持续时间1min，而工频过电压最大1.72pu，约125.56kV，持续时间小于5s。但是，避雷器额定电压不能满足工频过电压的要求，避雷器额定电压通常选用108kV，小于最大的工频过电压126