弧光接地過電壓引起設(shè)備燒毀事故原因分析

王接旭 侯建軍 丁曉鋒

（新密市電業(yè)局，河南 新密 452370）

1 引言

目前我國 10kV線路電力網(wǎng)絡(luò)采用中性點不接地的方式運行，當 10kV出線發(fā)生單相接地時，接地電流只是網(wǎng)絡(luò)電容電流，比較小，保護裝置不動作于跳閘，只給出信號，電網(wǎng)可持續(xù)運行2h，故提高了供電可靠性。其缺點是經(jīng)濟性差，因 10kV中性點不接地網(wǎng)絡(luò)單相接地時，使不接地相對地電壓變成了線電壓，易出現(xiàn)弧光引起的諧振過電壓，造成對電力設(shè)施的嚴重損壞。

2 事故經(jīng)過

2.1 事故前運行方式

110kV某變電站一次主接線如（圖 1）所示，110kV東母帶1#主變運行，110kV西母帶2#主變運行，110kV母聯(lián)處于解備位置。1#、2#（2×40MW）分別帶10kV I段、10kV II段運行，10kV母聯(lián)開關(guān)處于熱備用狀態(tài)，10kV備用出線均在解備位置。

2.2 事故動作報告

圖1 110kV變電站接線圖

2009年6月11日21時43分，110kV變電站后臺機報“10kVⅡ母PT接地”時，正當值班人員準備進一步查清信號，然后進行選擇接地板次時，突然聽到高壓室傳出一聲巨響，走到離高壓室不遠處，看到高壓室一片火光，里面煙霧彌漫看不清任何設(shè)備。事故發(fā)生后檢查發(fā)現(xiàn)兩臺主變低壓側(cè)開關(guān)已事故跳閘，10kV母聯(lián)開關(guān)和10kV I母、II母C相電壓互感器以及母聯(lián)開關(guān)相鄰的兩條備用出線板上刀閘已經(jīng)相繼燒毀。

以下是當時保護裝置上顯示的故障信息：

3 事故過程分析

認真分析這次事故時各裝置記錄的錄波信息如圖2～3所示，我們可以看到10kV I母C相電壓有一個突變脈沖比其他兩相電壓高出約1.5倍， 2#變B、C（非故障相）電壓約為正常電壓1.7倍。結(jié)合各項事件記錄，可以設(shè)想事故過程是這樣的：10kV II母A相在某處（站外配電線路可能性大）發(fā)生非金屬性不完全接地，接地電容電流在5～20A上下，電弧燃、熄反復(fù)，形成單相弧光接地，使10kV II母A相電壓下降到15V左右，B、C兩相電壓升高到9kV上下并伴有較高諧波（過電壓），24.33s后使10kV II母C相PT、城1001開關(guān)C相斷口絕緣擊穿；開關(guān)絕緣擊穿導(dǎo)致過電壓竄入10kV I母，致I母C相PT絕緣擊穿；母聯(lián)開關(guān)C相斷口絕緣擊穿后形成的短路電流導(dǎo)致真空管爆炸，造成該柜內(nèi)兩相并發(fā)展為三相短路；由于此時短路電流較大，短路電弧造成三組刀閘燒毀。2#變、1#變低后備保護過流I段、復(fù)合電壓閉鎖過流I段II時限相繼啟動，發(fā)生接地故障后延時24.39s后相繼跳開了2＃主變、1＃主變低壓側(cè)開關(guān)、延時24.7s后跳開10kV母聯(lián)開關(guān)。

圖2 10kV I母三相電壓故障錄波

4 事故原因分析

4.1 單相弧光接地過電壓為故障發(fā)生的主要原因

當10kV II母A相發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)處于異常運行狀態(tài)，由于單相接地電流是電容性的，一般不超過 10A，電弧既不容易自行熄滅，又不足以穩(wěn)定重新燃燒，因而發(fā)生間歇性重燃現(xiàn)象。電弧每次間歇性重新燃燒都引起整個系統(tǒng)對地電磁振蕩，并且前后過程相互影響，振蕩逐步加強，使系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓。后臺機報“10kV II母A相接地”，使非故障相上出現(xiàn)弧光接地過電壓情況。經(jīng)計算表明，發(fā)生單相弧光接地時過電壓的最大值將達到：Umax=1.5Um+(1.5Um-0.7Um)=2.3Um，單相弧光接地的過電壓瞬時幅值最大可以達到20.4kV。如果弧光接地在接地點造成弧光間隙性反復(fù)燃燒，那么產(chǎn)生的過電壓倍數(shù)將遠大于 2.3倍。根據(jù)有關(guān)資料介紹，在國外有些專家對單相弧光接地進行了實測，其結(jié)果顯示，過電壓幅值高達正常相電壓幅值的3～3.5倍。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，容易產(chǎn)生較高的過電壓，強烈的過電壓可使空氣絕緣被擊穿，形成弧光短路；其一旦產(chǎn)生就將會在電力網(wǎng)絡(luò)絕緣薄弱環(huán)節(jié)形成閃絡(luò)放電，將絕緣破壞，造成相間短路或者損害電氣設(shè)備。

由于電力系統(tǒng)可以看作是一個由許多具有電感性、電容性的元件所組成的復(fù)雜電路，故障的出現(xiàn)使電力系統(tǒng)從一種電磁狀態(tài)過渡到另一種電磁狀態(tài)，這種過渡過程必須經(jīng)過高頻振蕩過渡過程，通過電弧接地點的高頻振蕩電流最大（可達數(shù)百安培），時間短，振蕩電流可達到高出穩(wěn)態(tài)下電流的很多倍。

目前電力系統(tǒng)6～35kV中性點采用的是不接地運行方式，這種方式對其本身來說雖然有它的諸多優(yōu)越性，根據(jù)《電氣事故處理規(guī)程》的規(guī)定，在出現(xiàn)單相金屬性接地時，可以運行1～2h，在出現(xiàn)單相弧光接地時可以運行15m in，這對于電力用戶來說其可靠性相對較好。但是實際上一旦產(chǎn)生弧光接地，過電壓以及大的接地電流對電氣設(shè)備的損壞是迅速的，根本就沒有15m in的時間留給值班人員進行分析、判斷和處理。

4.2 鐵磁諧振過電壓也是可疑的原因

該110kV變電站10kV I、II母PT沒有采用用四只PT的接線方式，無法提高PT的零序勵磁特性，從而提高PT的抗燒毀能力。但是應(yīng)注意到，單相接地使中性點出現(xiàn)零序電壓，三相PT中產(chǎn)生零序電流，經(jīng)電源形成回路，當Ln與3 C0在某頻率下參數(shù)值匹配時，得以流通，從而在3 C0上建立與各相電源電壓疊加，產(chǎn)生鐵磁諧振過電壓，維持PT飽和，從而形成持續(xù)一段時間的鐵磁諧振。勵磁電流劇增數(shù)十甚至一百倍，并形成鐵磁諧振過電壓，也是導(dǎo)致10kV I、II母PT燒毀現(xiàn)象發(fā)生的一個可疑的原因。

5 防范措施

5.1 采用中性點經(jīng)消弧線圈接地運行方式

消弧線圈是一個鐵心可調(diào)節(jié)的電感線圈，將它安裝在接地變中性點處，這樣系統(tǒng)一旦發(fā)生單相接地（不針對弧光接地高頻分量）時，可形成一個與接地電流大小近似相等、方向相反的電感電流與容性接地電流相補償，從而達到限制接地電流，避免在接地點形成弧光。同時即使是運行方式發(fā)生變化，使消弧線圈的補償度或脫諧度發(fā)生變化，而產(chǎn)生弧光接地，燃弧后電容的充放電電流要經(jīng)過消弧線圈流回，而不會在故障點形成多次弧光重燃，這樣就有效地避免了接地點的間歇性燃弧，達到揚制弧光過電壓的目的。同時在經(jīng)過精確測試現(xiàn)有系統(tǒng)的單相接地電流的基礎(chǔ)上，合理地設(shè)計和選擇好消弧線圈，可以將接地電流限制在5A以下，以確保電力系統(tǒng)的運行安全。

電網(wǎng)中性點經(jīng)消弧線圈接地方式的優(yōu)點是：

（1）降低了電網(wǎng)絕緣閃絡(luò)（如雷擊閃絡(luò)）接地故障電流的建弧率，減少了線路跳閘率。

（2）金屬性接地故障時，可帶單相接地運行，改善了電網(wǎng)不間斷供電，提高了供電可靠性。

（3）接地工頻電流（即常稱的殘流）小，降低了地電位升高，減小了跨步電位差和接地電位差，減小了對低壓設(shè)備的反擊以及對信息系統(tǒng)的干擾等。

值得注意的是，現(xiàn)行所有以消弧線圈設(shè)計的自動跟蹤補償或自動調(diào)諧是在電網(wǎng)工頻（50Hz）下完成的。電網(wǎng)在單相間歇性電弧接地時刻，在健康相（非故障相上）發(fā)生的弧光過電壓和通過電弧接地故障點的總電流是幅值較大的高頻電流，而電網(wǎng)電容和消弧線圈電感在高頻下，兩者頻率特性是完全不同的，兩者在高頻下是不可能互相補償或調(diào)諧的。

5.2 小電流接地選線設(shè)置為跳閘

利用小電流接地裝置判斷 10kV各分板接地電流情況，通過保護裝置設(shè)置為跳閘，可以有效避免因為接地故障造成事故擴大。

[1]賀家李. 電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].北京: 中國電力出版社, 2003.

[2]陳金玉. 繼電保護[M].北京: 中國電力出版, 2008.

[3]馮金光.發(fā)電廠電氣部分[M].北京: 中國水利水電出版社, 2002.