220 kV線路接地故障引起發(fā)變組高壓側(cè)斷路器誤跳閘原因分析及處理

孟慶黨，雷春明，李博，戴文華，孫效云

(華能巢湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽省巢湖市，238000)

0 引言

華能巢湖電廠2009年220 kV線路發(fā)生絕緣子閃絡(luò)導(dǎo)致單相接地故障，線路保護(hù)正確動作跳開開關(guān)，與此同時發(fā)變組高壓側(cè)斷路器發(fā)生不明原因跳閘。經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)變組保護(hù)沒有動作，查不出直接導(dǎo)致發(fā)變組高壓側(cè)斷路器的原因。主變高壓側(cè)中性點為直接接地方式，機(jī)組故障錄波器錄波顯示故障時流經(jīng)主變中性點的接地電流約為2 500 A。發(fā)變組高壓側(cè)斷路器跳閘的同時，掛在同一母線處的啟備變高壓側(cè)開關(guān)在機(jī)組故障錄波器上顯示發(fā)生變位，變位時間為10 ms左右，啟備變高壓側(cè)開關(guān)實際并未跳閘，據(jù)此判斷，發(fā)變組高壓側(cè)斷路器跳閘為誤動。

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)變組高壓側(cè)斷路器跳閘回路二次電纜長約 470 m(型號 ZRC-KVVP2，7×2.5 mm2)，對地電容較大。接地故障發(fā)生或切除時，高達(dá)數(shù)MHz的高頻分量可以持續(xù)時間十幾ms［1-10］，因此懷疑是高頻分量通過跳閘回路二次電纜分布電容侵入跳閘回路，導(dǎo)致斷路器跳閘。

1 原因分析

1．1 模型建立

當(dāng)線路單相接地故障發(fā)生或者切除時，接地電流除了有工頻量之外，還包含高達(dá)數(shù)MHz的高頻分量，持續(xù)時間達(dá)十幾ms，一次系統(tǒng)圖及等效電路如圖1所示。

圖1 一次系統(tǒng)及等效電路圖Fig.1 Primary system and equivalent circuit

圖中Rg為電源中性點接地電阻(中性點直接接地為0)，Rgz為系統(tǒng)接地故障電阻，可得:

Ig和高頻分量的能量及變壓器中性點電阻、接地故障電阻都有關(guān)系，高頻電流在大地中流動時，升壓站地電網(wǎng)和主廠房地電網(wǎng)空間位置上的差異，根據(jù)格林函數(shù)的原理，2個地網(wǎng)之間存在電位差ΔU，該電位差的大小正比于Ig。由于ΔU的作用，故障高頻分量經(jīng)過斷路器跳閘回路的電容耦合作用在跳閘線圈，模型和等效電路如圖2所示。

圖2 耦合模型及等效電路Fig.2 Coupling model and equivalent-circuit

由此可知耦合電路中流經(jīng)斷路器跳閘線圈的電流I=KIg，K為關(guān)聯(lián)系數(shù)。

當(dāng)然工頻分量也會在2電網(wǎng)之間形成電位差，但是地電網(wǎng)與跳閘回路之間的電容耦合幾乎可以忽略不計，所以工頻分量作用在跳閘線圈的影響可以忽略。

1．2 參數(shù)確定

對發(fā)變組高壓側(cè)斷路器跳閘回路試驗測試:跳閘線圈動作電壓U=36 V，線圈直阻 RTQ=50 Ω，可得I=U/RTQ=0.72 A。

ΔU為2地網(wǎng)電位差，C1、C2為二次電纜耦合電容，RTQ為斷路器跳閘線圈電阻，I為耦合回路電流，由此可得數(shù)學(xué)模型:

1．2．1 ω 的確定

根據(jù)有關(guān)資料仿真結(jié)果，在單相接地故障發(fā)生或切除時，會形成前沿極陡的快速暫態(tài)分量，此暫態(tài)分量約為2 MHz，持續(xù)時間達(dá)到10 ms左右。由ω=2π/T，T=1/f(ω為角頻率;π為圓周率，取3.14;T為周期;f為暫態(tài)分量頻率)，得ω=1.256×107。

1．2．2 二次電纜耦合電容 C1、C2的確定

電纜廠家一般不提供百米長控制電纜分布電容數(shù)值，查閱有關(guān)資料:“根據(jù)不同電纜的芯線空間布置結(jié)構(gòu)與分布電容的關(guān)系，制定了等效分布電容電路，然后根據(jù)等效電路實測了部分電纜的電容，并在此基礎(chǔ)上建立軟件仿真數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真校對，驗證其等效電路及實測方法的可行性，然后用此方法實測了多種控制電纜的分布電容參數(shù)，具體情況如表1”。

這里可以認(rèn)為 C1=C2，查表可知 ZRC-KVVP 2 7×2.5 mm2，單芯分布電容每100 m 為30.63 nF，C1=C2=(4.70×30.63 nF)/2≈72 nF。

將 C1、C2、ω、I、RTQ代入式(2)，可求得 ΔU≥37.6 V，由此可以看出C1、C2相當(dāng)于短路。

2 事故處理

2．1 降低地電位差ΔU

用120 mm2銅電纜將主廠房等電位網(wǎng)與升壓站等電位網(wǎng)連接，如圖3所示，并定期對接地電阻進(jìn)行測試。

表1 保護(hù)常用控制電纜綜合分布電容數(shù)Tab.1 Distributed capacitance parameter of common control cables

圖3 等電位網(wǎng)連接圖Fig.3 Equipotential net connection diagram

2．2 采用套鐵氧體磁環(huán)抑制高頻干擾

采用套鐵氧體磁環(huán)抑制高頻干擾如圖4所示。鐵氧體磁環(huán)的阻抗隨著頻率的增高不斷增大，當(dāng)高頻信號通過鐵氧體時，電磁能量以熱的形式耗散掉。T1、T4保護(hù)套鐵氧體磁環(huán)，同時抑制保護(hù)裝置開入信號誤動;T2、T3在斷路器就地端子箱保護(hù)套鐵氧體磁環(huán)，抑制高頻量入侵。從物理意義上講，該方案改變了回路參數(shù)，降低了跳閘線圈上的壓降，建議斷路器廠家在開關(guān)本體設(shè)計抑制高頻干擾的措施。

圖4 鐵氧體磁環(huán)布置示意圖Fig.4 Layout diagram of ferrite bead

2．3 在開關(guān)跳閘線圈回路加串電阻，提高開關(guān)跳閘動作電壓

現(xiàn)場對分閘電壓測試為36 V(Ue=110 V)，根據(jù)電力設(shè)備高壓試驗標(biāo)準(zhǔn)對斷路器分閘電壓不大于65%Ue且30%Ue下可靠不分閘的要求，把分閘電壓控制在(55%～60%)Ue是明智之舉。本廠在分閘回路中串聯(lián)陶瓷電阻，以提高斷路器的分閘電壓。

2．4 改變系統(tǒng)接地方式

經(jīng)對近年來電力系統(tǒng)類似事故案例調(diào)查分析，發(fā)生高頻干擾跳閘的發(fā)電廠及變電站均為變壓器為中性點直接接地的運(yùn)行方式。從等效電路中不難發(fā)現(xiàn):采用小電流或不接地系統(tǒng)提高Rg，可以降低跳閘線圈上的壓降。

3 結(jié)語

本文通過對華能巢湖電廠220 kV線路接地故障引起發(fā)變組高壓側(cè)斷路器誤跳閘的原因分析及處理，提出采取降低地電位差ΔU、采用套鐵氧體磁環(huán)抑制高頻干擾、在開關(guān)跳閘線圈回路加串電阻提高開關(guān)跳閘動作電壓、改變系統(tǒng)接地方式等幾種綜合措施，可有效防范高頻分量通過二次電纜分布電容侵入跳閘回路引起的斷路器誤跳閘，值得借鑒。

［1］GB 50150—2006電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國電力出版社，2006．

［2］胡希同．短路暫態(tài)過程對距離保護(hù)的影響［J］．山東工程學(xué)院學(xué)報，1994，8(4):42-47．

［3］何娜．變電站內(nèi)過電壓時頻域分析方法研究［D］．長沙:長沙理工大學(xué)，2009．

［4］孟恒信．保護(hù)用控制電纜分布電容參數(shù)測試方法研究［J］．山西電力，2008(8):16-19．

［5］田海賓．控制電纜屏蔽層接地方式探討［J］．山西電力，2004(1):66-67．

［6］李天偉．淺談二次回路抗干擾的措施［J］．內(nèi)蒙古電力，2007，25(2):57-59．

［7］賈彥龍．關(guān)于發(fā)電廠及變電站銅等電位網(wǎng)的設(shè)計研究［J］．山西電力，2009(2):27-29．

［8］王彥伶．鐵氧體及感性元件在抑制電磁干擾中的應(yīng)用［J］．電子元器件應(yīng)用，2005(1):13-18．

［9］焦樹建．抗電磁干擾軟磁鐵氧體技術(shù)［J］．陶瓷，2009(11):36-38．

［10］吳曉梅，鄒森元．電力系統(tǒng)繼電保護(hù)典型故障分析［M］．北京:中國電力出版社，2001．