單一電源變電所缺相故障分析及處理對策

李彥吉

(北京鐵路局 石家莊供電段,河北邯鄲056002)

在大電流接地系統(tǒng)中,輸電線路單相斷線、斷路器跳開一相、線路重合閘過程中一相拒合及短期非全相運(yùn)行等,均屬于斷相狀態(tài)。它與短路形成的橫向故障不同,屬于縱向故障。斷線故障雖然沒有短路故障嚴(yán)重,但也對系統(tǒng)運(yùn)行和繼電保護(hù)有一定的影響。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

電氣化鐵路不對稱負(fù)荷產(chǎn)生的高次諧波、負(fù)序?qū)\(yùn)行中導(dǎo)線的沖擊電動(dòng)力,使電網(wǎng)、線路的運(yùn)行環(huán)境惡化,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長,線路、開關(guān)的故障幾率也將逐年增加。

近年來,牽引變電所由于110 kV進(jìn)線斷線和斷路器故障而造成的缺相事故屢有發(fā)生。2006年4月由于地方供電局車寄變電所156少油斷路器噴油,致使京廣線某變電所缺相運(yùn)行,事故造成牽引變電所停電2.5 h。2008年6月朔黃線某變電所進(jìn)線斷線、斷線相避雷器多次動(dòng)作、運(yùn)行變壓器中性點(diǎn)避雷器爆炸、倒換為交叉運(yùn)行方式后備用變壓器中性點(diǎn)避雷器爆炸,事故造成變電所停電長達(dá)10 h。

現(xiàn)有的牽引變電所進(jìn)線部分既有保護(hù)包括失壓保護(hù)、零序過電流保護(hù)兩種。零序過電流保護(hù)靠裝在變壓器中性點(diǎn)上的電流互感器實(shí)現(xiàn),但運(yùn)行中只有在投切主變壓器時(shí)才會(huì)短時(shí)合上中性點(diǎn)隔離開關(guān)、正常方式下應(yīng)供電局要求斷開,相當(dāng)于零序過電流保護(hù)沒有投入。

進(jìn)線失壓保護(hù)分兩種,現(xiàn)在普遍采用的做法是在進(jìn)線開關(guān)外側(cè)某一相上設(shè)置抽壓裝置如京廣線、京九線等。在非檢壓相斷線時(shí)、現(xiàn)有配置的牽引變電所任何保護(hù)都不會(huì)動(dòng)作,只是出現(xiàn)110 kV母線電壓異常、可能27.5 kV某一相電壓顯著降低引起該相電容器系統(tǒng)、動(dòng)力變跳閘。依現(xiàn)有處理原則,在值班員或機(jī)車司機(jī)發(fā)現(xiàn)后,可采用手動(dòng)退出既有運(yùn)行系統(tǒng)、投入備用系統(tǒng)的方案:倒入直列運(yùn)行,在退出備用系統(tǒng)時(shí),須合上中性點(diǎn)隔離開關(guān),因缺相時(shí)、零序電壓的存在,合上中性點(diǎn)開關(guān)必然造成主觸頭的燒損,備用系統(tǒng)投入時(shí)間過長、同時(shí)一次側(cè)零序電壓在變壓器副邊△接線產(chǎn)生較大的零序電流、危及變壓器絕緣;為了縮短不正常運(yùn)行時(shí)間,有的變電所采取投入交叉運(yùn)行的方式,因?yàn)槿毕鄺l件繼續(xù)存在,造成分?jǐn)嘀行渣c(diǎn)開關(guān)時(shí),備用系統(tǒng)開關(guān)主觸頭的燒損、避雷器爆炸。

有些變電所采取的是省略抽壓裝置,用進(jìn)線開關(guān)內(nèi)側(cè)用于計(jì)(測)量的三相電壓互感器取代檢壓,這樣可以實(shí)現(xiàn)檢三相電壓的目的,單相失壓時(shí)保護(hù)一般能夠準(zhǔn)確反映,但為了防止壓互二次保險(xiǎn)熔斷等保護(hù)誤動(dòng)、一般設(shè)置了低壓閉鎖,在只有一次側(cè)電壓降低、而二次側(cè)電壓正常時(shí)閉鎖失壓保護(hù),而二次側(cè)只是在α β相分別設(shè)置了母線電壓互感器、在一次側(cè)如β相缺相時(shí),△接線的二次兩個(gè)母線電壓不變或降低很小,致使失壓保護(hù)被閉鎖。因此,研究牽引站等單一電源變電所缺相運(yùn)行下的狀態(tài),增加適應(yīng)性保護(hù)和擬定合理的倒閘原則,是必須要做的事情。

2 理論分析

2.1 缺相運(yùn)行狀態(tài)分析

京廣線某牽引變電所接線方式是大電網(wǎng)系統(tǒng)送電到車寄站110 kV母線,經(jīng)156開關(guān)向變電所2#B系統(tǒng)送電。

2006年4月該變電所B相電容系統(tǒng)206DL失壓保護(hù)動(dòng)作,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)中信盤II回進(jìn)線表計(jì)顯示不正常,110 kV側(cè)電壓指示 A—C為65 kV、B—C為65 kV、A—B為 110 kV,27.5 kV側(cè)電壓指示A相 27 kV,B相11 kV。通過驗(yàn)電發(fā)現(xiàn)2#B系統(tǒng)C相無電(對應(yīng)電網(wǎng)A相),判斷為進(jìn)線缺相運(yùn)行。

(1)向量法分析

正常情況下,牽引變電所中性點(diǎn)開關(guān)斷開。高壓側(cè)未發(fā)生故障時(shí),向量如圖1,27.5 kV側(cè)線電壓:

在出現(xiàn)A相斷線時(shí),變壓器A相進(jìn)線端開路,中性點(diǎn)電位發(fā)生偏移,由對稱性可知,此時(shí)向量變化為圖2。

圖1 變壓器高壓側(cè)電壓向量圖

圖2 中性點(diǎn)偏移示意圖

由圖2可知,高壓側(cè)A相斷線時(shí),中性點(diǎn)電壓偏移最大值為:

對于220 kV系統(tǒng)偏移值為73 kV。由此可見,如若發(fā)現(xiàn)斷線,倒換運(yùn)行方式時(shí)、按正常倒閘順序去操作中性點(diǎn)開關(guān),由于零序電壓的存在,將會(huì)產(chǎn)生弧光放電、燒壞隔離開關(guān)觸頭。此時(shí),變壓器高壓線圈BY、CZ上的電壓,線圈AX上的電壓為0,因此低壓側(cè)電壓為:

按牽引供電系統(tǒng)α、β相分別設(shè)置母線電壓互感器的方式,此時(shí)電壓分別指示27.5 kV,13.75 kV;B相缺相時(shí),電壓指示均為23.82 kV。

(2)復(fù)合序網(wǎng)

電力系統(tǒng)正常運(yùn)行方式,220 kV環(huán)網(wǎng)運(yùn)行、110 kV系統(tǒng)解環(huán)運(yùn)行,110 kV系統(tǒng)接地、接地點(diǎn)在220 kV站,110 kV降壓變壓器中性點(diǎn)不接地。在出現(xiàn)一相斷線時(shí)如A相,不難看出故障處的邊界條件Ia=0,Ub=Uc=0,其相應(yīng)的各序分量邊界條件為I(1)+I(2)+I(0)=0,U(1)=U(2)=U(0),故復(fù)合序網(wǎng)圖如圖3[1]。

圖3 復(fù)合序網(wǎng)圖

此時(shí),在牽引變電所中非故障相中的電流大小相等、相位相反,且只有正序分量和負(fù)序分量。而220 kV母線電壓基本保持不變、牽引變電所110 kV母線非故障相電壓變化也很小,所以,該情況下220 kV地方變電站的所有零序保護(hù)均會(huì)拒動(dòng)。

(3)27.5 kV母線產(chǎn)生零序電壓

由于變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行,零序阻抗為∞、零序電流為0,但零序電壓通過高低壓線圈間電容和低壓側(cè)對地電容所組成的電容回路傳遞給變壓器低壓側(cè),使27.5 kV母線產(chǎn)生零序電壓。按=4 000 pF、變壓器空載=12 000 pF計(jì)算,此時(shí)低壓側(cè)產(chǎn)生較高的零序電壓,約為高壓側(cè)的1/4,即 9.13 kV。

當(dāng)變壓器低壓側(cè)帶有負(fù)荷,接觸網(wǎng)采用 LXGJ-100+TCG-120接觸懸掛、接觸網(wǎng)導(dǎo)高6 000 mm、結(jié)構(gòu)高度1 100 mm,供電臂長度23 km。在線路空載的狀態(tài)下,用鏡像法根據(jù)求得導(dǎo)線對地電容C0為1.8×10-7F,此時(shí)低壓側(cè)零序電壓約為0.4 kV。

2.2 缺相運(yùn)行后引發(fā)諧振

(1)缺相

2008年6月朔黃線某牽引變電所1#B中性點(diǎn)避雷器爆炸,供電電調(diào)遠(yuǎn)動(dòng)操作將變電所設(shè)備倒換為交叉運(yùn)行。當(dāng)?shù)归l操作完畢斷開2#B中性點(diǎn)接地隔離開關(guān)1 092后,又發(fā)生2#B中性線避雷器爆炸,1 092觸頭放電燒傷故障。之后,2#B停止運(yùn)行,變電所全所停電。

(2)避雷器損壞

在缺相的情況下,發(fā)生了斷線諧振,其過電壓倍數(shù)達(dá)到2.0×10-6～3.0×10-6,但當(dāng)避雷器損壞擊穿接地時(shí),諧振立即消失。經(jīng)查本次故障擊穿避雷器型號為Y1W-60/144,故障前其裝設(shè)的在線監(jiān)測儀指示正常、其帶電、預(yù)防性試驗(yàn)均合格,應(yīng)該完全可以承受線路傳輸?shù)睦纂姴?。但氧化鋅避雷器只能承受1.3倍設(shè)備對地電壓峰值的過電壓、對于過高的工頻以及2、3、5倍工頻頻率的諧振是無法承受的?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)避雷器在線監(jiān)測儀下端發(fā)黑,并有放電燒傷痕跡,且計(jì)數(shù)器多次動(dòng)作。從避雷器內(nèi)部擊穿的情況來看,閥片擊穿面積很大,外部所包環(huán)氧樹脂筒全部碳化、呈嚴(yán)重過熱現(xiàn)象,屬工頻擊穿,分析認(rèn)為缺相運(yùn)行時(shí)發(fā)生了工頻諧振。

(3)等值電路圖

缺相后,避雷器未擊穿接地時(shí),系統(tǒng)的等值電路如圖4。

圖4 諧振時(shí)等效電路圖

其中C12為A、C兩相對B相的相間電容,CA、CC為A、C相對地電容,因直接接地不參與諧振,CB為線路缺相后B相對地電容,L為主變110 kV B相勵(lì)磁電抗。

由于C12較小,與 L并聯(lián)之后仍呈感性,再與CB形成串聯(lián)諧振,諧振的主體為B相電感與對地電容,故B相母線電壓最高,B相避雷器擊穿的可能性也最大;同時(shí)中性點(diǎn)電壓占到諧振電壓的1/3左右,發(fā)生擊穿的幾率也很大[2]。

3 解決方案

缺相故障與高阻接地故障一樣,由于短路電流較小,送電側(cè)母線電壓基本保持不變,反映接地的零序保護(hù)、主變壓器的間隙保護(hù)一般不會(huì)動(dòng)作跳閘,必須增加新型保護(hù)裝置。

3.1 諧振保護(hù)

受電的牽引變電所出現(xiàn)缺相時(shí),多數(shù)情況下是由于變壓器斷線相勵(lì)磁電抗與對地電容產(chǎn)生諧振,造成斷線相、中性點(diǎn)避雷器多次重復(fù)動(dòng)作,對于能量無限的過電壓引起避雷器爆炸。因此,再出現(xiàn)諧振是必須予以盡快破壞諧振發(fā)生的條件,切除故障線路,可利用分相諧振時(shí)出現(xiàn)電流、電壓的極值構(gòu)成諧振保護(hù)。

3.2 缺相保護(hù)

(1)缺相接地

對于缺相后出現(xiàn)接地時(shí)(包括避雷器擊穿),220 kV站110 kV線路的零序過電流保護(hù)會(huì)動(dòng)作,可能會(huì)引起220 kV站主變壓器的后備保護(hù)動(dòng)作,能夠切除故障線路。不管地方變電站保護(hù)動(dòng)作與否,牽引變電所必須有所反應(yīng)。利用接地時(shí)高壓側(cè)出現(xiàn)的零序電壓、零序電流,低壓側(cè)引入所用電的二次電壓也會(huì)出現(xiàn)不對稱構(gòu)成缺相接地保護(hù)。

(2)缺相未接地

缺相未接地時(shí),高壓側(cè)會(huì)產(chǎn)生零序電壓、因中性點(diǎn)不接地?zé)o零序電流,但高壓側(cè)健全兩相電流大小相等、方向相反、且只有正序分量和負(fù)序分量,利用此特征構(gòu)成缺相未接地保護(hù)。

3.3 自動(dòng)投入備用系統(tǒng)

在出現(xiàn)諧振、變壓器缺相時(shí),首先跳開本側(cè)斷路器(不合中性點(diǎn)開關(guān)),按直列方式投入備用系統(tǒng)。

3.4 電壓異常預(yù)告閉鎖

計(jì)算高低壓側(cè)的零序電壓,當(dāng)檢測到二者只有一個(gè)超標(biāo)時(shí),給出“電源側(cè)(負(fù)荷側(cè))PT斷線”,并可選擇閉鎖保護(hù)裝置。

4 結(jié)束語

2009年10月按本方案思路制作的測控裝置安裝在京廣線磁縣變電所,并通過了北京鐵路局的技術(shù)鑒定?，F(xiàn)場模擬試驗(yàn)表明,該裝置可在牽引變電所出現(xiàn)缺相時(shí),能夠即時(shí)判斷,防止線路產(chǎn)生斷線諧振損壞設(shè)備、進(jìn)行合理操作杜絕不當(dāng)?shù)归l引起的中性點(diǎn)隔開、進(jìn)線斷路器以及變壓器絕緣的損壞和接觸網(wǎng)停電問題的發(fā)生。

本方案除適用于電氣化鐵路各種接線的牽引供電系統(tǒng)外,在普遍設(shè)立終端變電站的廠礦企業(yè)也可參考使用。

[1] 陳 珩.電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析[M].北京:中國電力出版社,1998.

[2] 肖永卿.110 kV線路斷線引發(fā)的諧振故障原因分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù),2006,(3):27-28.