一起10kV母線停電事故的成因分析

周宣

(天脊集團高平化工有限公司，山西高平048400)

0 引言

某公司220kV供電系統(tǒng)采用GIS六氟化硫真空斷路器，10kV出線90%以上采用電纜線路，因此，系統(tǒng)對地電容電流較大，于是選用了2臺主變壓器高壓側備用直接接地，低壓側經中電阻接地的方式。

采用這種方式供電以來，幾乎沒有出現過因諧振過電壓、雷電過電壓等而造成事故范圍擴大的現象，但在2009年6月27日的架空線搭接事故中，由于架空線對地電容電流突然增大，超過了設計值，從而造成過電壓的持續(xù)時間過長，使事故范圍擴大。

1 事故經過

2009－06－27T13:18，突發(fā)暴風驟雨，10kV高壓架空線路出線開關速斷保護64ms動作跳閘，動作電流1700A。保護裝置顯示B相、C相短路;與該架空線接于同一母線的另一10kV開閉所B進線開關零序保護300ms動作跳閘，由架空線供電的開閉所A及與該架空線接于同一母線的10kV開閉所B的II段母線停電，造成全公司生產系統(tǒng)停產，損失很大。

經分析，10kV高壓架空線路為故障線路，故障電流過大，使短路產生的過電壓來不及通過中電阻流入大地，過電壓持續(xù)時間過長，造成開閉所B過電壓保護器擊穿對地放電，零序保護動作II段母線失電。經分析認為，故障原因為架空線路不對稱短路引起了工頻過電壓。

2 事故原因分析

(1)事故發(fā)生時是大風天氣，架設于該公司線路上側的民用低壓線脫落后，搭接于該公司10kV架空線路上，B相接地短路，故障電流達到1700A，由于單相接地電流過大，弧光接地，架空線瞬間由單相接地發(fā)展為相間短路，出線開關速斷保護64ms動作跳閘。

(2)架空線路速斷保護動作切除故障后，300ms過電壓保護器對地放電，零序保護動作，母線停電。經分析，過電壓保護器動作的原因可能為:系統(tǒng)除架空線路故障外，還有其他故障點;雷電過電壓;架空線路斷路器跳閘引起系統(tǒng)內部產生過電壓。

(3)事故發(fā)生后，對母線進行了絕緣電阻和吸收比測試，均在正常范圍內，因此排除了系統(tǒng)有其他故障點的可能性。由于雷電過電壓持續(xù)時間一般較短，僅為幾十毫秒，而此次事故中過電壓持續(xù)時間遠大于該數值，于是初步認為過電壓保護器動作的原因為架空線路斷路器跳閘動作引起系統(tǒng)內部產生過電壓。

由于接地故障以及斷路器跳閘動作的影響，系統(tǒng)電感、電容參數配合產生變化，電壓瞬間發(fā)生沖擊響應，產生工頻過電壓，在系統(tǒng)阻尼的作用下，逐漸衰減，但由于持續(xù)時間較長，對過電壓保護器等設備產生影響。

(4)事故發(fā)生時，系統(tǒng)功率因數在0.995～0.998之間波動，接近1.000，架空線搭接引起對地電容增大，增大了功率因數，同時斷路器跳閘動作激發(fā)，引起系統(tǒng)產生過電壓。

(5)該公司#2主變壓器采用高壓側中性點不接地、低壓側經中電阻接地方式運行，電阻器型號為ZZH－10－30，電阻值為30Ω，屬中性點中電阻接地系統(tǒng)。在多數故障情況下，單相接地故障電流小于600A，諧振過電壓、操作過電壓等均能通過中性點接地電阻釋放到大地中，中性點接地電阻能較快地降低過電壓的幅值，過電壓不會對該公司供電系統(tǒng)造成影響。

在此次事故中，民用低壓線脫落后搭接于架空線上，架空線路對地電容突然增大，對地電流I=jwcu，單相接地電流為非故障相對地電容電流與中性點電阻電流之和，使單相接地故障電流達到1700 A，遠遠大于中性點電阻的設計接地電流值(此時適用中性點經小電阻接地)，故障線路速斷保護動作跳閘后，過電壓不能很快釋放，過電壓保護器持續(xù)承受過電壓，在絕緣薄弱處擊穿對地放電，產生零序電流，使零序保護動作跳閘。

(6)熱電開閉所灰塵較大，6月份天氣潮濕，容易引起過電壓保護器絕緣電阻降低，在過電壓的作用下擊穿放電，之后恢復。

(7)架空線路架設不符合規(guī)范，低壓架空線路應建設于高壓架空線路之下。

(8)保護定值設置不合理，使斷路器出現越級跳閘，B開閉所出線開關拒跳，使進線開關越級跳閘。

3 防范措施

(1)對架空線路進行重新架設，依據規(guī)范進行施工。

(2)由于10kV母線分段運行且只在二段母線有架空線路，因此，將#1主變壓器高壓側中性點接地、#2主變壓器不接地改為#1主變壓器高壓側中性點不接地、#2主變壓器接地(將給架空線路供電的主變壓器高壓側中性點接地)，預防架空線路產生過高的接地過電壓。

(3)投運無功自動調節(jié)裝置，使功率因數保持在0.950左右，避免功率因數接近1.000而給過電壓的產生提供條件。

4 中性點經電阻接地系統(tǒng)的特點

(1)電阻接地系統(tǒng)的原理。根據電網的運行經驗，當電網中性點不接地時，即使單相接地電容電流不大，也會因在單相接地時產生間歇性的弧光接地過電壓而使健全相的電位升高到足以破壞其絕緣水平的程度，甚至形成相間短路故障。如果在變壓器中性點(或借用接地變壓器引出中性點)串聯接入某一電阻，該電阻與系統(tǒng)對地電容構成并聯回路。由于電阻是耗能元件、電容電荷釋放元件及系統(tǒng)諧振的阻尼元件，當電網發(fā)生單相接地故障時，間歇性弧光接地過電壓中的電磁能量通過接地電阻釋放，則中性點電位降低，故障相的恢復電壓上升速度減慢，從而減少弧光重燃的可能性，抑制了電網過電壓的幅值，并使有選擇性的接地保護得以實現。中性點經電阻接地系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 中性點經電阻接地系統(tǒng)

(2)中性點經電阻接地系統(tǒng)的分類。按限制接地故障電流大小的要求不同，可分為高、中、低電阻接地系統(tǒng)(由于中電阻接地和小電阻接地系統(tǒng)的運行特性相似，也可只分為高電阻和低電阻2類)，其阻值與單相接地電流的范圍見表1。

表1 中性點經電阻接地分類

(3)經電阻接地系統(tǒng)由于其限制工頻過電壓和弧光接地過電壓、消除鐵磁諧振過電壓的優(yōu)越性，應用越來越普遍。與經消弧線圈接地系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點:

1)能補償5次諧波，避免事故擴大為相間短路。經上海供電局接地試驗實測，消弧線圈不能消除接地電容電流中的5次諧波電流，這部分電流高達基波分量的10%～15%，在故障處理過程中加速了絕緣燒損，易發(fā)展為相間短路而跳閘，而接地電阻可以消除弧光接地過電壓中的5次諧波電流。

2)內部過電壓幅值小。在消弧線圈接地系統(tǒng)中，弧光過電壓和鐵磁諧振過電壓幅值較高，持續(xù)時間長，嚴重威脅設備絕緣安全，此類過電壓標幺值可達3.2p.u.，而發(fā)電機、電纜等最高過電壓標幺值要求不超過2.6p.u.(2.0p.u.以上的概率為34%)。

中性點經電阻接地系統(tǒng)可降低單相接地工頻過電壓，而且能快速切除故障線路，這有利于與有積累效應的電纜線路的絕緣，也有利于無間隙氧化鋅避雷器的安全運行。弧光接地過時電弧積聚的電荷可通過電阻泄漏入地，中性點電位衰減快，所以過電壓標幺值一般小于2.5p.u.。

電阻接地方式是消除鐵磁諧振過電壓的有效措施。

3)能很快切除故障，維護設備和人身安全。在消弧線圈接地系統(tǒng)中，單相接地發(fā)生后，允許在2 h內帶故障運行，系統(tǒng)工頻電壓升高，容易損壞絕緣發(fā)生閃絡或擊穿，從而造成相間短路;電纜線路的絕緣為非自恢復絕緣，一旦發(fā)生接地故障，即為永久性故障。

經電阻接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障后，依靠零序保護裝置立即跳閘，防止事故擴大和人身觸電事故的發(fā)生。

4)容易判斷故障線路，便于及時切除故障線路，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。發(fā)生單相接地故障時，可以準確、迅速地判斷出故障線路并在短時間內切除，使設備耐受過電壓的時間縮短，為系統(tǒng)設備降低絕緣水平創(chuàng)造了有利條件，使系統(tǒng)運行的可靠性增加。采用選線裝置來尋找故障線路，不準確且容易引發(fā)相間故障等，需采用人工巡檢手動拉路的方式，而小電阻接地系統(tǒng)由繼電保護自動巡檢起跳故障線路。

5 產生單相接地過電壓的原因

對于中性點不接地系統(tǒng)或不直接接地的系統(tǒng)，單相接地時可能會出現的過電壓一般情況下有2種，即工頻過電壓和弧光接地過電壓。

(1)工頻過電壓。當系統(tǒng)發(fā)生單相或兩相不對稱接地短路故障時，短路引起的零序電流會使健全相上工頻電壓升高，其中單相接地時非故障相的電壓可達較高數值。單相接地時工頻電壓升高值是確定避雷器滅弧電壓的依據。

在中性點不接地或不直接接地的系統(tǒng)(如本文事例屬中性點經電阻接地系統(tǒng))中，一相接地時健全相的相對電壓將上升為U(U為電源相電壓)，即出現了倍的過電壓。

在該事例中，由于開閉所灰塵大，事發(fā)時空氣潮濕，過電壓保護器在持續(xù)工頻過電壓下起保護電氣設備的作用，擊穿放電。

(2)弧光接地電壓。實踐證明:在線路較短，接地電流很小的情況下，單相接地電弧會迅速熄滅，電網自動恢復正常。而當線路較長時，接地電流大，電弧不會很快熄滅，容易形成不穩(wěn)定的斷續(xù)燃燒現象，由此引發(fā)的電磁能量振蕩過程便產生間歇性電弧接地過電壓。此種過電壓的幅值高，作用時間延長，危害作用較大，曾經導致系統(tǒng)多次發(fā)生事故，因此備受業(yè)內人士關注?；」饨拥仉妷号c一相對地多次發(fā)弧引起另外兩相對地電容波動有關。在正常情況下，各相導線的對地電容保持在平衡狀態(tài)，彼此相等。一旦其中一相出現故障便打破了此種平衡，使得電容出現振蕩而使三相對地電容上的總電荷不能為零，從而導致其中一相出現較高過電壓的現象。

實際上，由于每次發(fā)弧不一定在其工頻幅值，自然熄弧條件較差不一定能使電弧在通過高頻電流零點時熄滅，而且線路各相導線間還存在著線間電容，電弧中又有壓降，系統(tǒng)中損耗使振蕩衰減等，從而對電纜線路、架空線路和絕緣差的設備構成了較大威脅。

6 中性點接地方式的發(fā)展趨勢

近年來，隨著電纜線路的增加、GIS六氟化硫真空斷路器的使用，系統(tǒng)對地電容電流增大，系統(tǒng)發(fā)生接地故障時因弧光不能自行熄滅而發(fā)展成相間短路或因間歇性電弧造成過電壓的事故呈上升態(tài)勢。經電阻接地方式以其比消弧線圈的明顯優(yōu)越性，應用越來越廣。

(1)經電阻接地方式的發(fā)展優(yōu)勢及缺點。對于中壓電網，采用中性點經電阻接地方式，可迅速釋放接地電容電流，限制了工頻過電壓和弧光接地過電壓。

在電阻接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相接地時，利用中性點的電阻在故障點疊加有功電流，使接地電流穩(wěn)定燃燒，間歇電弧接地過電壓自然也不會產生了;與此同時，自由振蕩電荷通過該電阻很快泄入大地，限制中性點位移電壓的過度升高，降低電弧接地過電壓的幅值，其最高暫態(tài)過電壓標幺值為2.5p.u.，隨著電力電纜和架空絕緣導線的推廣應用，當發(fā)生高阻接地故障時，零序過電流保護裝置不能實時動作，容易導致事故擴大。與此同時，諧振接地方式克服了原來的缺點，實現了自身的優(yōu)化。

(2)改良后的諧振接地方式具有強大的生命力。采用消弧線圈與電阻并聯接地的運行方式，兼具了經消弧線圈與經電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)點，過電壓水平低、概率小，單相接地的保護實現容易、保護接地安全性能提高等。

優(yōu)化的諧振接地方式，引入了自動調諧裝置，減小了調諧難度。從理論到實踐，可以根除所謂的鐵磁諧振過電壓;單相接地時瞬間熄弧，電弧接地暫態(tài)過電壓標幺值為2.3p.u.，在消弧線圈調諧良好的情況下，標幺值一般不超過2.5p.u.(2.0p.u.以上的概率為5%);無需增大接地故障電流，便可自動清除故障線路，而且沒必要帶故障繼續(xù)運行，很難發(fā)展為相間短路事故。

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