一起線路故障引起主變中性點間隙擊穿的原因分析

張 強 吳紹武 王德全

（江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇 淮安 223002）

一起線路故障引起主變中性點間隙擊穿的原因分析

張 強 吳紹武 王德全

（江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇 淮安 223002）

某變電站110kV進線線路發(fā)生單相接地故障時，引起該變電站不接地主變中性點間隙零序保護動作切除運行中主變。通過現(xiàn)場檢查及故障錄波圖，對線路故障而主變保護動作的原因進行了分析，并提出了針對性的建議，以保證系統(tǒng)設(shè)備的安全運行。

繼電保護；單相接地；間隙零序；間隙擊穿

在我國電力系統(tǒng)中，110kV系統(tǒng)屬于有效接地系統(tǒng)，110kV變電站中的主變大多采用分級絕緣且部分接地。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路等不對稱故障時，不接地變壓器中性點可能出現(xiàn)較高的穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)過電壓，威脅著變壓器中性點的絕緣并可能造成中性點保護間隙的擊穿及相關(guān)保護的誤動作。

1 故障經(jīng)過

1.1 故障前系統(tǒng)運行方式

110kV陳新840開關(guān)運行，702開關(guān)運行，供2號主變負荷，110kV陳張 729開關(guān)運行，701開關(guān)運行，供1號主變負荷，110kV分段710熱備用，110kV備自投裝置投分段備投，1#主變中性點接地，2#主變中性點未接地，陳新線對側(cè)主變中性點接地運行。故障前系統(tǒng)運行方式如圖1所示。

1.2 故障過程

2015年4月11日10時32分，110kV南陳集變2#主變高后備保護裝置間隙零序保護動作，跳開702開關(guān)；110kV陳新840線路失電，110kV備自投裝置動作跳開陳新840開關(guān)，合上分段710開關(guān)。

圖1 故障前系統(tǒng)運行方式

2 保護動作分析

2.1 現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查保護裝置報文與遙信正確，2#主變高壓側(cè)后備間隙零序保護在822ms時出口跳開702開關(guān)，896ms時對側(cè)新御變840間隔線路零序過流Ⅱ段保護動作跳開新陳線開關(guān)，5s后備自投動作，錄波器錄波完整，定值核對無誤，2#主變轉(zhuǎn)冷備用后主變本體及避雷器的各項試驗檢查正常，2#主變110kV側(cè)中性點放電間隙處可見明顯放電痕跡。線路工區(qū)對陳新840線路檢查發(fā)現(xiàn)線路有C相單相接地。

2.2 故障電流電壓分析

故障發(fā)生時，2#主變高壓側(cè)電流電壓的錄波波形如圖2所示，故障發(fā)生后電流電壓的有效值見表1。

圖2 2#主變高壓側(cè)故障發(fā)生時的故障錄波一

由圖2可以看出，故障發(fā)生前2#主變高壓側(cè)三相電壓對稱，無零序電壓，無故障電流，間隙也沒有零序電流。74ms時C相電壓降低，且有10.3V的殘壓，A、B相電壓基本不變，且Ⅱ母壓變開口三角電壓為100.4V，可見2#主變高壓側(cè)發(fā)生了C相單相接地故障，故障點應(yīng)在Ⅱ段母線外側(cè)，即840陳新線上。如圖2所示，幾乎在單相接地故障發(fā)生的同時，2#主變中性點流變采集到18.8A的零序電流，可見故障發(fā)生后2#主變中性點間隙被擊穿，間隙擊穿改變了2#主變側(cè)的零序通路，使得故障線路的南陳集變側(cè)三相有零序電流流過。

圖3中錄波截取的是2#主變高壓側(cè)702開關(guān)跳閘前后的四個周波，從圖3可以看出，當(dāng)2#主變高后備保護動作跳開702開關(guān)后，2#主變高壓側(cè)110kVⅡ段母線的三相電壓依然嚴重不對稱，可見此時對側(cè)線路保護尚未跳開840線路開關(guān)，C相單相接地故障尚未切除。圖4為故障發(fā)生后線路電源側(cè)的故障電流錄波圖，故障電流的有效值如表2所示，圖中的故障電流進一步表明840陳新線上發(fā)生了C相單相接地故障。2#主變高壓側(cè)中性點間隙擊穿后，702開關(guān)跳閘前，故障線路非故障相上流過的電流為提供給 840線路末端南陳集變側(cè)的零序分量電流，840線路首端零流保護電流互感器與2#主變高壓側(cè)后備保護電流互感器變比相同，均為600/5，2#主變中性點間隙保護電流互感器變比為300/5，因此見表1、表2，非故障相A、B相上流過的電流基本相等，均為 3A左右，且中性點零序電流的二次值是三相電流二次值的2倍，2#主變高壓側(cè)702開關(guān)跳閘后，零序電流無通路，如圖3所示，主變側(cè)三相故障電流為0。

圖3 2#主變高壓側(cè)故障發(fā)生時的故障錄波二

圖4 故障線路電源側(cè)故障錄波

表1 故障發(fā)生后2#主變高壓側(cè)的電壓電流值

表2 故障線路電源側(cè)故障電流有效值

2.3 保護定值配合分析

線路發(fā)生單相接地故障時，南陳集變側(cè)2#主變中性點間隙擊穿流過的間隙零序電流滿足主變高后備間隙過流保護動作整定值，保護啟動，0.5s出口跳主變高壓側(cè)702開關(guān)；接地故障發(fā)生在線路首端二段保護范圍內(nèi)，保護動作整定時間為 0.6s，因此702跳閘后，延時約127ms后，線路保護動作切除故障。

3 變壓器中性點間隙擊穿分析

系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，有效接地系統(tǒng)中的不接地變壓器中性點的穩(wěn)態(tài)電壓及暫態(tài)電壓最大值分別如式（1）和式（2）所示[1-2]。

式中，k為系統(tǒng)零序綜合阻抗與正序綜合阻抗之比，Uφm為系統(tǒng)最高運行相電壓，γ 為變壓器內(nèi)部震蕩衰減系數(shù)，α 為變壓器相間、相地電容之比。有效接地系統(tǒng)時k≤3，取k=3，連續(xù)式繞組取γ=0.8，α=0，則C相單相接地時變壓器中性點穩(wěn)態(tài)電壓最大值為43.8kV，暫態(tài)電壓最大值可達到78.84kV。

根據(jù)規(guī)程要求[3]，110kV側(cè)主變中性點間隙距離在12±0.5cm，該變電所2#主變110kV中性點間隙實測值為 12.4cm，此間隙的工頻放電電壓應(yīng)為49～58kV，單相接地故障時中性點穩(wěn)態(tài)電壓最大值不應(yīng)擊穿間隙[4]。

巡線發(fā)現(xiàn)840線路單相接地時840線路附近有吊車作業(yè)，因施工不規(guī)范，作業(yè)中吊車臂距離 840線路C相過近導(dǎo)致C相對吊車臂電弧放電。在故障剛發(fā)生、電弧發(fā)展瞬間的暫態(tài)過程中，因電弧電流的快速增大，線路對地電容與系統(tǒng)對地短路阻抗間會產(chǎn)生很高頻率的暫態(tài)過電壓，且在故障剛發(fā)生的暫態(tài)過程中，故障電壓、電流中還有非周期分量，中性點間隙電壓的高頻分量、非周期分量疊加在工頻電壓分量上，電壓的最大值達到間隙的擊穿電壓，引起2#主變中性點間隙的擊穿。

4 建議與措施

通過分析本次故障，為了避免類似故障的再次發(fā)生，提出以下建議與措施：

1）現(xiàn)行的故障線路電源側(cè)接地零流Ⅱ段的整定時間為0.6s，南陳集側(cè)2#主變高后備間隙零流的整定時間為0.5s，這樣的時間配合導(dǎo)致故障發(fā)生后2#主變先動作跳閘，即使后來備自投動作Ⅱ段母線恢復(fù)送電，但2#主變停運造成的負荷損失已不可避免?？紤]到繼電保護裝置及斷路器動作的固有延時，建議將2#主變高后備間隙零流保護的動作時間整定為0.8s，以保證發(fā)生類似故障時保護動作的選擇性。當(dāng)然也可在進線線路裝設(shè)全線速動保護，線路發(fā)生故障電源側(cè)線路保護即可快速跳閘隔離故障，保證受電側(cè)不接地主變即使中性點間隙擊穿也不會誤動作，這樣備自投動作才有意義，主變短暫失電后才能快速恢復(fù)運行。

2）現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn) 2#主變中性點間隙兩側(cè)的圓鋼表面污垢沉積，間隙兩側(cè)觸頭處有部分銹蝕，表面已不再光滑，有部分毛刺，間隙擊穿電壓已有一定程度的降低，即使發(fā)生金屬性接地，在一定情況下該間隙都有可能發(fā)生擊穿，造成主變跳閘，因此在日常對變電站主變的檢修維護中，應(yīng)加強對主變中性點間隙的清理養(yǎng)護工作。

3）單相接地暫態(tài)過程中高頻電壓分量的頻率、幅值與故障發(fā)生瞬間三相電壓的相位、系統(tǒng)運行方式等都有密切關(guān)系，具有一定的隨機性，很難得出精確的計算結(jié)果，因此本次主變中性點間隙擊穿具有一定的偶然性。非金屬性永久接地故障對不接地變壓器中性點絕緣的威脅很大，很可能導(dǎo)致保護間隙擊穿，間隙零序保護動作切除正常運行中的變壓器，造成停電事故，在平時的運行管理中，應(yīng)對這類可能的停電隱患重點關(guān)注。

5 結(jié)論

本次線路故障引起主變跳閘，110kV主變保護裝置及110kV備自投裝置雖均正確動作，但保護動作的選擇性配合不當(dāng)，導(dǎo)致負荷損失。為了避免類似故障的再次發(fā)生，本文提出的部分措施已在淮安電網(wǎng)中采用并取得了良好效果。在日常的檢修維護工作中，應(yīng)加強對類似變電站保護配合的排查，發(fā)現(xiàn)類似問題及時整改，降低運行風(fēng)險，以保證電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運行。

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[2]周宏云,陳宏佑.110kV變壓器中性點過電壓保護分析[J].變壓器,2008,45(5):44-47.

[3]GB/T 50064—2014.交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[4]馬輝,郭小龍.220kV主變壓器中性點過電壓保護的配置[J].高電壓技術(shù),2001,27(z1):61-61,63.

表1 拆裝時間對比

由于在設(shè)備上拆裝，屬于高處作業(yè)，加上調(diào)節(jié)等問題，所需時間比地面長，因此本次選擇耗時較短的地面拆裝進行對比。從表1可以看到，平均節(jié)約時間為37.66min，大大提高了拆裝效率，為檢修人員節(jié)約了寶貴時間。同樣，也消除了因時間緊而存在削減大修項目的現(xiàn)象[8]。

使用專用工具進行拆裝后，檢修和高試人員對刀閘觸頭做了深入細致地驗收，包括觸指鍍層、接觸面、緊固螺絲、彈簧松緊程度、分合閘到位情況和接觸電阻測試等。證實使用專用工具后，刀閘觸指符合設(shè)備使用性能。目前，使用專用工具拆裝的刀閘沒有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

4 結(jié)論

新型專用工具利用杠桿理念對 GW4刀閘觸指拆裝進行改進優(yōu)化，相對傳統(tǒng)方法，拆裝工作更簡便快捷，節(jié)約了檢修人員寶貴時間，縮短了設(shè)備停電時間，很好地解決了GW4刀閘觸指拆裝困難、效率低、容易誤傷手指和損傷鍍層等問題，也延長了刀閘使用壽命[8]。本工具在現(xiàn)場使用反饋良好，具有很好的經(jīng)濟效益和社會效益，值得推廣應(yīng)用。

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作者簡介

林錦桐（1985-），男，本科，工程師，研究方向為變電設(shè)備運行、維護與檢修。

Cause Analysis of Transformer Neutral Point Gap Breakdown Caused by Line Fault

Zhang Qiang Wu Shaowu Wang Dequan
(Jiangsu Power Grid Corporation Huaian Power Supply Company,Huai’an,Jiangsu 223002)

The transmission line of a substation occur a 110kV single phase grounding fault which causes the action of the main transformer neutral point gap zero sequence protection and the cutting of main transformer operation.Through inspection of fault place and recorded fault data,the paper analyses the cause of the action of the main transformer protection caused by line fault,and gives some specific recommendations in order to ensure the safe operation of the system equipment.

relay protection;single phase grounding fault;gap zero-sequence;gap breakdown

張 強（1985-），男，江蘇泗陽人，研究生，工程師，主要從事變電檢修一、二次的研究工作。