某水電廠10 kV廠用電母線接地及諧振報(bào)警分析

顧 挺

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000)

1 故障產(chǎn)生

某水電廠10 kV廠用電母線由6段廠內(nèi)901～906M 10 kV母線和3段廠外907～909M 10 kV母線及其二次設(shè)備組成。其中廠內(nèi)6段10 kV母線主要為廠內(nèi)6臺(tái)600 MW水輪發(fā)電機(jī)組提供機(jī)組自用電電源，廠外3段10 kV母線主要為壩區(qū)泄洪設(shè)施、進(jìn)水口設(shè)施提供電源。其中902M 10 kV母線位于廠內(nèi)安裝間10 kV配電室、907M位于廠外壩區(qū)10 kV配電室，正常工況下902M與廠外907M聯(lián)絡(luò)運(yùn)行由安裝間10 kV 902M供電。902M上共有9個(gè)負(fù)荷(含1個(gè)廠外輔助洞負(fù)荷973開關(guān))，907M上共有6個(gè)負(fù)荷。902M和907M 10 kV及輔助洞供電。2017年12月02日10:39 監(jiān)控系統(tǒng)CCS報(bào)：“ 2號(hào)機(jī)組故障錄波啟動(dòng)報(bào)警”“壩區(qū)907M 10 kV消諧裝置報(bào)警”“壩區(qū)907M 10 kV接地報(bào)警”“安裝間902M 10 kV PT 902YH消諧裝置報(bào)警”“安裝間902M 10 kV接地報(bào)警”。

2 故障檢查及特征

2.1 故障檢查

現(xiàn)場檢查壩區(qū)10 kV 907M/909M聯(lián)絡(luò)刀閘柜上小電流接地選線裝置報(bào)“母線:1000出線接地:1001”(顯示回路為90702開關(guān))、安裝間10 kV 902M/903M聯(lián)絡(luò)刀閘柜上小電流接地選線裝置顯示“母線:2000出線接地:2006”(顯示回路為90207開關(guān))，907M及902M消諧裝置面板上均有“諧振”“接地”報(bào)警指示燈點(diǎn)亮。現(xiàn)地檢查2號(hào)機(jī)故障錄波啟動(dòng)原因?yàn)椤?號(hào)高廠變低壓側(cè)3U0突變量啟動(dòng)”。檢查907M、902M及其各負(fù)荷開關(guān)運(yùn)行正常，在該時(shí)間段內(nèi)無大負(fù)荷啟停動(dòng)作，無相關(guān)設(shè)備切換操作，現(xiàn)地報(bào)警信號(hào)均可手動(dòng)復(fù)歸。

2.2 故障波形及接地分析

2.2.1 10 kV單相接地故障特征

10 kV系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，故障相電壓接近零，非故障相對(duì)地電壓升高為原來倍(二次側(cè)電壓由59 V升高至100 V)。故障點(diǎn)的零序電壓與正常相電壓大小相等，故障點(diǎn)電流為三相對(duì)地電容電流之和，母線PT開口三角形兩端出現(xiàn)3U0接近100 V，微機(jī)消諧裝置將啟動(dòng)，同時(shí)小電流接地選線裝置發(fā)生接地報(bào)警信號(hào)。

發(fā)生非金屬性短路接地時(shí)(即經(jīng)過渡電阻接地)，故障相電壓比正常相電壓要低，非故障相電壓不超過線電壓，母線PT開口三角形處兩端電壓出現(xiàn)3U0大于30 V時(shí)，也會(huì)啟動(dòng)微機(jī)消諧裝置及小電流選線裝置報(bào)警。

發(fā)生瞬時(shí)性的單相接地時(shí)，一旦接地故障點(diǎn)消除，非接地相在故障期間已充電的電荷只能通過電壓互感器高壓線圈經(jīng)其自身的接地點(diǎn)接入大地。在這一瞬間電壓突變過程中，電壓互感器高壓線圈的非接地兩相的勵(lì)磁電流就要突然增大，甚至飽和，此時(shí)易構(gòu)成相間串聯(lián)諧振，引起三相電壓波形畸變。

2.2.2 902M、907M10 kV發(fā)生接地及諧振數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)12月02日發(fā)生的故障錄波圖進(jìn)行分析(如圖1)，證實(shí)902M、907M確實(shí)發(fā)生了瞬時(shí)單相金屬性接地故障(接地時(shí)間約0.64 s)，接地故障瞬時(shí)消失后產(chǎn)生了諧振，1.08 s后波形恢復(fù)正常。如圖1所示，圖中T1時(shí)刻發(fā)生故障，并隨之產(chǎn)生零序電壓3U0。故障后，A相電壓降低為5 V、B相電壓升高為102 V，C相電壓升高為108 V，整個(gè)過程持續(xù)0.64 s。框選部分為接地波形段(0.64 s)，右側(cè)波段直至T2為接地消除后系統(tǒng)震蕩恢復(fù)過程波形。兩相電壓升高一相電壓降低是不接地系統(tǒng)單相接地故障的典型特征。根據(jù)單相接地故障判據(jù)，確定此次事件接地相為A相。

圖1 2017年12月02日902M、907M接地故障錄波圖

2.2.3 902M、907M 10 kV小電流接地選線分析

根據(jù)上述2.2.2分析，10kV 902M或907M發(fā)生了明顯的瞬時(shí)金屬性接地現(xiàn)象，且接地消失后產(chǎn)生了0.2 s左右諧振。查看大壩10 kV小電流選線裝置顯示907M第1支路90702開關(guān)進(jìn)線回路有接地故障，查看安裝間10 kV小電流選線裝置顯示902M第6支路90207開關(guān)出線回路有接地故障，兩者均指向了902M至907M之間10 kV電纜發(fā)生了瞬時(shí)性金屬接地。

3 接地及諧振報(bào)警

2017年01月10日、2016年06月25日也發(fā)生了兩次10 kV單相接地故障，與本次事件報(bào)警信號(hào)相同，經(jīng)查詢接地相分別是B、C相，二次側(cè)電壓均降低了10～20 V，但此次接地相A相二次側(cè)電壓由59 V降至5 V左右(如圖1)，基本趨近于0，10 kV系統(tǒng)發(fā)生了瞬時(shí)金屬性接地。

3.1 產(chǎn)生原因

(1)若902M、907M小電流接地選線裝置選線均正確，則90207開關(guān)至90702開關(guān)之間10 kV長距離電纜發(fā)生了單相瞬時(shí)金屬性接地；

(2)若902M小電流裝置選線正確，907M小電流裝置選線不正確，則可能是907M母線或其饋線開關(guān)出線側(cè)發(fā)生了單相接地；

(3)若907M小電流裝置選線正確，902M小電流裝置選線不正確，則可能是902M母線或其饋線開關(guān)出線側(cè)發(fā)生了單相接地；

(4)若902M、907M小電流裝置選線均不正確，則902M母線及其饋線、907M母線及其饋線分別均發(fā)生了單相接地；

(5)902M 10 kV上至輔助洞負(fù)荷973開關(guān)下級(jí)負(fù)荷發(fā)生了單相接地，導(dǎo)致電廠902M、907M10 kV接地和諧振報(bào)警；

(6)902M、907M上10 kV大功率負(fù)荷啟停，如10 kV檢修排水泵、滲漏泵等，造成了10 kV母線PT磁飽和從而產(chǎn)生了鐵磁諧振，使系統(tǒng)中性點(diǎn)位移產(chǎn)生對(duì)地的零序電壓，反應(yīng)在母線PT的開口三角形處會(huì)發(fā)生接地報(bào)警信號(hào)，誤將虛幻接地認(rèn)為是母線單相接地；

(7)400 V系統(tǒng)大功率負(fù)荷投退，如壩頂門機(jī)、進(jìn)水口門機(jī)、壩頂值守樓、廠內(nèi)外400 V大功率水泵的啟?；蜻\(yùn)行過程中發(fā)生接地，導(dǎo)致10 kV接地及諧振的發(fā)生。

3.2 原因分析

針對(duì)上述3.1產(chǎn)生原因的7種情況，分析如下：

(1)對(duì)于情況1，兩段母線小電流選線裝置均指向90207開關(guān)至90702開關(guān)之間電纜，該長距離電纜發(fā)生單相瞬時(shí)接地有較大可能；

(2)對(duì)于情況2，在本次事件發(fā)生前，檢修人員已開票對(duì)10 kV 907M母線絕緣、907M饋線絕緣進(jìn)行了分相絕緣測試，絕緣均合格，故該種情況排除；

(3)對(duì)于情況3，22B低壓側(cè)至922開關(guān)進(jìn)線側(cè)電纜(曾經(jīng)發(fā)生過22B低壓側(cè)電纜頭燒損事件)、902M母線、902M饋線由于未進(jìn)線絕緣測試，此種情況不能排除；

(4)對(duì)于情況4，902M、907M小電流選線裝置同時(shí)誤選的可能性較小，兩段聯(lián)絡(luò)母線同時(shí)發(fā)生了同相不同支路的接地情況概率極小，故該種情況排除；

(5)對(duì)于情況5，故障發(fā)生時(shí)錦屏電網(wǎng)調(diào)度室已匯報(bào)廠錦Ⅰ回、錦輔Ⅰ回下級(jí)負(fù)荷無跳閘、無接地情況。但現(xiàn)場輔助洞10kV母線微機(jī)消諧信號(hào)并未直接送至調(diào)度室，值班人員匯報(bào)情況并非正確，需進(jìn)一步排查，并不能排除輔助洞內(nèi)存在問題的可能性；

(6)對(duì)于情況6，10 kV大功率負(fù)荷啟停造成的無論是基波諧振、分頻諧振或倍頻諧振，諧振產(chǎn)生的波形與單相接地產(chǎn)生的波形有明顯的區(qū)別；不接地系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，三相波形會(huì)依次或同時(shí)升高變化，并伴有波形畸變和尖角波，圖1是典型的單相接地波形，10 kV系統(tǒng)必然是先發(fā)生了單相接地故障，故該種情況排除。

(7)對(duì)于情況7，400 V系統(tǒng)是經(jīng)廠用變壓器中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，廠用變高壓側(cè)是角形接線、低壓側(cè)是星形接線且中性點(diǎn)直接接地，如400 V大功率負(fù)荷在啟停過程中發(fā)生瞬時(shí)接地，400 V開關(guān)過流保護(hù)將動(dòng)作跳開三相，故障錄波可能會(huì)啟動(dòng)，但不會(huì)導(dǎo)致10 kV母線接地和諧振報(bào)警，故該種情況排除。

3.3 初步結(jié)論

綜合上述3.1、3.2的分析，得出以下結(jié)論：

(1)10 kV 902M至907M之間10 kV長電纜(含進(jìn)出線電纜頭)A相，22B低壓側(cè)至902M進(jìn)線、902M母線及其各負(fù)荷出線電纜(含進(jìn)出線電纜頭)A相，均可能存在絕緣隱蔽缺陷，由于受到外界異物的接觸或移位，導(dǎo)致了瞬間單相接地(注:907M進(jìn)線、母線及饋線本次事件發(fā)生前，絕緣已測量合格)；

(2)902M、907M10 kV母線及其饋線回路(含下級(jí)10 kV隔離柜)設(shè)備本身絕緣正常，由于外界小動(dòng)物等異物接觸母線或出線裸露導(dǎo)體部分，導(dǎo)致瞬時(shí)單相接地；

(3)10 kV 902M下級(jí)輔助洞10 kV系統(tǒng)某處負(fù)荷發(fā)生了單相接地，導(dǎo)致上級(jí)902M、907M10 kV產(chǎn)生接地及諧振現(xiàn)象。

4 排查建議

4.1 902M進(jìn)線、母線及負(fù)饋線全面排查

針對(duì)12月02日10 kV單相瞬時(shí)接地事件，待22B及902M轉(zhuǎn)檢修時(shí)，進(jìn)一步對(duì)22B低壓側(cè)至902M進(jìn)線、902M母線及其各負(fù)荷出線電纜進(jìn)行絕緣檢查，進(jìn)一步查找發(fā)生瞬時(shí)單相接地回路。

4.2 902-907M之間長距離10 kV電纜絕緣檢查

具備條件時(shí)，在90207開關(guān)出線側(cè)對(duì)902M至907M之間10 kV電纜分相搖測絕緣，必要時(shí)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，進(jìn)一步確認(rèn)該長距離電纜回路無隱蔽缺陷。

4.3 輔助洞10 kV系統(tǒng)全面排查

對(duì)973開關(guān)出線10 kV電纜(至輔助洞)對(duì)側(cè)錦西變電站及輔助洞10 kV系統(tǒng)檢查，鑒于輔助洞內(nèi)多次發(fā)生接地故障導(dǎo)致廠內(nèi)10 kV消諧裝置報(bào)警，督促設(shè)備管理單位全面排查輔助洞內(nèi)10 kV電纜情況及開關(guān)柜防火封堵情況。

4.4 10 kV 902M、907M PT高壓側(cè)熔斷器檢查

對(duì)902M、907M10 kVPT高壓側(cè)熔斷器進(jìn)行必要檢查，發(fā)生單相接地現(xiàn)象瞬時(shí)消失時(shí)，由于三相電壓的變化，電壓互感器將會(huì)產(chǎn)生較大的激磁電流，電壓互感器高壓側(cè)熔斷器有可能會(huì)發(fā)生損傷。建議后續(xù)對(duì)母線PT高壓側(cè)熔斷器進(jìn)行必要檢查。

5 排查結(jié)果

根據(jù)上述4.1～4.4排查建議，電廠檢修人員對(duì)902M、907M進(jìn)線電纜、饋線電纜、10 kV開關(guān)進(jìn)行了檢查及預(yù)試，對(duì)10 kV小電流接地選線裝置、故障錄波裝置進(jìn)行了檢查。檢查結(jié)果如下：

(1)902M、907M10 kV母線及其10 kV饋線回路(含下級(jí)10 kV隔離柜)所有進(jìn)出線電纜頭及所有導(dǎo)體無燒損、放電現(xiàn)象，電纜終端無放電、變色、鼓包、破損，柜內(nèi)絕緣件無裂紋或損壞，無老鼠等異物，檢查10 kV開關(guān)柜、隔離柜內(nèi)進(jìn)出線電纜防火封堵完好、無破損；

(2)對(duì)10 kV 902M至907M之間長距離電纜分相搖測絕緣合格，交流耐壓合格，未發(fā)現(xiàn)電纜回路明顯缺陷；

(3)檢查902M、907M 10 kV各柜內(nèi)電壓互感器高壓側(cè)熔斷器未發(fā)生熔斷，PT外觀無破損，用萬用表測量其直流電阻，各保險(xiǎn)直流電阻無明顯差異。902M、907M10 kV電纜預(yù)試完成，預(yù)試均合格；

(4)檢查輔助洞10kV系統(tǒng)配電柜內(nèi)備臟污比較嚴(yán)重，部分設(shè)備有放電痕跡，輔助洞10 kV開關(guān)站內(nèi)錦輔I回進(jìn)線電纜頭有放電痕跡，電纜室孔洞封堵不規(guī)范、部分孔洞未封堵，存在小動(dòng)物通過孔洞進(jìn)入配電室可能；輔助洞負(fù)荷下級(jí)至錦屏山隧道內(nèi)箱變電氣設(shè)備有老化現(xiàn)象，部分電纜頭、絕緣子存在放電痕跡。

6 結(jié) 語

根據(jù)上述排查情況，可得出本次接地及諧振事件產(chǎn)生的結(jié)論：廠內(nèi)902M及907M電氣設(shè)備無異常，盤柜孔洞已封堵完好，不存在導(dǎo)致902M、907M接地諧振的外部風(fēng)險(xiǎn)；輔助電網(wǎng)(錦西110 kV變電站/輔助洞10 kV開關(guān)站)存在導(dǎo)致902M、907M接地諧振的外部風(fēng)險(xiǎn)；輔助洞10 kV系統(tǒng)供電的錦屏山隧道配電也存在導(dǎo)致902M、907M接地諧振的外部風(fēng)險(xiǎn)。通過本次接地故障特征的分析、產(chǎn)生原因梳理、排查建議，最終排查出了廠外輔助洞故障的外部隱患風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致廠內(nèi)發(fā)生了多次接地，后續(xù)電廠將制定整改措施和計(jì)劃，將輔助洞系統(tǒng)實(shí)施改造，降低多負(fù)荷的單相接地風(fēng)險(xiǎn)，確保電廠廠用電安全。