一起35 kV 主變壓器跳閘事故分析

杜嚴(yán)行，葉樹平，馬銀環(huán)，陳元毅

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司教育培訓(xùn)中心，寧夏 銀川 750011）

0 引言

配電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，配電線路常常由于惡劣天氣（大風(fēng)、雷雨、大霧、沙塵等）、設(shè)備老化、異物干擾、外力破壞、鳥類筑巢等諸多因素導(dǎo)致單相接地故障發(fā)生，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，配電網(wǎng)85%以上的故障由單相接地引起［1］。

小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的最大特征是故障電流相對(duì)較小，一般小于負(fù)荷電流，而且三相電壓依然對(duì)稱，不影響對(duì)用戶負(fù)荷的持續(xù)供電。由于小電流接地方式具有良好的高供電可靠性（《電網(wǎng)調(diào)度控制管理規(guī)定》規(guī)定可持續(xù)運(yùn)行1～2 h），該中性點(diǎn)接地方式在我國(guó)配電網(wǎng)中被廣泛采用。當(dāng)配電線路采用該接地方式發(fā)生單相接地時(shí)，非故障相對(duì)地電壓將升高至線電壓，若不及時(shí)處理，持續(xù)接地過(guò)程中會(huì)引起過(guò)電壓從而危害電力設(shè)備絕緣水平，導(dǎo)致短路進(jìn)而引起跳閘，甚至燒毀設(shè)備，導(dǎo)致事故擴(kuò)大從而中斷供電。

分析一起由于配電線路發(fā)生單相接地引發(fā)某變電站35kV 主變壓器跳閘的事故原因，為后續(xù)類似事故的處理提供參考。

1 事故概述

1.1 事故前電網(wǎng)運(yùn)行方式

事故發(fā)生前A 變電站接線及運(yùn)行方式如圖1 所示。312 進(jìn)線運(yùn)行主供A 變電站全站負(fù)荷，311 進(jìn)線熱備作為A 變電站的備用電源，1 號(hào)主變壓器運(yùn)行供10 kV 負(fù)荷；516HW 線、515MHS 線、514LXZ 線處于運(yùn)行狀態(tài)，3 條線均供偏遠(yuǎn)山區(qū)農(nóng)網(wǎng)用電負(fù)荷且線路較長(zhǎng)，為架空電纜混合型線路，512 間隔1 號(hào)站用變壓器處于運(yùn)行狀態(tài)，513 間隔、511 間隔1 號(hào)電容器均處熱備狀態(tài)。由于地處偏遠(yuǎn)，重視程度及維護(hù)不力，本站未采取消除或防止諧振有關(guān)措施。

圖1 事故前A 變電站接線及運(yùn)行方式

1.2 事故經(jīng)過(guò)

2019-11-15T13∶22∶00，A 變電站10 kV I 號(hào)母線電壓異常（A 相電壓為0.48 kV，B 相電壓為9.74 kV，C 相電壓為9.86 kV）。13∶45∶00，經(jīng)選線分析后判斷為10 kV LXZ 線接地，配電網(wǎng)調(diào)控值班員接到通知后及時(shí)通知配電網(wǎng)運(yùn)維人員查線；14∶31∶00，A 變電站10 kV I 號(hào)母線電壓恢復(fù)正常；16∶13∶00，A 變電站10 kV I 號(hào)母線電壓再次A 相接地，10 kV I 號(hào)母線三相相電壓突變?yōu)?2 kV，瞬間A 變電站35 kV 1 號(hào)主變壓器兩側(cè)斷路器均跳閘（調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)5 min采集一次，由于時(shí)間變化超短，跳閘后突變值在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)中未出現(xiàn)），調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)畫面中301、501 斷路器顯示為空心閃爍，A 變電站10 kV I號(hào)母線失壓，計(jì)量電壓同時(shí)消失。

調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)主站報(bào)文信息及保護(hù)動(dòng)作信息如下：

1）2019-11-15T16∶13∶39，A 變電站10 kV I 號(hào)母線A 相電壓幅值為8.325 kV，越事故上限（限值為6.900 kV）；

2）2019-11-15T16∶13∶39.655，A 變電站1 號(hào) 主變壓器低壓側(cè)負(fù)序電壓出口動(dòng)作；

3）2019-11-15T16∶13∶39.675，A 變電站1 號(hào) 主變壓器低壓側(cè)低電壓出口動(dòng)作；

4）2019-11-15T16∶13∶39.916，A 變電 站1 號(hào) 主變壓器高壓側(cè)低電壓出口動(dòng)作；

5）2019-11-15T16∶13∶40，A 變電站1 號(hào)主變壓器低壓側(cè)事故總動(dòng)作；

6）2019-11-15T16∶13∶40，A 變電站1 號(hào)主變高壓側(cè)事故總動(dòng)作；

7）2019-11-15T16∶13∶40，A 變電站全站事故總動(dòng)作；

8）2019-11-15 T16∶13∶45，A 變電站10 kV I 號(hào)母線A 相電壓幅值為0.221 kV，越事故下限（限值為4.990 kV）；

9）2019-11-15T16∶13∶45，A 變電站10 kV I 號(hào)母線B 相電壓幅值為0.142 kV，越事故下限（限值為4.990 kV）；

10）2019-11-15T16∶13∶45，A 變電站10 kV I 號(hào)母線C 相電壓幅值為0.156 kV，越事故下限（限值為4.990 kV）；

11）2019-11-15T16∶13∶45，A 變電站10 kV I 號(hào)母線電壓幅值為0.219 kV，越下限（限值為10.000 kV）。

2 主變壓器跳閘事故原因分析

2.1 電壓互感器鐵磁諧振機(jī)理

電磁式電壓互感器的等值電路如圖2 所示，圖中，XL0為勵(lì)磁電抗，XL1為TV 一次側(cè)總電抗，Xn為其他繞組的總電抗，RL1、RL0、Rn為相應(yīng)電阻，Z 為負(fù)載。正常運(yùn)行情況下，XL0較大，電磁式電壓互感器對(duì)外電路呈感性狀態(tài)，其對(duì)外電路可用一個(gè)數(shù)值較大的電感L 來(lái)等值。

圖2 電磁式電壓互感器等值電路

含有電磁式電壓互感器及分布電容的電力網(wǎng)絡(luò)等值電路如圖3（a）所示，圖中，Cc表示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所有與串聯(lián)有關(guān)的總電容；Cb表示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)所有與并聯(lián)有關(guān)的總電容。運(yùn)用戴維南戴等效電路理論將其變換為如圖3（b）所示的等效電路。

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下三相對(duì)稱，電壓互感器勵(lì)磁阻抗較大，鐵芯不會(huì)飽和，此時(shí)XL＞XC［2］。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，非故障相相電壓會(huì)升高為倍，接地過(guò)程中容易使電壓互感器鐵芯發(fā)生飽和，其勵(lì)磁電抗大大減小，當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)滿足ωL=1／ωC 時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生諧振，產(chǎn)生飽和過(guò)電壓。電力網(wǎng)絡(luò)發(fā)生串聯(lián)諧振的等效電路如圖4 所示。

圖3 戴維南等效電路變換

圖4 電磁式電壓互感器串聯(lián)諧振等值電路

2.2 原因分析

1）事故現(xiàn)象分析。

事故現(xiàn)象由10 kV LXZ 線單相接地引起，因此配電網(wǎng)LXZ 線路發(fā)生單相接地是激發(fā)該起事故的直接原因。

運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，電力系統(tǒng)鐵磁諧振的發(fā)生是由外部激勵(lì)引起，一是系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地，二是帶電壓互感器空充母線。文獻(xiàn)［3］指出產(chǎn)生鐵磁諧振的一個(gè)原因是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)突變時(shí)，在暫態(tài)激發(fā)條件下，電壓互感器鐵芯飽和，其電感量L 處于非線性變化［4］，如有線路瞬間接地、雷電感應(yīng)侵入電網(wǎng)，尤其系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地，容易產(chǎn)生串聯(lián)諧振，而且會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓。文獻(xiàn)［5］分析指出系統(tǒng)發(fā)生鐵磁諧振過(guò)電壓一旦形成，諧振狀態(tài)可“自保持”，“自保持”狀態(tài)會(huì)維持長(zhǎng)時(shí)間而不衰減，只有遇到新的干擾改變了其諧振條件，才可能消除諧振。由此分析可得，可以用其過(guò)電壓幅值和時(shí)間2 個(gè)值來(lái)評(píng)價(jià)諧振過(guò)電壓的危害。諧振過(guò)電壓危害巨大，可導(dǎo)致電力系統(tǒng)中絕緣薄弱的環(huán)節(jié)因放電而被擊穿，危及電氣設(shè)備的絕緣，并且在過(guò)電壓的作用下極易引起系統(tǒng)發(fā)生第二點(diǎn)接地，形成相間短路，從而造成設(shè)備損壞和停電事故，小則熔斷電壓互感器一、二次保險(xiǎn)，重則使電壓互感器本體燒毀，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)安全運(yùn)行。運(yùn)行實(shí)踐及理論研究表明，單相接地時(shí)一般會(huì)發(fā)生分頻諧振［6］，諧振過(guò)電壓的大小一般為2～3 pu，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，危害越大。本次事故在LXZ 線發(fā)生單相接地時(shí)發(fā)生，LXZ線供電線路較長(zhǎng)，對(duì)地分布電容效應(yīng)較為明顯，此現(xiàn)象也與中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生電壓互感器鐵磁諧振機(jī)理吻合。因此，LXZ 出線發(fā)生單相接地及其過(guò)程中產(chǎn)生的鐵磁諧振過(guò)電壓造成該變電站10 kV 電壓互感器燒毀是導(dǎo)致35 kV 主變壓器跳閘的主要原因。

2）繼電保護(hù)動(dòng)作情況分析。

主變壓器采用NSR693RF-D60 型保護(hù)裝置，后備保護(hù)配置高壓側(cè)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)、低壓側(cè)復(fù)壓過(guò)流保護(hù)，其中，低復(fù)壓過(guò)流保護(hù)復(fù)合電壓取本側(cè)電壓，復(fù)壓過(guò)流I 段定值整定為4.4 A（TA 變比500／5），經(jīng)過(guò)1.2 s 延時(shí)后跳主變壓器兩側(cè)斷路器；高復(fù)壓過(guò)流保護(hù)復(fù)合電壓取高壓與低壓兩側(cè)電壓，復(fù)壓過(guò)流I 段定值整定為2.2 A（TA 變比300／5），經(jīng)過(guò)1.2 s 延時(shí)后跳主變兩側(cè)斷路器。復(fù)壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖5 所示。根據(jù)動(dòng)作邏輯，當(dāng)鐵磁過(guò)電壓造成10 kV 電壓互感器燒毀時(shí)，勢(shì)必引起10 kV 母線三相電壓變?yōu)?，同時(shí)瞬間會(huì)引起過(guò)流，這樣就滿足主變壓器低復(fù)壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作條件，繼電保護(hù)理論上存在動(dòng)作的可能。結(jié)合故障時(shí)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)繼電保護(hù)動(dòng)作信息及報(bào)文信息，10 kV 三相電壓均嚴(yán)重越限，主變壓器低電壓、負(fù)序電壓保護(hù)動(dòng)作出口，符合主變壓器高、低復(fù)壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作條件。由此分析得出本次主變壓器跳閘屬正確保護(hù)動(dòng)作。

圖5 復(fù)合電壓過(guò)流保護(hù)動(dòng)作邏輯簡(jiǎn)圖

3）現(xiàn)場(chǎng)檢查情況分析。

變電運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)檢查A 變電站35 kV 主變壓器301、501 斷路器已經(jīng)跳閘處熱備狀態(tài)，A 變電站高壓室有焦煳味，該變電站10 kV I 號(hào)母線電壓互感器有燒焦痕跡，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)其本體嚴(yán)重發(fā)黑，已經(jīng)燒焦燒毀，如圖6 所示?，F(xiàn)場(chǎng)查看繼電保護(hù)裝置，該35 kV 主變壓器保護(hù)裝置報(bào)：1 號(hào)主變壓器低壓側(cè)、高壓側(cè)復(fù)壓過(guò)流I 段保護(hù)動(dòng)作，501 斷路器A 相電流為21.4 A（TA 變比為500／5，折算一次值為2 140 A），301 斷路器A 相電流為9.8 A （TA 變比為300／5，折算一次值為588 A），兩電流值均大于保護(hù)定值單中高、低復(fù)壓過(guò)流I 段定值的整定值，與繼電保護(hù)動(dòng)作行為完全一致；現(xiàn)場(chǎng)檢查保護(hù)測(cè)控裝置發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集信息中出現(xiàn)三相電壓為12 kV 的記錄，與問(wèn)題發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象一致；同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)配電搶修人員經(jīng)過(guò)巡線后發(fā)現(xiàn)10 kV LXZ 線主干136 號(hào)桿A 相引下線電纜頭炸裂。

圖6 燒毀的10 kV 電壓互感器

電纜接頭的制作過(guò)程易產(chǎn)生氣泡，是公認(rèn)的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，若其混入氣泡，在過(guò)電壓作用下極易發(fā)生絕緣擊穿放電，甚至炸裂。由此也可斷定LXZ 線主干136 號(hào)桿A 相引下線電纜頭存在絕緣薄弱隱患。

3 防范措施

在管理方面，應(yīng)加強(qiáng)配電線路施工質(zhì)量監(jiān)督與驗(yàn)收工作，狠抓電纜附件施工工藝質(zhì)量關(guān)，將電力系統(tǒng)絕緣薄弱環(huán)節(jié)扼殺在源頭；加強(qiáng)配電線路巡視制度的落實(shí)，切實(shí)狠抓隱患排查與治理工作落實(shí)，做到源頭治理，早發(fā)現(xiàn)隱患，早治理。

在技術(shù)方面，鑒于電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的隨機(jī)性和無(wú)法預(yù)知性，因此關(guān)鍵在于消除電力系統(tǒng)鐵磁諧振［7］。

一次側(cè)消除諧振。在TV 高壓側(cè)中性點(diǎn)串聯(lián)接入適當(dāng)阻值的非線性阻尼電阻；同時(shí)減少同一系統(tǒng)中并聯(lián)TV 的臺(tái)數(shù)，可以有效消除諧振；在系統(tǒng)單相接地電容電流較大的電力網(wǎng)絡(luò)中，可將中性點(diǎn)接地方式改為經(jīng)消弧線圈接地，開展該變電站電容電流測(cè)試工作，并進(jìn)行科學(xué)分析，合理選擇并設(shè)置消弧線圈的檔位，或者在中性點(diǎn)加裝自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償型消弧消諧裝置，發(fā)生接地時(shí)及時(shí)進(jìn)行快速補(bǔ)償，達(dá)到消除諧振作用。

二次側(cè)消除諧振。充分考慮開口三角繞組的熱穩(wěn)定極限容量的情況下，在TV 開口三角繞組并聯(lián)適當(dāng)阻尼電阻或消諧器。文獻(xiàn)［2］指出，當(dāng)消諧裝置電阻大于或等于TV 在線電壓下的勵(lì)磁阻抗值的6%時(shí)，基本上可以消除諧振。

設(shè)備方面。從TV 自身特性出發(fā)，在設(shè)備選型時(shí)，選擇勵(lì)磁特性優(yōu)良（勵(lì)磁特性飽和點(diǎn)高的）的TV，鐵芯不易飽和，因此很難激發(fā)諧振，可以有效避免由鐵磁飽和而激發(fā)諧振。

其他消除諧振措施。從系統(tǒng)運(yùn)行方式和倒閘操作方面出發(fā)考慮防止諧振。如變壓器中性點(diǎn)臨時(shí)接地、投退電容器、增投備用出線線路、主變壓器分列、并列運(yùn)行等，如果諧振不能及時(shí)消除，可直接作停電處理。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)中某變電站一起35 kV 主變壓器跳閘事故原因進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)該變電站主變壓器跳閘原因?yàn)槟?0 kV 線路主干136 號(hào)桿引下線電纜頭絕緣受損引起單相接地，激發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓，導(dǎo)致電壓互感器燒毀。

針對(duì)事故案例分析結(jié)果及暴露的問(wèn)題，從管理方面，提出狠抓電纜附件施工工藝質(zhì)量關(guān)和加強(qiáng)配電線路巡視制度落實(shí)的措施，做到源頭治理；從技術(shù)方面提出消除鐵磁諧振的方案，為今后防止類似事故發(fā)生提供參考。