淺談?wù)居?00V交流系統(tǒng)絕緣故障查找方法

廣西電網(wǎng)有限責任公司桂林供電局 徐 超 吳江雄 陳 斌 胡賀梅 廣州市仟順電子設(shè)備有限公司 吳文健

站用400V交流電源系統(tǒng)是變電站的主要電源系統(tǒng)，覆蓋范圍廣闊，考慮用電設(shè)備和人員安全，站用400V交流電源系統(tǒng)設(shè)計為接地系統(tǒng)；發(fā)電機、變壓器的中性線均要可靠接地。站用變負荷有三相平衡負荷、三相不平衡負荷和單相負荷三種，負荷回路走線有三相五線制、三相四線制、三相三線制、單相三相制和單相雙線制。站用交流系統(tǒng)負荷分為三相平衡負荷、三相不平衡負荷和三相負荷三種類型。三相平衡負荷電源接三相火線La、Lb和Lc，外殼接地線，負荷工作時火線有電流，地線無電流；三相不平衡負荷電源接三相火線La、Lb、Lc和零線，外殼接地線，負荷工作時火線和零線有電流，地線無電流；單相負荷電源接火線（La或Lb或Lc）和零線，外殼接地線，負荷工作時火線和零線有電流。

1 交流系統(tǒng)絕緣故障及其危害

站用交流系統(tǒng)是保證變電站安全可靠地輸送電能的一個必不可少的環(huán)節(jié)，站用電主要為變電站內(nèi)的一、二次設(shè)備提供電源，其作用有：大型變壓器的強迫油循環(huán)冷卻系統(tǒng)電源，交流操作電源，直流系統(tǒng)用交流電源，設(shè)備用加熱、驅(qū)潮、照明等交流電源，為UPS、SF6氣體監(jiān)測裝置提供交流電源，正常及事故用排風扇電源，照明等生活電源。其負荷較重要，但均沒設(shè)計漏電保護，導致站用交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障不能及時發(fā)現(xiàn)。站用交流系統(tǒng)發(fā)生接地，輕微故障可能造成電能損耗，嚴重故障可能會導致站用交流系統(tǒng)失電，事故嚴重會發(fā)生保護誤動影響及其惡劣[1]。

案例1：2018年6月，220kV某變電站發(fā)生1號站用變380V側(cè)811開關(guān)、380V分段810開關(guān)故障跳閘，全站交流系統(tǒng)失電。導致1號主變（強油循環(huán)）冷卻器全停故障跳閘跳開011、111、211開關(guān)，10kVⅠ段母線失壓。事故分析原因是：10kV配電室檢修箱C相經(jīng)絕緣支柱對地放電造成380V交流系統(tǒng)出現(xiàn)故障；案例2：2005年3月6日，220kV象山站生活負荷發(fā)生接地故障，交流饋線開關(guān)、交流進線開關(guān)未跳閘，站變零序過流保護越級動作跳閘#1站變，380V備自投動作切換，因為故障仍然存在，所以造成#2站變零序過流保護越級動作跳閘。全站交流失電后影響了主變風冷電機，主變被迫停運，造成大面積停電。

2 交流絕緣故障查找方法研究

2.1 交流系統(tǒng)絕緣故障及其特征

交流系統(tǒng)絕緣故障：站用變一次側(cè)為三角形接線，二次側(cè)為星形接線，輸出有Ua、Ub、Uc和N線，N線接地。站用400V交流系統(tǒng)絕緣故障從系統(tǒng)線路可分為：相-相絕緣故障?；鹁€與火線之間出現(xiàn)絕緣故障，絕緣故障電阻與負荷屬于并聯(lián)關(guān)系，打破原負荷的平衡度，導致的結(jié)果是火線電流增加、零線電流增加或減小；相-N絕緣故障。火線與零線之間出現(xiàn)絕緣故障，相當于增加一個單相負載，絕緣相線與零線出現(xiàn)電流增加；相-地絕緣故障?；鹁€與地線間出現(xiàn)絕緣故障，由于站用變中性線可靠接地，也相當于增加一個單相負載，絕緣相線與地線出現(xiàn)電流增加；N-地絕緣故障。N線是站用變中性線引出，同時在變壓器端可靠接地，N線絕緣故障點與可靠接地點屬于并聯(lián)關(guān)系，屬于多點接地。站用交流系統(tǒng)屬電源系統(tǒng)，不用作為保護計量，允許多點接地。所以N線絕緣故障無危害，可以不作重點關(guān)注。

交流系統(tǒng)絕緣故障特征：交流系統(tǒng)設(shè)計為接地系統(tǒng)，接地位置為站用變壓器N線接地，變電站地網(wǎng)均是由網(wǎng)站銅排組成，導電能力極強。如圖1所示，交流系統(tǒng)發(fā)生絕緣故障時相當于在交流系統(tǒng)增加負荷，增加線路負荷電流；相-相絕緣故障發(fā)生時，絕緣故障導致故障相線電流增加，即Ia和Ib或Ia和Ic或Ib和Ic更或Ia、Ib和Ic電流增加；相-N絕緣故障發(fā)生時，絕緣故障導致故障相線和N線電流增加，即Ia和N或Ib和N或Ic和N電流增加；相-地絕緣故障發(fā)生時，絕緣故障導致故障相線有電流流向大地，故障相線電流增加，即Ia或Ib或Ic電流增加。

圖1 交流系統(tǒng)負荷電流圖示

2.2 交流系統(tǒng)絕緣故障查找方法

交流系統(tǒng)絕緣故障特征表象為線路電流增加，高阻絕緣故障增加的電流極小，加之交流系統(tǒng)電壓波動、負荷電流也是波動，簡單依據(jù)電流增加判斷絕緣故障對高阻接地故障無效[2]。相間與相對N高阻絕緣故障所增加的負荷電流對系統(tǒng)無影響，無需深入查找；相對地絕緣故障可能導致故障設(shè)備外殼帶電，可能造成人身安全事故；所以相間與相對N高阻絕緣故障因查找難度大可先不處理，需對相對地所有絕緣故障和相間與相對N低阻絕緣故障進行查找，排查故障；監(jiān)測相線電流，對電流劇增的回路進行跟蹤查找，直到饋線直流電流減小位置，檢查絕緣故障狀態(tài)、處理絕緣故障，可解決低阻抗所有絕緣故障；檢測饋線支路剩余電流，出現(xiàn)剩余電流即為電流往地網(wǎng)回到站用變壓器，檢測剩余電流可避開波動的負荷電流，可檢測到微小電流，用這種方法可檢測各種對地絕緣故障。

3 交流系統(tǒng)絕緣故障查找儀設(shè)計

設(shè)計交流系統(tǒng)絕緣故障查找儀，查找交流系統(tǒng)絕緣故障；絕緣故障查找儀的設(shè)計目標為便攜、小巧，便于操作。如圖2所示，交流接地故障查找儀設(shè)計為便攜儀表，儀表配備四把鉗形互感器，4把鉗形互感器可測不同線路電流，對線路電流進行合成；可一把鉗子單獨測試；滿足現(xiàn)場交流系統(tǒng)電流各種情況分布進行測試。設(shè)備設(shè)計電源電路、電流采樣電路、主控CPU電路、USB接口電路、顯示電路和存儲電路組成。

圖2 交流系統(tǒng)絕緣故障查找儀設(shè)備結(jié)構(gòu)

電源電路設(shè)計。電源電路采用3節(jié)5號干電池構(gòu)成，設(shè)計5V轉(zhuǎn)3.3V電路。如圖3所示，采用電源芯片ASM1117設(shè)計降壓穩(wěn)壓芯片，電源周邊設(shè)計電容、二極管和電阻，完成電源設(shè)計；電流采樣電路設(shè)計。線路電流通過鉗形互感器感應后，經(jīng)如圖4所示放大電路，進行二級放大后進行CPU進行AD轉(zhuǎn)換換算，設(shè)計4路電流采集電流。

圖3 電源電路設(shè)計

圖4 電流采集電路

主控CPU電路設(shè)計。主控CPU選用STM32F 103ZET6。該芯片是ARM32位 的Cortex?--M3CPU，具有運行速度快、存儲量大、功耗低和各種功能接口數(shù)量眾多的特點。該CPU最快72MHz工作頻率，12通道的12位AD通道，多達112個快速雙向I/O口，多達13個通信接口，其中有USB2.0全速接口和SDIO接口。

USB接口電路設(shè)計。儀器設(shè)計一個USB接口供測量數(shù)據(jù)導出。接口電路采用芯片設(shè)計，芯片外圍設(shè)計電阻、電容等完成外圍電路設(shè)計；顯示電路設(shè)計。儀器使用4.3寸顯示屏，采用芯片設(shè)計顯示屏接口電路，完成儀器顯示部分設(shè)計；存儲電路設(shè)計。利用存儲芯片設(shè)計8G存儲芯電路，供設(shè)備采集數(shù)據(jù)存儲。