35kV系統(tǒng)過電壓下的設(shè)備自我保護與恢復(fù)

李新強

(晉能控股煤業(yè)集團供電分公司，山西 晉城 048006)

1 引言

長期以來，我國35kV的電網(wǎng)大多采用中性點不接地的運行方式。此類運行方式的電網(wǎng)在發(fā)生單相接地時，故障相對地電壓降低，非故障相的對地電壓將升高3.5倍相電壓甚至更高，這就需要PT飽和特性要好，即飽和點要高；某35kV系統(tǒng)中由于過電壓引起PT燒毀、高壓熔絲熔斷等問題卻一直沒有得到解決，尤其是某35kV變電站，從投運以來PT已連續(xù)十幾年在系統(tǒng)接地后發(fā)生多次燒毀現(xiàn)象，同時高壓熔斷器也頻繁熔斷，嚴重威脅著設(shè)備及電網(wǎng)的安全運行。

通過研究及技改，有效地監(jiān)測各種過電壓和解決PT燒毀問題，為電氣故障的有效分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、分析依據(jù)，提高供電可靠性，確保企業(yè)安全生產(chǎn)、生活用電。

2 原因分析

對于中性點不接地系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時，故障點流過電容電流，未接地的兩相相電壓升高√3倍。但是，一旦接地故障點消除，非接地相在接地故障期間已充的線電壓電荷只能通過PT高壓線圈經(jīng)其自身的接地點流入大地，在這一瞬間電壓突變過程中，PT高壓線圈的非接地兩相的勵磁電流就要突然增大，甚至飽和，導(dǎo)致健全相的PT燒毀及PT高壓限流熔斷器熔斷的事故發(fā)生，這也是在現(xiàn)行的電力系統(tǒng)中3～35kV的PT頻繁發(fā)生事故的主要原因。沒有使用過流保護器時流過PT電流波形，如圖1所示；使用過流保護器后流過PT電流波形，如圖2所示。

圖1 沒有使用過流保護器時流過PT電流波形

圖2 使用過流保護器后流過PT電流波形

3 解決思路

3.1 避雷器手車改造

在避雷器手車中安裝寬頻電壓傳感器和熔斷器；在避雷器手車面板右上方安裝數(shù)據(jù)電纜轉(zhuǎn)接頭，在儀表門上加裝EPO控制器；通過工控機系統(tǒng)，利用DSP數(shù)字處理器和高速FPGA處理的PCI接口采樣卡，實時分析處理瞬態(tài)、暫態(tài)過電壓波形，并記錄、分析過電壓類型和波形。具有頻率高20MHz、響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)不失真、數(shù)據(jù)存儲容量大和人機交互界面友好同時配有USB接口和103規(guī)約接口，便于用戶現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)或后臺數(shù)據(jù)通訊并且可以短信通知用戶，原理如圖3所示一次接線如圖4所示，主要有高壓限流熔斷器、寬頻電壓傳感器、控制器、交換機、工業(yè)控制計算機組成。

圖3 過電壓在線監(jiān)測原理圖

圖4 過電壓在線監(jiān)測一次接線圖

3.2 電壓互感器及避雷器手車改造

保留原PT柜中PT手車、殼體和部分附件，在原PT手車中增加一次消諧器和智能開關(guān)；原PT柜中增加專用過電壓吸收器，取代避雷器；在儀表門上加裝配電聚優(yōu)控制器。解決系統(tǒng)過電壓類產(chǎn)品解決不徹底的過電壓，有效平緩過電壓的上升前沿并削平過電壓尖峰，并且能夠耐受一定的過電壓所產(chǎn)生的大量能量，把過電壓限制在系統(tǒng)絕緣水平范圍內(nèi)。同時，能有效的抑制接地恢復(fù)時涌流對電壓互感器及PT高壓熔斷器的損害，更進一步保護電壓互感器。原理如圖5所示，一次接線如圖6所示，主要由電壓互感器、高壓限流熔斷器、專用過電壓吸收器、智能開關(guān)、一次消諧器組成。

圖5 電壓互感器保護原理圖

圖6 電壓互感器保護一次接線圖

4 接地故障實測數(shù)據(jù)分析

某35kV變電站35kV站變高壓進線電纜C相電纜頭絕緣擊穿引起接地，引起整個35kV系統(tǒng)母線C相接地，同時長時間接地引發(fā)電纜著火造成弧光短路(B、C相短路)。該站35kV系統(tǒng)過電壓下的設(shè)備自我保護與恢復(fù)系統(tǒng)正確動作。裝置報C相弧光接地，同時35kV PT智能開關(guān)PTK正確動作，消諧電阻投入。對PT及保險進行檢查、試驗完好。對接地故障現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析如下:

4.1 故障過程分析

(1)故障時零序過電壓分析:

由圖7可以看出，正零序電壓峰值為0.8；由圖8可以看出，正常ABC三相電壓峰值為0.175。則有零序過電壓倍數(shù):0.8/0.175=4.57倍。

圖7 正零序電壓峰值

圖8 三相電壓峰值

由圖9可以看出，負零序電壓峰值為0.9，正常ABC三相電壓峰值為0.175，則有負級過電壓倍數(shù):0.9/0.175=5.14倍，高于正級過電壓倍數(shù)。

圖9 負零序電壓峰值

(2)故障時非故障相過電壓分析:

由圖10可以看出，正常ABC三相電壓峰值為0.175，非故障相電壓峰值為0.425，C相弧光接地，圖示為A相的峰值電壓倍數(shù)0.425/0.175=2.43倍，超出線電壓倍數(shù)1.73。

圖10 非故障相過電壓峰值

(3)振蕩頻率分析:

由圖11可以看出，正常ABC三相電壓峰值為0.175，C相孤光接地，接近200Hz的振蕩頻率。

圖11 高頻弧光

由圖12可以看出，高頻弧光向低頻弧光轉(zhuǎn)化過程。高頻弧光向低阻工頻接地的轉(zhuǎn)化。

圖12 低頻弧光

由圖13可以看出，間歇性低頻弧光轉(zhuǎn)化為直接接地。

圖13 低阻工頻接地

由圖14可以看出，弧光轉(zhuǎn)化為直接接地。

圖14 直接接地

綜上所述，接地過程頻率分析:開始時的振蕩頻率為200Hz以上，逐漸轉(zhuǎn)化為50Hz的低阻接地，最后轉(zhuǎn)換為直接接地。

(4)重燃的頻率分析:

圖15、圖16為重燃的頻率，其中圖14截圖為:20ms區(qū)間，振蕩頻率超過1.5kHz。接地介質(zhì)質(zhì)變，穩(wěn)態(tài)接地轉(zhuǎn)化為高頻接地后徹底擊穿。重燃時間:550ms。

圖15 重燃的頻率(低頻)

圖16 重燃的頻率(高頻)

(5)接地到短路的過程:

由圖17可以看出，單相接地轉(zhuǎn)換為相間短路后跳閘短路支路脫離故障恢復(fù)。相間短路時間800ms開始時C相接地，轉(zhuǎn)換為BC相接地，A相和零序等相位。

圖17 接地到短路

(6)故障恢復(fù)的振蕩過程:

圖18為故障恢復(fù)過程:振蕩時間:300ms，零序存在低頻振蕩恢復(fù)過程。

圖18 故障恢復(fù)的震蕩過程

4.2 結(jié)論

通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出，這是一次典型的弧光接地過程。接地初期為高頻振蕩電弧，后期為工頻。由于沒有有效的消弧措施，弧光過電壓導(dǎo)致另外某個絕緣薄弱點擊穿，造成兩相異地短路停電。整個接地過程中，PT保護正常動作，避免了PT故障。

5 結(jié)束語

該項目的實施，能夠有效地解決PT燒毀及熔斷器熔斷問題，能夠?qū)ο到y(tǒng)發(fā)生的各種過電壓類型進行監(jiān)測，記錄各種過電壓故障波形，為電氣故障的后期原因調(diào)查分析、技術(shù)改進和責(zé)任認定提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和分析依據(jù)；同時優(yōu)化和完善了系統(tǒng)過電壓保護特性，實現(xiàn)對電力設(shè)備絕緣的保護，提高供電可靠性，確保企業(yè)安全生產(chǎn)，具有很好的推廣應(yīng)用前景。