10kV不接地系統(tǒng)兩相故障導(dǎo)致電壓互感器 避雷器爆炸事故分析

萬(wàn)壽雄

（廣西電網(wǎng)公司柳州供電局，廣西 柳州 545000）

0 引言

我國(guó)10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式主要有中性點(diǎn)不接地和經(jīng)消弧線圈接地。此種系統(tǒng)供電可靠性較高，發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)能持續(xù)運(yùn)行2h。由于非故障相電壓升高至線電壓，容易發(fā)生幅值較高的弧光接地過(guò)電壓。一般情況下，10kV母線電壓互感器（potential transformer, PT）需要將中性點(diǎn)直接接地，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生空載母線合閘、單相接地故障消失或者負(fù)荷劇烈變化等情況時(shí)，PT勵(lì)磁電感可能與系統(tǒng)對(duì)地電容形成諧振，引發(fā)過(guò)電壓，造成系統(tǒng)過(guò)電壓或PT高壓繞組過(guò)電流，從而影響設(shè)備正常運(yùn)行，甚至?xí)?dǎo)致設(shè)備燒毀[1-2]。

以前，10kV配電系統(tǒng)多采用架空線路，對(duì)地電容較小，易與PT電感匹配形成鐵磁諧振。隨著城市的發(fā)展，高壓電纜被大量使用，系統(tǒng)對(duì)地電容避開(kāi)了鐵磁諧振區(qū)，但是PT故障仍然存在，需要作進(jìn)一步分析[3]。

本文針對(duì)某地區(qū)220kV月山站10kV母線PT避雷器爆炸事故，結(jié)合故障波形進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出合理的改善措施，以降低故障發(fā)生率。

1 系統(tǒng)圖及開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況

220kV月山站10kV低壓側(cè)系統(tǒng)一次接線如圖1所示。

圖1 220kV月山站10kV低壓側(cè)系統(tǒng)一次接線

220kV月山站1號(hào)主變、2號(hào)主變及三側(cè)開(kāi)關(guān)正常運(yùn)行，10kV 1M、2M分列運(yùn)行。保護(hù)動(dòng)作情況為220kV月山站1號(hào)主變第二套低后備保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)1號(hào)主變10kV側(cè)901開(kāi)關(guān)，造成10kV 1M失壓。各開(kāi)關(guān)保護(hù)定值及開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況見(jiàn)表1。

表1 各開(kāi)關(guān)保護(hù)定值及開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況

2 設(shè)備檢查及試驗(yàn)

2.1 一次設(shè)備檢查

220kV月山站1號(hào)主變第二套低后備保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)1號(hào)主變10kV側(cè)901開(kāi)關(guān)，10kV 1M其他線路間隔開(kāi)關(guān)在合位，各線路間隔保護(hù)僅啟動(dòng)不動(dòng)作，且伴有母線接地軟報(bào)文；10kV電容器C1由于10kV母線失電壓，電容器低電壓保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)C1開(kāi)關(guān)。

檢修班組與值班員檢查10kV高壓室各線路間隔均正常，僅有10kV 1M PT091小車(chē)柜前柜及相鄰開(kāi)關(guān)柜存在故障后熏黑現(xiàn)象，小車(chē)柜后柜有故障時(shí)過(guò)熱的痕跡，其中10kV 1M PT091小車(chē)柜后下柜燒毀情況嚴(yán)重。故障前后小車(chē)柜對(duì)比如圖2所示。

打開(kāi)10kV 1M PT091小車(chē)柜后下柜門(mén)發(fā)現(xiàn)，后下柜內(nèi)的設(shè)備都有不同程度的受損情況，柜內(nèi)避雷器、PT、PT熔斷器受到故障沖擊影響，表面均已被黑色金屬粉塵覆蓋，如圖2（b）所示。其中，柜內(nèi)10kV 1M B相避雷器外觀有爆裂痕跡，如圖3所示。

圖2 故障前后小車(chē)柜對(duì)比

圖3 故障后三相避雷器

PT外觀無(wú)明顯爆裂，PT二次電纜已全部燒毀，10kV 1M PT091小車(chē)母線室內(nèi)母線外表存在被后下柜設(shè)備發(fā)生事故時(shí)由泄壓通道釋放的金屬粉塵熏黑現(xiàn)象。

2.2 一次設(shè)備試驗(yàn)

將10kV PT柜上柜母線表面清理干凈后，試驗(yàn)班進(jìn)行10kV 1M母線絕緣電阻測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)異常，10kV 1M母線絕緣合格。

對(duì)10kV 1M PT繞組進(jìn)行直流電阻、電壓比、耐壓試驗(yàn)，數(shù)據(jù)無(wú)異常，試驗(yàn)合格；一次對(duì)二次及地 絕緣電阻正常。

對(duì)10kV 1M避雷器檢查試驗(yàn)結(jié)果表明：除10kV 1M避雷器B相絕緣擊穿損壞，A、C相避雷器試驗(yàn)合格。

3 故障分析及應(yīng)對(duì)措施

3.1 故障波形分析

結(jié)合監(jiān)控后臺(tái)機(jī)及保護(hù)裝置的動(dòng)作報(bào)文，畫(huà)出保護(hù)動(dòng)作時(shí)序，如圖4所示。相間故障波形如圖5所示。

圖4 保護(hù)動(dòng)作時(shí)序

圖5 相間故障波形

2019年1月15日05:06:13.208.5ms，由圖5可知，10kV大橋線907（CT電流比：800/5）存在短時(shí)A、B相間短路，反映到1號(hào)主變10kV低壓側(cè)現(xiàn)象為A、B兩相電流相位相反。從波形中可以看出1號(hào)主變低壓側(cè)電流二次值為2.2A(電流比：4 000/5)，折算到907線路電流二次值為17.6A（Ⅱ段定值：15A，時(shí)間0.3s），達(dá)到了Ⅱ段定值，但是持續(xù)時(shí)間不足0.3s。故保護(hù)不動(dòng)作，僅啟動(dòng)。

電磁式電壓互感器低壓側(cè)的負(fù)荷很小，接近空載，高壓側(cè)有很高的勵(lì)磁阻抗。由于線路故障迅速恢復(fù)，引發(fā)電能、磁能的振蕩，在故障消失后，它與導(dǎo)線對(duì)地電容或者其他設(shè)備的雜散電容之間形成特殊的三相和單相諧振回路，在電磁振蕩的激勵(lì)下極易產(chǎn)生磁飽和，暫態(tài)勵(lì)磁電流急劇增大，電感值 下降，從而引發(fā)鐵磁諧振[4-6]。

電網(wǎng)中發(fā)生最多的情況為兩相因嚴(yán)重飽和而致導(dǎo)納成感性，另一相呈容性，其電路如圖6所示。從相量圖看來(lái)，諧振使中性點(diǎn)電壓發(fā)生了嚴(yán)重的偏移，從而導(dǎo)致兩相電壓增大，零序電壓增大[7]。中性點(diǎn)偏移原理如圖7所示。

圖6 電路圖

圖7 中性點(diǎn)偏移原理

經(jīng)檢查，一次熔斷絲并未熔斷，非分次諧波諧振。從圖8中性點(diǎn)偏移相量圖和圖9線電壓和相電壓波形看來(lái)，三相對(duì)地電壓表現(xiàn)為兩相高、一相低，線電壓正常；其中A相電壓二次值為55.83V，B相電壓二次值為152.237V，C相電壓二次值為131.481V。AB、BC、CA線電壓二次值均為105.37V，線電壓正常。正常情況下，相電壓二次值為57.7V，B相過(guò)電壓為2.634倍相電壓，C相過(guò)電壓為2.279倍相電壓，零序電壓二次電壓值為195.773V（PT電壓比為10/0.1），折算到一次側(cè)中性點(diǎn)電壓為1 957.73V（正常時(shí)電壓僅為30V）。由于中性點(diǎn)的偏移，零序電壓急劇增大，導(dǎo)致在此時(shí)間內(nèi)伴有接地信號(hào)，即虛假接地現(xiàn)象，此為基波諧振的重要特征[8-9]。從監(jiān)控后臺(tái)機(jī)報(bào)文看來(lái)，10kV 1M各間隔均發(fā)出母線接地信號(hào)，但實(shí)際上母線并沒(méi)有接地。

圖8 中性點(diǎn)偏移相量圖

圖9 線電壓及相電壓波形1

在圖10所示線電壓和相電壓波形中05:06:16 688ms至05:06:16 988ms及圖11所示線電壓和相電壓波形中05:06:17 629ms至05:06:18 340ms這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，A相電壓二次幅值為99.182V，B相電壓二次幅值為189.927V，C相電壓二次幅值為180.923V。AB、BC、CA線電壓的二次幅值均為108.37V，線電壓波形與之前相比，有一定程度畸變。正常情況下，相電壓二次值為57.7V，A相過(guò)電壓為1.72倍相電壓，B相過(guò)電壓為3.3倍相電壓，C相過(guò)電壓為3.14倍相電壓，零序電壓二次電壓值為216.628V（PT電壓比為10/0.1），折算到一次側(cè)中性點(diǎn)電壓為2 166.28V（正常時(shí)電壓僅為30V）。諧振比之前更加嚴(yán)重。

圖10 線電壓及相電壓波形2

圖11 線電壓及相電壓波形3

由圖12 PT波形可知，05:06:18 68ms，諧振結(jié)束，諧振時(shí)間持續(xù)4 818.4ms，持續(xù)過(guò)電壓使B相避雷器閥片劣化速度加快，導(dǎo)致B相避雷器爆炸，進(jìn)而演變成B相金屬性接地，B相電壓降低至0，A、C相電壓升高為線電壓。由1號(hào)主變低后備保護(hù)動(dòng)作波形圖13可知，直至05:08:12.387.2ms，故障發(fā)展為三相故障。三相故障時(shí)，三相電壓接近于0，電流 二次值為23A，達(dá)到1號(hào)主變低后備保護(hù)動(dòng)作定值（過(guò)電流Ⅰ段2時(shí)限定值：11A，時(shí)間：1.2s）。經(jīng)1 208.6ms，1號(hào)主變第一、二套保護(hù)動(dòng)作出口跳開(kāi)901開(kāi)關(guān)。

圖12 PT波形

圖13 1號(hào)主變低后備保護(hù)動(dòng)作波形

3.2 故障結(jié)論

結(jié)合故障錄波裝置波形及監(jiān)控后臺(tái)信息做出事故時(shí)間線，如圖14所示。

圖14 事故時(shí)間線

1）2019年1月15日05:06:13.208.5ms，10kV大橋線907發(fā)生AB相間故障，故障持續(xù)時(shí)間約48ms，由于時(shí)間未達(dá)到定值，10kV大橋線907線路保護(hù)裝置僅啟動(dòng)不動(dòng)作。

2）在故障消失后，電壓互感器與導(dǎo)線對(duì)地電容或者其他設(shè)備的雜散電容之間形成特殊的三相和單相諧振回路，在電磁振蕩的激勵(lì)下極易產(chǎn)生磁飽和，暫態(tài)勵(lì)磁電流急劇增大，電感值下降，從而引發(fā)鐵磁諧振。雖然諧振時(shí)間僅持續(xù)了4 818.4ms，但后半段諧振過(guò)電壓幅值很高，持續(xù)過(guò)高的諧振過(guò)電壓使B相避雷器閥片劣化速度加快，最終導(dǎo)致B相避雷器發(fā)生爆炸。

3）由于PT計(jì)量繞組為0.2級(jí)，其飽和電壓較小，在發(fā)生諧振時(shí)，該繞組產(chǎn)生較大的故障電流，導(dǎo)致計(jì)量PT空開(kāi)先跳閘。

4）B相避雷器爆炸后變成B相金屬性接地，B相避雷器爆炸后產(chǎn)生的煙霧、粉塵使PT柜內(nèi)空氣絕緣降低，在線電壓的作用下發(fā)展成三相短路故障，電流值和時(shí)間均達(dá)到1號(hào)主變低后備保護(hù)過(guò)電流Ⅰ段1時(shí)限和2時(shí)限動(dòng)作條件，1號(hào)主變第二套保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)901開(kāi)關(guān)，保護(hù)動(dòng)作正確。

3.3 應(yīng)對(duì)措施

為了抑制諧振過(guò)電壓和穩(wěn)定系統(tǒng)的中性點(diǎn)電壓，在10kV母線PT二次開(kāi)口三角處接入消諧裝置，但此種方式不能抑制基頻或分頻諧振，當(dāng)XC/XL? 0.01時(shí)也不能很好抑制過(guò)電流，易燒毀PT或使一次高壓熔斷器熔斷[10-11]。為避免類(lèi)似問(wèn)題發(fā)生，可以采用如下措施：

1）調(diào)整220kV月山站10kV出線運(yùn)行方式，盡可能投入線路，增加系統(tǒng)對(duì)地電容，破壞諧振發(fā)生條件。

2）使用一次消諧裝置，若再次發(fā)生諧振，則更換為電容式PT，從根本上消除發(fā)生諧振的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

從以上分析可知，10kV出線兩相瞬時(shí)故障，導(dǎo)致PT與導(dǎo)線對(duì)地電容之間形成諧振回路，致使PT一次側(cè)過(guò)電流，鐵磁諧振過(guò)電壓造成相電壓升高，導(dǎo)致B相避雷器擊穿。為防止諧振再次發(fā)生，對(duì)10kV系統(tǒng)加裝了消弧線圈。同時(shí)，調(diào)度調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式，盡量減少熱備用線路運(yùn)行，降低電感與電容匹配程度，破壞諧振產(chǎn)生的條件。經(jīng)兩年多的運(yùn)行，未發(fā)生諧振現(xiàn)象。