接地故障引起主變中性點(diǎn)設(shè)備損壞的分析

李春陽(yáng)，張健能，麥志彥，王明方，寧 榮

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,電力系統(tǒng)容量不斷增大,發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí),流經(jīng)中性點(diǎn)的故障電流亦不斷增大,這就要求中性點(diǎn)接地引下線(xiàn)必須滿(mǎn)足一定的熱穩(wěn)定性。中性點(diǎn)接地引下線(xiàn)下端一般長(zhǎng)埋地下,受焊接施工不良、雨水土壤腐蝕等影響,常存在導(dǎo)通不良等缺陷,當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí),會(huì)出現(xiàn)泄流不良、放電等現(xiàn)象,產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)。變電站二次電纜屏蔽層是提高變電站電磁兼容水平的重要措施,一般采用兩端接地方式。對(duì)于中性點(diǎn)構(gòu)架設(shè)備,其二次電纜屏蔽層一端通過(guò)中性點(diǎn)構(gòu)架接地,另一端接于柜體、端子箱或機(jī)構(gòu)箱的銅排上。若接地引下線(xiàn)因熱穩(wěn)定性不夠而燒斷,或出現(xiàn)銹蝕而存在導(dǎo)通不良,將造成地電位異常升高而威脅人身安全,甚至?xí)绊懚坞娎|屏蔽層接地線(xiàn)。

1 故障概述

1.1 故障前系統(tǒng)運(yùn)行方式

某220 kV變電站共有3臺(tái)主變壓器,220 kV側(cè)采用雙母線(xiàn)并列運(yùn)行方式,110 kV側(cè)采用雙母雙分段并列合環(huán)運(yùn)行方式。故障發(fā)生前,3號(hào)主變變中運(yùn)行于5M母線(xiàn),110 kV世倫乙線(xiàn)運(yùn)行于6M母線(xiàn),110 kV母聯(lián)分段開(kāi)關(guān)均在運(yùn)行狀態(tài),3號(hào)主變變中中性點(diǎn)采用直接接地運(yùn)行方式,1號(hào)和2號(hào)主變變中中性點(diǎn)采用非直接接地運(yùn)行方式。具體系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖1所示。

圖1 故障前系統(tǒng)接地運(yùn)行方式

1.2 故障過(guò)程

2020-01-05T14：22：44,110 kV世倫乙線(xiàn)線(xiàn)路A相發(fā)生接地故障,27 ms后距離保護(hù)I段動(dòng)作,跳開(kāi)148開(kāi)關(guān)A相,1103 ms后單相重合閘動(dòng)作,重合成功,故障電流為6.13 A (變比為1200/1)。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

故障發(fā)生后,運(yùn)行人員立即到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)3號(hào)主變變中多個(gè)設(shè)備損壞：

(1) 變中直流監(jiān)測(cè)裝置箱門(mén)跌落,內(nèi)部元件被熏黑。

(2) 中性點(diǎn)接地刀閘機(jī)構(gòu)箱內(nèi),電纜屏蔽層接地線(xiàn)被燒斷,終端護(hù)套損壞。

(3) 中性點(diǎn)交流CT電纜屏蔽層的接地線(xiàn)熏黑受損,繞組溫度變送器的直流電源模塊損壞。

(4) 主變冷卻器控制箱交流進(jìn)線(xiàn)電源空開(kāi)跳開(kāi),風(fēng)扇電源A相接線(xiàn)在端子排處被燒毀；控制箱內(nèi)端子排上多個(gè)N線(xiàn)端子因過(guò)流而受損,線(xiàn)耳被燒斷。

(5) 冷卻器控制箱到變中中性點(diǎn)地刀、直流監(jiān)測(cè)裝置的電纜屏蔽層的接地線(xiàn)被熏黑損壞。

2 故障處理

2.1 故障定位

綜合繼電保護(hù)動(dòng)作報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)檢查來(lái)看,110 kV世倫乙線(xiàn)A相單相接地故障,引起3號(hào)主變變中中性點(diǎn)設(shè)備和多處電纜屏蔽接地線(xiàn)受損。

110 kV世倫乙線(xiàn)A相發(fā)生接地故障時(shí),產(chǎn)生的零序故障電流經(jīng)6M母線(xiàn)、母聯(lián)110開(kāi)關(guān)、5M母線(xiàn)、變中103開(kāi)關(guān)、變中中性點(diǎn)接地刀閘和設(shè)備構(gòu)架接地引下線(xiàn)流入大地,因5M母線(xiàn)、6M母線(xiàn)、母聯(lián)開(kāi)關(guān)和變中開(kāi)關(guān)運(yùn)行正常,且中性點(diǎn)設(shè)備上的電纜屏蔽層經(jīng)構(gòu)架接地,初步判定故障原因?yàn)?號(hào)主變變中中性點(diǎn)接地不良,零序故障電流流入大地時(shí)受阻,中性點(diǎn)電位升高,引起中性點(diǎn)設(shè)備受損,以及多處電纜屏蔽層接地線(xiàn)受損。

2.2 中性點(diǎn)設(shè)備

從3號(hào)主變變中中性點(diǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)置可以看出,主變變中中性點(diǎn)經(jīng)套管引出,連接至中性點(diǎn)接地刀閘上端(接地刀閘為杭州西門(mén)子BRO接地刀閘),接地刀閘下端經(jīng)接地銅排接至直流監(jiān)測(cè)裝置,再經(jīng)接地引下線(xiàn)銅排與主變泄油池內(nèi)的地網(wǎng)銅絞線(xiàn)相連。為確保安全性,中性點(diǎn)構(gòu)架設(shè)備一般采用兩點(diǎn)接地,但是,該變電站在增加變中直流監(jiān)測(cè)裝置時(shí),取消了構(gòu)架第二點(diǎn)接地,只保留了一點(diǎn)接地。

中性點(diǎn)放電間隙和避雷器均與接地刀閘并聯(lián),經(jīng)接地引下線(xiàn)與地網(wǎng)連接。接地刀閘機(jī)構(gòu)箱用于拉開(kāi)合上接地刀閘,箱內(nèi)地線(xiàn)亦經(jīng)設(shè)備構(gòu)架引下線(xiàn)接入地網(wǎng)。

2.3 中性點(diǎn)構(gòu)架接地電阻測(cè)量

中性點(diǎn)構(gòu)架接地性能主要是通過(guò)測(cè)量接地電阻來(lái)表征。根據(jù)南方電網(wǎng)公司《電力設(shè)備檢修試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定,電力設(shè)備接地引下線(xiàn)與接地網(wǎng)連接情況檢查(導(dǎo)通性測(cè)試)周期為6年1次,測(cè)量接地電阻值應(yīng)在50 mΩ以下。接地電阻值在50～200 mΩ時(shí),宜密切關(guān)注；接地電阻值在200 mΩ～1 Ω時(shí),對(duì)于重要設(shè)備應(yīng)盡快處理。

對(duì)站內(nèi)1號(hào)和2號(hào)主變變高、變中構(gòu)架的接地電阻進(jìn)行測(cè)量；向調(diào)度申請(qǐng)將3號(hào)主變變高和變中中性點(diǎn)調(diào)整到1號(hào)主變,對(duì)3號(hào)主變變高和變中接地構(gòu)架的接地導(dǎo)通電阻進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 中性點(diǎn)構(gòu)架接地電阻

從表1可以看出,2號(hào)主變變高中性點(diǎn)構(gòu)架接地電阻為86.9 mΩ,阻值偏大；3號(hào)主變變中中性點(diǎn)構(gòu)架接地電阻為771.5 mΩ,嚴(yán)重偏大；其他幾個(gè)構(gòu)架接地均正常。

2.4 接地引下線(xiàn)檢查

對(duì)2號(hào)主變變高和3號(hào)主變變中中性點(diǎn)設(shè)備構(gòu)架引下線(xiàn)進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)在油池內(nèi)3號(hào)主變變中中性點(diǎn)設(shè)備構(gòu)架接地引下線(xiàn)與銅絞線(xiàn)連接處的邊緣嚴(yán)重氧化銹蝕,并已完全燒斷。在油池內(nèi)的2號(hào)主變變高中性點(diǎn)設(shè)備構(gòu)架接地引下線(xiàn)與銅絞線(xiàn)連接的周?chē)?亦嚴(yán)重氧化銹蝕。測(cè)量3號(hào)主變變中和2號(hào)主變變高銹蝕處接地線(xiàn)靠主變側(cè)和主變本體接地之間的電阻值均在3 mΩ以下,阻值正常。

2.5 故障處理

清除2號(hào)主變變高和3號(hào)主變變中設(shè)備構(gòu)架引下線(xiàn)與銅絞線(xiàn)連接處的銹蝕部分,并將銹蝕位置的接地銅絞線(xiàn)壓接一個(gè)銅線(xiàn)耳,經(jīng)銅線(xiàn)耳與設(shè)備構(gòu)架引下線(xiàn)連接。處理之后,再對(duì)2號(hào)主變變高和3號(hào)主變變中設(shè)備構(gòu)架接地電阻測(cè)量,測(cè)量結(jié)果合格。

為保證中性點(diǎn)設(shè)備構(gòu)架接地可靠性,挖開(kāi)3號(hào)主變變中中性點(diǎn)設(shè)備構(gòu)架下端的接地扁鐵,用扁鐵繞構(gòu)架接至引下銅排上,實(shí)現(xiàn)變中設(shè)備構(gòu)架兩點(diǎn)接地,同時(shí)修復(fù)受損的電纜屏蔽層接地線(xiàn)與電纜終端。

2.6 故障原因分析

查閱中性點(diǎn)設(shè)備二次圖紙,該站中性點(diǎn)設(shè)備電纜屏蔽接地線(xiàn)有兩個(gè)接地點(diǎn)(在電纜兩端),其中一個(gè)接地點(diǎn)為經(jīng)構(gòu)架接地。

3號(hào)主變變中中性點(diǎn)設(shè)備構(gòu)架接地引下線(xiàn)被燒斷,測(cè)量中性點(diǎn)構(gòu)架接地電阻為771.5 mΩ,因此可以推斷,事故后測(cè)量的中性點(diǎn)構(gòu)架接地電阻,為中性點(diǎn)構(gòu)架到多個(gè)設(shè)備(直流監(jiān)測(cè)裝置、變中接地刀閘機(jī)構(gòu)箱和中性點(diǎn)CT設(shè)備等)電纜屏蔽接地線(xiàn)之間的電阻,與熔斷后的中性點(diǎn)電阻的并聯(lián)電阻。變中設(shè)備電纜屏蔽接地線(xiàn)設(shè)置如圖2所示。與中性點(diǎn)引下線(xiàn)相連的銅絞線(xiàn)燒斷后,中性點(diǎn)電阻變大,與多個(gè)電纜屏蔽接地線(xiàn)并聯(lián)后,中性點(diǎn)總電阻為771.5 mΩ。

圖2 電纜屏蔽層接地設(shè)置

因此,直流監(jiān)測(cè)裝置、變中接地刀閘機(jī)構(gòu)箱和中性點(diǎn)CT設(shè)備等多個(gè)設(shè)備電纜屏蔽接地線(xiàn)受損或熔斷,是由于電纜屏蔽接地線(xiàn)載流量相對(duì)較小,流過(guò)的故障電流較大。而變中設(shè)備構(gòu)架接地引下線(xiàn)損壞的原因,是接地引下線(xiàn)與地網(wǎng)連接的接地銅絞線(xiàn)嚴(yán)重銹蝕,接地線(xiàn)等效截面積減小,熱穩(wěn)定性降低,在故障電流沖擊下熔斷。

中性點(diǎn)構(gòu)架接地引下線(xiàn)的接地銅絞線(xiàn)熔斷后,接地電阻增大,中性點(diǎn)地電位升高,造成直流監(jiān)測(cè)裝置電源模塊嚴(yán)重?fù)p壞,放電產(chǎn)生的高溫高壓氣體將箱門(mén)沖飛。故障發(fā)生時(shí),3號(hào)主變冷卻器控制箱內(nèi)的交流中性線(xiàn)、風(fēng)扇電源A相流過(guò)短暫的短路電流,產(chǎn)生過(guò)電壓,造成冷卻器控制箱內(nèi)多個(gè)交流中性線(xiàn)與A相端子燒損、線(xiàn)耳壓接部位燒斷,繞組溫度測(cè)量電源模塊損壞。

3 建模仿真分析

為了驗(yàn)證故障分析的正確性,以及更加直觀地反映線(xiàn)路單相接地故障對(duì)主變變中設(shè)備及經(jīng)構(gòu)架接地的電纜屏蔽接地線(xiàn)的影響,建立簡(jiǎn)單的電力系統(tǒng)模型,如圖3所示。該模型由發(fā)電機(jī)、升壓變壓器、輸電線(xiàn)路、降壓變壓器等組成。升壓變壓器采用△/Y接線(xiàn)方式,三繞組降壓變壓器采用Y/Y/△接線(xiàn)方式,雙繞組降壓變壓器采用Y/△接線(xiàn)方式,MN之間為110 kV線(xiàn)路,R為三繞組降壓變壓器變中中性點(diǎn)接地電阻,中性點(diǎn)CT二次變比為1200/1。

圖3 電力系統(tǒng)模型

若變中中性點(diǎn)接地電阻為5 mΩ,有5個(gè)變中設(shè)備電纜屏蔽層經(jīng)構(gòu)架接地,電阻分別為0.8 Ω,1 Ω,2 Ω,3 Ω和2.2 Ω,0.2 s時(shí)距離M點(diǎn)7.6 km處發(fā)生A相接地故障,故障發(fā)生27 ms后保護(hù)動(dòng)作,故障發(fā)生53 ms時(shí)跳開(kāi)A相,故障發(fā)生1103 ms后重合閘動(dòng)作,重合成功,線(xiàn)路恢復(fù)正常運(yùn)行。若中性點(diǎn)接地電阻為86.9 mΩ,故障發(fā)生9 ms后,中性點(diǎn)設(shè)備接地引下線(xiàn)的銅絞線(xiàn)燒斷,燒斷后中性點(diǎn)接地電阻變?yōu)? Ω；28.5 ms時(shí),接地電阻為0.8 Ω和1 Ω的電纜屏蔽接地線(xiàn)燒毀。

(1) 當(dāng)中性點(diǎn)接地電阻為5 mΩ且未發(fā)生熔斷時(shí),故障電流在偏0軸下側(cè)經(jīng)兩個(gè)半周波的震蕩后,隨著故障被切除而減小為0。由于中性點(diǎn)接地電阻在正常值范圍內(nèi),接地電阻為0.8 Ω的電纜屏蔽層接地線(xiàn)流過(guò)的故障電流最大,峰值為180 A。

(2) 當(dāng)中性點(diǎn)接地電阻為86.9 mΩ時(shí),接至地網(wǎng)的銅絞線(xiàn)熔斷后,會(huì)使中性點(diǎn)接地電阻突然增大,流過(guò)各電纜屏蔽接地線(xiàn)的電流也會(huì)隨之增大,其中流過(guò)接地電阻為0.8 Ω和1 Ω的電纜屏蔽層接地線(xiàn)的故障電流峰值分別為2200 A和1830 A (見(jiàn)表2),電壓為1800 V；若此時(shí)該電纜屏蔽接地線(xiàn)受故障電流沖擊而熔斷,中性點(diǎn)接地電阻將進(jìn)一步變大,會(huì)使接地電阻為2 Ω,3 Ω和2.2 Ω的電纜屏蔽接地線(xiàn)受到?jīng)_擊,其中,接地電阻為2 Ω的電纜屏蔽接地線(xiàn)受沖擊最大,為1580 A,電壓為3200 V,若其熔斷,會(huì)使未熔斷電纜屏蔽接地線(xiàn)再次受到?jīng)_擊。部分電纜屏蔽接地線(xiàn)受故障電流沖擊熔斷后,會(huì)延遲未熔斷電纜屏蔽接地線(xiàn)受沖擊的時(shí)間,但是也會(huì)給未熔斷電纜屏蔽接地線(xiàn)帶來(lái)比中性點(diǎn)接地銅絞線(xiàn)熔斷更大的沖擊。

表2 各時(shí)間節(jié)點(diǎn)電流 A

因此,經(jīng)設(shè)備構(gòu)架接地的電纜屏蔽接地線(xiàn)流過(guò)的電流,與中性點(diǎn)接地電阻、屏蔽接地線(xiàn)電阻、屏蔽接地線(xiàn)是否有熔斷等有關(guān)。當(dāng)中性點(diǎn)接地電阻大于正常值,發(fā)生不對(duì)稱(chēng)故障時(shí),流過(guò)電纜屏蔽接地線(xiàn)電流過(guò)大,可能會(huì)引起其燒斷,燒斷后會(huì)對(duì)其他未熔斷電纜屏蔽接地線(xiàn)造成沖擊。

4 建議措施

為避免類(lèi)似故障發(fā)生,提出以下整改建議：

(1) 佛山地區(qū)110 kV系統(tǒng),采取220 kV變電站內(nèi)一臺(tái)主變變中和110 kV上網(wǎng)電廠(chǎng)內(nèi)一臺(tái)升壓變變中中性點(diǎn)兩點(diǎn)接地。該變電站110 kV供電范圍內(nèi)無(wú)110 kV上網(wǎng)電廠(chǎng),因此該110 kV系統(tǒng)實(shí)際只有該變電站一臺(tái)主變中性點(diǎn)一個(gè)接地點(diǎn),該變電站變中中性點(diǎn)直流監(jiān)測(cè)裝置是為作對(duì)比試驗(yàn)后來(lái)加裝的設(shè)備,經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行發(fā)現(xiàn),變中直流監(jiān)測(cè)裝置直流CT測(cè)量數(shù)據(jù)意義不大,且該裝置故障率高,電源模塊經(jīng)常損壞,因此,取消變中直流CT裝置。

(2) 加裝直流監(jiān)測(cè)裝置時(shí),將中性點(diǎn)構(gòu)架引下線(xiàn)由兩點(diǎn)接地改為一點(diǎn)接地,即取消了一個(gè)接地引下線(xiàn)的接地點(diǎn),不符合構(gòu)架兩點(diǎn)接地的要求,已恢復(fù)主變變中中性點(diǎn)設(shè)備構(gòu)架兩點(diǎn)接地方式。

(3) 2018年3月,修試人員對(duì)該站全站地網(wǎng)的導(dǎo)通電阻進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果合格,而南方電網(wǎng)公司《電力設(shè)備檢修試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定測(cè)試周期為6年1次,周期過(guò)長(zhǎng),建議適當(dāng)縮短220 kV及以上主變中性點(diǎn)接地引下線(xiàn)導(dǎo)通試驗(yàn)周期,及時(shí)發(fā)現(xiàn)引下線(xiàn)接地不良的問(wèn)題,同時(shí)建議禁止中性點(diǎn)設(shè)備電纜屏蔽接地線(xiàn)經(jīng)設(shè)備構(gòu)架接地。

(4) 變壓器油池一般填充鵝卵石等滲水材料,油池內(nèi)接地體長(zhǎng)期在高濕的空氣中,銹蝕嚴(yán)重,特別是焊接位置,容易造成截面減少,危及設(shè)備安全。建議設(shè)計(jì)提前做好各設(shè)備接地引線(xiàn)位置,避免接地線(xiàn)在油池內(nèi)裸敷。