220 kV 變壓器中性點(diǎn)發(fā)熱原因分析及處理

陳鑫，姜華，邢鋼，張祥

（烏蘭察布電業(yè)局，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

1 設(shè)備概況及故障前運(yùn)行方式

2021年6月，烏蘭察布電業(yè)局某220 kV無人值守變電站4號主變壓器140中性點(diǎn)處發(fā)熱至130℃。該變電站共有4臺主變壓器，其中4號主變壓器為江蘇華鵬SFSZ10—240000-220型變壓器，2012年12月投運(yùn)，電壓等級為220 kV/110 kV/35 kV，容量為240 MVA，接線方式為Y/Y/Y/Δ，140中性點(diǎn)直接接地，340中性點(diǎn)經(jīng)小電阻柜接地。該主變壓器110 kV側(cè)為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)由套管零序電流互感器（以下簡稱TA）引出后通過中性線，經(jīng)140中性點(diǎn)隔離開關(guān)、外置零序TA后接地。該變電站較為特殊，與其他220 kV變電站相比，中性線經(jīng)過一個安裝在140中性點(diǎn)隔離開關(guān)處的零序TA。

2 現(xiàn)場處理過程

2.1 停電后檢查

現(xiàn)場停電檢查發(fā)現(xiàn)，4號主變壓器140中性線外接零序TA與接地排螺栓連接緊固，拆開連接螺栓，內(nèi)部接觸面污穢、銹蝕較多，隨即對140中性線與地進(jìn)行多次直流電阻測量，測量直流電阻平均值為2.9Ω。

2.2 零序TA及其回路檢查

該變電站外置零序TA位于140放電間隙架構(gòu)之上，與間隙TA一左一右置于中性線兩側(cè)。保護(hù)人員對雙套主變壓器保護(hù)的外接零序電流回路進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)雙套保護(hù)（見圖1）與故障錄波器并未使用該零序TA二次零序電流，而是由主變壓器本體零序TA獲得。初步認(rèn)為可能是TA二次直流電阻過大引起發(fā)熱，打開外置零序TA二次接線盒，發(fā)現(xiàn)二次側(cè)短封未使用，且連接牢固無銹蝕，排除二次回路方面的原因。

2.3 送電后檢查

4號主變壓器恢復(fù)送電24 h后，繼續(xù)對140中性點(diǎn)進(jìn)行多次測溫觀察，測量結(jié)果為中性線處零序電流3.5 A（一次值），溫度29.4℃。與4號主變壓器檢修前中性線電流（3.36 A）相差不大，故本次發(fā)熱中性線電流并非主要影響因素。對比本站同為中性點(diǎn)直接接地的2號主變壓器120中性線，2號主變壓器中性線零序電流4.1 A（一次值），測溫29.3℃，與4號主變壓器溫度趨于一致。由此判斷4號主變壓器中性線接地端溫度異常已消除，站內(nèi)設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 發(fā)熱原因分析

3.1 發(fā)熱影響因素

4號主變壓器140中性點(diǎn)直接接地，140中性點(diǎn)與地連接的回路可以等效為一個純電阻回路，純電阻電路發(fā)熱計算公式為：

式中：Q—電阻發(fā)熱量；

I—流過導(dǎo)體的電流；

R—導(dǎo)體的電阻；

t—發(fā)熱時間。

為使EI準(zhǔn)則適用于約束優(yōu)化問題，文獻(xiàn)[11]提出采用PoF作為EI權(quán)重的約束期望改進(jìn)(Constrained Expected Improvement，CEI)準(zhǔn)則，即

由式（1）可知，中性線電流I增大、電阻R增大均會引起發(fā)熱。140中性線電流即為4號主變壓器系統(tǒng)110 kV側(cè)的零序電流，調(diào)取故障錄波器采樣值，中壓側(cè)零序二次電流為0.021 A（見圖2），TA變比800/5，因此中性線在發(fā)熱期間一次電流穩(wěn)定值為3.36 A[3-5]。

圖2 4號主變壓器保護(hù)裝置零序電流采樣

當(dāng)發(fā)熱點(diǎn)電阻為2.9Ω時，發(fā)熱點(diǎn)功率P計算如下：

連接處銅排質(zhì)量按0.5 kg計算，溫度由正常運(yùn)行時的平均溫度30℃升高至130℃，所需熱量Q為：

式中：c—銅的比熱容，取值0.39×103J/（kg·℃）；m—物體的質(zhì)量，kg；

ΔT—溫度升高變化值，℃。

忽略熱量散失，估算溫升至130℃所需時間t為：

進(jìn)一步了解得知，該站上次測溫在1周（168 h）前，140中性點(diǎn)溫度升高但未超過70℃（超過70℃，運(yùn)行人員匯報缺陷），時值6月份，天氣炎熱且該站負(fù)荷較大，因此溫度升高并未引起運(yùn)行人員的重視。調(diào)取錄波分析發(fā)現(xiàn)，中性點(diǎn)發(fā)熱前幾日140中性線的零序電流頻繁發(fā)生兩至三倍的突增，致使發(fā)熱進(jìn)程加快。

3.2 低壓側(cè)對本次故障的影響

中性線流過的零序電流是產(chǎn)生發(fā)熱的重要因素，而中性點(diǎn)電壓偏移直接影響了中性線上流過的零序電流。兩個月前，烏蘭察布220 kV德勝變電站35 kV中性點(diǎn)投入消弧線圈運(yùn)行后，220 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)電壓偏移至1.6 kV，退出消弧線圈后電壓偏移恢復(fù)。對于中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)位移電壓計算公式如下：

式中：U0—中性點(diǎn)位移電壓；

Ubd—補(bǔ)償前電網(wǎng)的不對稱電壓；

V—脫諧度，描述消弧線圈的補(bǔ)償程度；

d—電網(wǎng)阻尼率。

由式（2）可知，增大脫諧度雖可降低中性點(diǎn)位移電壓，但會導(dǎo)致殘流增大，不利于滅弧[4]。因此對于經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)來說，現(xiàn)場一般在消弧線圈一次回路串接大功率阻尼電阻，增大阻尼率，從而降低中性點(diǎn)電壓的幅值。

該變電站35 kV側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地，為排除35 kV側(cè)中性點(diǎn)接地方式對110 kV側(cè)中性點(diǎn)電壓產(chǎn)生影響，短時退出4號主變壓器340中性點(diǎn)的小電阻接地，保護(hù)裝置零序電流未發(fā)生明顯改變，因此低壓側(cè)經(jīng)小電阻接地方式對中高壓側(cè)中性點(diǎn)電壓影響較小。

3.3 故障原因判定

綜上所述，本次發(fā)熱故障是由變電站外置零序TA引起，當(dāng)合中性點(diǎn)接地刀閘時，零序TA串入中性線回路，導(dǎo)致中性線接地處直流電阻過大。當(dāng)變電站所帶負(fù)荷不平衡度增大時，零序電流增大，從而引起發(fā)熱。

4 防范措施

4.1 設(shè)計階段

（1）中性點(diǎn)接地回路對電網(wǎng)正常運(yùn)行至關(guān)重要，設(shè)計時要充分考慮所在地區(qū)三相負(fù)荷不平衡時長期存在的零序電流，以及接地故障發(fā)生時零序短路電流對中性點(diǎn)的沖擊。中性點(diǎn)設(shè)備選型時要充分考慮系統(tǒng)的熱穩(wěn)定及動穩(wěn)定要求。

（2）可考慮在主變壓器中性線TA連接處加裝溫度測量顯示裝置，將中性點(diǎn)零序二次電流及中性線溫度信息引入測控裝置，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)值時向后臺發(fā)送光字告警信息，便于更直觀地監(jiān)測中性點(diǎn)的運(yùn)行情況。

（3）鑒于本次發(fā)熱故障是由于中性點(diǎn)外置零序TA引起，建議新建220 kV變電站在初設(shè)階段，應(yīng)注重一次設(shè)備的合理配置，避免存在冗余設(shè)備，以降低系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4.2 驗(yàn)收階段

驗(yàn)收階段應(yīng)認(rèn)真檢查設(shè)備是否嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)工藝安裝，并關(guān)注二次回路直流電阻等測試數(shù)據(jù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 運(yùn)維階段

進(jìn)一步加強(qiáng)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)積累，結(jié)合設(shè)備現(xiàn)象與測溫結(jié)果對設(shè)備發(fā)熱情況作綜合判斷。測量溫度與實(shí)際溫度存在一定的偏差[7]，以點(diǎn)燃的煙頭為測溫點(diǎn)，環(huán)境溫度為24℃時，隨著距離增加所測得的溫度迅速下降，在5 m處測得的溫度只達(dá)實(shí)際溫度的10%。因此，運(yùn)行人員使用點(diǎn)溫儀時，在保持安全距離的前提下，應(yīng)盡可能縮短測溫距離，以便獲得更為接近實(shí)際溫度的結(jié)果。

5 結(jié)束語

通過對烏蘭察布電業(yè)局某220 kV變電站4號主變壓器140中性點(diǎn)處發(fā)熱原因分析，認(rèn)為本次發(fā)熱故障是由于該發(fā)熱點(diǎn)位于放電間隙架構(gòu)之上，位置較高，運(yùn)行人員測溫時距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致測量溫度低于實(shí)際溫度，且該220 kV變電站無人值守，測溫周期較長，較低的測量溫度未引起重視而導(dǎo)致中性點(diǎn)長時間發(fā)熱，直至專業(yè)測溫廠家測溫后才發(fā)現(xiàn)過熱隱患。如果該缺陷沒有被及時發(fā)現(xiàn)并消除，長時間運(yùn)行后，中性線接地點(diǎn)可能因持續(xù)過熱而燒毀，使得4號主變壓器中壓側(cè)140中性點(diǎn)失去接地，導(dǎo)致110 kV系統(tǒng)運(yùn)行方式發(fā)生改變，危及整個變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對發(fā)熱原因，從設(shè)計、驗(yàn)收、運(yùn)維方面提出了防范措施，為220 kV變電站類似問題處理提供借鑒。