兩起配電變壓器短路故障分析

摘要： 針對(duì)某35 kV小電阻接地供電系統(tǒng)發(fā)生的兩起35 kV干式配電變壓器短路故障進(jìn)行分析，提出改進(jìn)措施。閱讀故障錄波并結(jié)合故障變壓器現(xiàn)場(chǎng)檢查、試驗(yàn)，采用對(duì)稱分量法及雙端口網(wǎng)絡(luò)理論對(duì)故障過(guò)程、保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行分析，通過(guò)電磁暫態(tài)仿真軟件（PSCAD/EMTDC）的仿真與故障變壓器的解體檢查得以驗(yàn)證。提出優(yōu)化繼電保護(hù)配置與整定，開(kāi)展配電變壓器狀態(tài)檢測(cè)等改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞： 配電變壓器; 小電阻接地系統(tǒng); 匝間短路; 單相接地短路; 繼電保護(hù)

中圖分類號(hào)： TU852文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1674-8417（2024）07-0029-06

DOI： 10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.07.006

0引言

采用小電阻接地方式的某35 kV供電系統(tǒng)發(fā)生兩起35 kV干式配電變短路故障。通過(guò)對(duì)故障錄波、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的分析并結(jié)合故障仿真、解體檢查，判斷一起故障為配電變35 kV側(cè)C相繞組匝間短路同時(shí)間歇性弧光接地短路，另一起故障為配電變35 kV側(cè)A相繞組尾端單相接地短路。針對(duì)故障提出改進(jìn)措施，供同行參考。

1匝間短路轉(zhuǎn)弧光接地短路故障

1.1案例一故障情況

某35/0.4 kV干式配電變空載運(yùn)行時(shí)，35 kV側(cè)零序電流保護(hù)動(dòng)作跳閘，過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作報(bào)警。配電變35 kV側(cè)為小電阻接地系統(tǒng)，聯(lián)結(jié)組別Dyn11、額定容量1 600 kVA、短路阻抗5.76%。35 kV側(cè)配置電流保護(hù)（三相CT），Ⅰ段320 A，0 s;Ⅱ段215 A，0.5 s;零序電流保護(hù)（零序CT）75 A，1 s;過(guò)負(fù)荷保護(hù)（極端反時(shí)限）32 A，1 s。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，配電變C相高壓繞組首端圓周及面板處環(huán)氧樹(shù)脂燒傷開(kāi)裂，金屬外殼有燒傷痕跡，溫控器電纜有部分燒損。配電變主絕緣測(cè)試與低壓繞組直阻測(cè)試合格，高壓繞組直阻測(cè)試不合格。匝間短路轉(zhuǎn)間歇性弧光接地短路故障錄波如圖1所示。圖中波形從上至下依次為過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作報(bào)警、零序電流保護(hù)起動(dòng)、零序電流保護(hù)動(dòng)作出口、35 kV保護(hù)處三相電流、三相電壓。

1.2案例一故障錄波分析

故障錄波中，0 ms以前為設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài);0～3 575 ms，A、C相電流相位相反，幅值相同，約130 A。三相電壓變化很小。結(jié)合故障波形特征以及配電變的主絕緣測(cè)試合格而高壓繞組直阻測(cè)試不合格，可判斷配電變發(fā)生C相高壓繞組匝間短路。采用對(duì)稱分量法進(jìn)行定性分析，對(duì)于Dyn變壓器D側(cè)匝間短路可等效為Dynyn變壓器yn側(cè)單相接地短路，即把短路匝當(dāng)作組成yn接線的第三繞組［1］。匝間短路序網(wǎng)如圖2所示。35 kV保護(hù)處電流如下：

其中，U·C［0］為故障前保護(hù)處C相電壓;ZS、Z′T、Rgx分別為系統(tǒng)阻抗、等效三繞組變壓器的阻抗、匝間短路點(diǎn)過(guò)渡電阻，下標(biāo)中的1、2、0表示正序、負(fù)序、零序分量，各量均為標(biāo)幺值。0～3 575 ms的波形特征與式（1）、式（2）相吻合。

3 575～4 514 ms期間，A相電流基本不變，C相電流出現(xiàn)高頻分量，幅值增大。三相電壓出現(xiàn)高頻分量，A、B相電壓幅值增大，C相電壓幅值降至約5 kV。零序電流保護(hù)在3 814～4 160 ms之間多次起動(dòng)、返回，直至在4 460 ms時(shí)動(dòng)作出口。過(guò)負(fù)荷保護(hù)在4 141 ms動(dòng)作報(bào)警。通過(guò)故障波形特征以及配電變金屬外殼有燒傷，可判斷配電變由C相高壓繞組匝間短路發(fā)展至同時(shí)C相間歇性弧光接地短路。匝間短路同時(shí)弧光接地短路屬于復(fù)故障，采用雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定性分析［2］，即Dynyn變壓器yn側(cè)單相接地短路同時(shí)D側(cè)單相經(jīng)過(guò)渡電阻接地短路。以D側(cè)A相為基準(zhǔn)，匝間短路同時(shí)弧光接地短路序網(wǎng)如圖3所示。35 kV保護(hù)處電流如下：

其中，I·K、I·′X、Rgx分別為第一故障口電流、第二故障口移相后電流（以D側(cè)為基準(zhǔn)）。接地短路點(diǎn)過(guò)渡電阻，下標(biāo)中的1、2、0表示正序、負(fù)序、零序分量，各量均為標(biāo)幺值。3 575～4 514 ms的波形特征與式（3）、式（5）相吻合。

4 515 ms時(shí)刻后，三相電流幅值為零、三相電壓恢復(fù)正常。保護(hù)動(dòng)作出口55 ms后，故障被切除，斷路器動(dòng)作正常。

1.3案例一故障仿真、解體檢查

采用電磁暫態(tài)仿真軟件（PSCAD/EMTDC）進(jìn)行仿真，得出的波形與故障錄波趨勢(shì)吻合［3］。匝間短路轉(zhuǎn)單相接地短路仿真如圖4所示。經(jīng)返廠解體檢查，發(fā)現(xiàn)短路點(diǎn)位于C相高壓繞組首端第二段，氣道外側(cè)的8層繞組導(dǎo)線全部燒斷?？膳袛嘤捎诶@組匝間存在絕緣薄弱點(diǎn)，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中逐漸擴(kuò)大，最終形成匝間短路。匝間短路電流產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致繞組表面環(huán)氧樹(shù)脂燒損、開(kāi)裂，繞組導(dǎo)線燒熔，產(chǎn)生的金屬蒸汽沿環(huán)氧樹(shù)脂裂口噴射至金屬外殼，形成弧光將金屬外殼及溫控器電纜燒傷。

2單相接地短路故障

2.1案例二故障情況

某35/0.95 kV干式配電變空載運(yùn)行時(shí)，35 kV側(cè)零序電流保護(hù)動(dòng)作跳閘。配電變35 kV側(cè)為小電阻接地系統(tǒng)，聯(lián)結(jié)組別Dy11、額定容量1 600 kVA、短路阻抗12.4%。35 kV側(cè)配置電流保護(hù)（三相CT），Ⅰ段675 A，0 s;電流Ⅱ段保護(hù)105 A，0.3 s;零序電流保護(hù)（零序CT）100 A，0.3 s;過(guò)負(fù)荷保護(hù)35 A，10 s。圖4匝間短路轉(zhuǎn)單相接地短路仿真

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，配電變A相高壓繞組尾端近面板處環(huán)氧樹(shù)脂燒損，下夾件及金屬底座有放電燒傷痕跡。配電變直阻測(cè)試與B、C相主絕緣測(cè)試合格，A相主絕緣測(cè)試不合格。單相接地短路故障錄波如圖5所示。圖中波形從上至下依次為零序電流保護(hù)起動(dòng)、35 kV保護(hù)處三相電流、三相電壓。

2.2案例二故障錄波分析

故障錄波中，0 ms以前為設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)。0～340 ms，B相電流幅值突增至約400 A，A、C相電流基本不變。B相電壓幅值突降至約1 kV，A相電壓幅值增至約34 kV，C相電壓幅值增至約33 kV，A、C相位差減小至約60°。零序電流保護(hù)在0 ms時(shí)起動(dòng)。通過(guò)故障波形特征以及配電變的A相主絕緣測(cè)試不合格，可判斷配電變35 kV側(cè)A相繞組尾端接地短路，因三角形聯(lián)結(jié)B相繞組首端與A相繞組尾端相連，在故障錄波中呈現(xiàn)的是B相接地短路特征。采用對(duì)稱分量法進(jìn)行定性分析，單相接地短路序網(wǎng)如圖6所示。35 kV保護(hù)處電流如下：

340 ms時(shí)刻后，三相電流幅值為零、三相電壓恢復(fù)正常。保護(hù)動(dòng)作出口40 ms后，故障被切除，斷路器動(dòng)作正常。

2.3案例二仿真驗(yàn)證、解體檢查

采用PSCAD/EMTDC進(jìn)行仿真，得出的波形與故障錄波趨勢(shì)吻合。單相接地短路仿真如圖7所示。經(jīng)返廠解體檢查，發(fā)現(xiàn)短路點(diǎn)位于A相高壓繞組尾端第八段，最外層2匝繞組導(dǎo)線燒傷、燒斷?？梢耘袛嘤捎诶@組最外層存在絕緣薄弱點(diǎn)，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中逐漸擴(kuò)大，最終擊穿對(duì)金屬底座放電短路。

3改進(jìn)措施

小電阻接地系統(tǒng)間歇性弧光接地短路電流幅值不大且不穩(wěn)定，導(dǎo)致零序電流保護(hù)無(wú)法準(zhǔn)確判斷，如案例一中保護(hù)多次起動(dòng)、返回，故障切除時(shí)間延長(zhǎng)。案例一、案例二中的零序電流保護(hù)整定值75 A、100 A均偏大，也導(dǎo)致保護(hù)耐受過(guò)渡電阻能力降低。考慮到配電變至保護(hù)安裝處的距離通常很近，電容電流一般不會(huì)超過(guò)20 A，整定值可適當(dāng)降低。作為小電阻接地系統(tǒng)的末端接地保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間也可適當(dāng)縮短。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，單相接地短路電流約600 A時(shí)，整定值取30～60 A，動(dòng)作時(shí)間取0.1～0.3 s［3］。另外，可配置間歇性零序電流保護(hù)，在發(fā)生間歇性接地短路時(shí)，能累計(jì)各次接地短路的起動(dòng)時(shí)間并動(dòng)作跳閘，該保護(hù)目前在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)已有運(yùn)行［4］。

案例一中電流Ⅰ段保護(hù)整定值取320 A 太小，未能躲過(guò)變低側(cè)出口最大三相短路電流，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。而案例二中的電流Ⅰ段保護(hù)整定值取675 A 太大，導(dǎo)致保護(hù)對(duì)配電變內(nèi)部短路的靈敏度降低。忽略系統(tǒng)阻抗，電流Ⅰ段保護(hù)可按不小于1.2/Uk%倍額定電流整定，案例一、案例二的電流Ⅰ段保護(hù)整定值分別取550 A、255 A。

案例一中電流Ⅱ段保護(hù)整定值取215 A 太大，在長(zhǎng)達(dá)3 s的匝間短路時(shí)間內(nèi)無(wú)保護(hù)動(dòng)作，而匝間短路的特點(diǎn)是保護(hù)處電流并不大，但短路匝處電流很大，最終發(fā)展至間歇性弧光接地短路，燒傷金屬外殼與溫控器電纜。另外，對(duì)變低側(cè)出口單相接地短路的靈敏度也不足，根據(jù)Dyn11聯(lián)結(jié)傳變關(guān)系，可得變低側(cè)出口單相接地短路時(shí)保護(hù)處電流為265 A?？紤]計(jì)算短路電流時(shí)忽略了系統(tǒng)阻抗，靈敏度按不小于1.5要求。若整定值取4倍額定電流105 A，能躲過(guò)最大負(fù)荷電流且有不小于1.5（265/105＞1.5）的靈敏度［5］，還能以較短時(shí)間切除匝間短路故障（短路電流130 A），避免故障發(fā)展擴(kuò)大。

為躲過(guò)最大負(fù)荷電流，電流Ⅱ段保護(hù)整定值取值較大，若變低側(cè)出口經(jīng)過(guò)渡電阻短路，短路電流小于整定值，保護(hù)不能及時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)致配電裝置燒毀。在國(guó)內(nèi)已多次發(fā)生此類事故［6］。配置反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)可反映此類故障，動(dòng)作出口跳閘。極端反時(shí)限動(dòng)作電流按1.2倍額定電流整定，時(shí)間常數(shù)按變低側(cè)出口三相短路時(shí)動(dòng)作時(shí)間為0.4 s整定，案例二的反時(shí)限電流保護(hù)時(shí)間常數(shù)取0.2 s。

干式變壓器的內(nèi)部缺陷較為隱蔽，未必能在出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)，但在長(zhǎng)期運(yùn)行中形成累加效應(yīng)，導(dǎo)致突發(fā)性故障。應(yīng)加強(qiáng)廠家監(jiān)造工作，重點(diǎn)控制原材料檢驗(yàn)、導(dǎo)線的繞制，環(huán)氧樹(shù)脂的澆筑等工藝。運(yùn)行中開(kāi)展紅外測(cè)溫與局放檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理，避免非計(jì)劃停運(yùn)［7］。

4結(jié)語(yǔ)

合理的繼電保護(hù)配置和整定計(jì)算可以避免繼電保護(hù)誤動(dòng)，可靠、快速地切除故障配電變，保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定、連續(xù)地運(yùn)行。但繼電保護(hù)的正確動(dòng)作只能阻止配電變故障的擴(kuò)大，降低其對(duì)供電系統(tǒng)的影響，配電變?nèi)孕韪鼡Q，突發(fā)短路故障仍降低了供電可靠性。因此，同時(shí)應(yīng)重視配電變的生產(chǎn)質(zhì)量管控，加強(qiáng)配電變的運(yùn)維技術(shù)措施，提前發(fā)現(xiàn)異常并處理，以提高供電可靠性。

［1］江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［2］劉萬(wàn)順，黃少鋒，徐玉琴.電力系統(tǒng)故障分析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2010.

［3］閆石.低電阻接地系統(tǒng)單相接地故障及零序電流保護(hù)整定分析［J］.智能建筑電氣技術(shù)，2022，16（1）：126-130.

［4］許守東，余群兵，石恒初，等.中壓配電網(wǎng)單相接地故障處理技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2022.

［5］徐丙垠，李天友，薛永端.配電網(wǎng)繼電保護(hù)與自動(dòng)化［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2017.

［6］高春如.發(fā)電廠廠用電及工業(yè)用電系統(tǒng)繼電保護(hù)整定計(jì)算［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［7］國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院.配電網(wǎng)典型故障案例分析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2017.

收稿日期： 20240311

Analysis of Two Short Circuit Faults in Distribution Transformers

YAN Shi ZHONG Sumei

［1.Shenzhen Airport（Group） Co.， Ltd.， Shenzhen 518128，" China;

2.Shenzhen Metro Operation Group Co.， Ltd.， Shenzhen 518040， China］

Abstract： According to two short circuit faults of 35 kV dry type distribution transformers in a 35 kV power system by low resistance grounding，analysis cause and improvement are proposed.Combined with fault recording，inspection and test，fault processes and protection operations are analyzed by symmetrical component method，two-port network method and simulated，verified by PSCAD/EMTDC and disassembling inspection.Improvement of configuration and setting of protective relaying and status detections are proposed.

Key words： distribution transformer; low resistance grounding power system; turn-to-turn short circuit; single-phase grounding short circuit; relay protection