一起因線路接地引起負(fù)荷端變壓器跳閘的故障分析

田 野1 胡旭鋒2 王智華2 郝雁翔2（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，浙江 杭州 310027；2.許昌供電公司，河南 許昌 461000）

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一起因線路接地引起負(fù)荷端變壓器跳閘的故障分析

田 野1 胡旭鋒2 王智華2 郝雁翔2
（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，浙江 杭州 310027；2.許昌供電公司，河南 許昌 461000）

摘 要：某220kV變電站及其相連的兩座110kV終端變電站發(fā)生了一起連續(xù)跳閘事故，110kV主變間隙被擊穿，本文作者結(jié)合故障錄波數(shù)據(jù)和相量分析法，對該故障進(jìn)行了詳細(xì)地分析，并對主變間隙擊穿的原因做了深入分析，并提出了處理方法和一些相關(guān)注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：變壓器；故障；間隙；負(fù)荷端

1. 故障前運(yùn)行方式

xxxx年4月19日，雨夾冰雹，風(fēng)力5～6級。許田站分列運(yùn)行，I龍?jiān)S2開關(guān)帶許1#變運(yùn)行，II龍?jiān)S2開關(guān)帶2#變運(yùn)行，許110開關(guān)熱備用，許100開關(guān)熱備用，許351斷開，許350合位，許2#主變帶35kV兩段母線運(yùn)行，兩臺(tái)主變中性點(diǎn)均不接地。110kV側(cè)為進(jìn)線備自投，35kV側(cè)和10kV側(cè)為分段備自投，并且均在投入位置。龍井站側(cè)付龍2開關(guān)斷開。事故發(fā)生前三側(cè)電網(wǎng)運(yùn)行方式如圖1所示。

2. 保護(hù)動(dòng)作情況

2.1 付村站側(cè)保護(hù)動(dòng)作情況：

付龍1線路保護(hù)零序II段、III段動(dòng)作跳閘、付龍1接地距離II段動(dòng)作跳閘、故障相為C相，故障測距8.6km；付龍1線路重合閘動(dòng)作，不成功。故障錄波圖如圖2所示。

2.2 許田站側(cè)現(xiàn)場及保護(hù)動(dòng)作情況：

II龍?jiān)S2開關(guān)零序II段保護(hù)動(dòng)作跳閘，故障相為C相，實(shí)測零序電流9.692A。

許2#主變放電間隙零序過流I、II保護(hù)啟動(dòng)未出口。

II龍?jiān)S2開關(guān)動(dòng)作后，許2#主變低壓側(cè)母線失壓，10kV分段備自投動(dòng)作，首先斷開許102開關(guān)，然后合上許100開關(guān)，許田站10kVII段母線恢復(fù)供電。故障錄波圖如圖3所示。

圖1　事故發(fā)生前三側(cè)電網(wǎng)運(yùn)行方式

3. 故障檢查情況

事故發(fā)生后，現(xiàn)場對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了全面檢查，經(jīng)巡線人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)：4月19日14時(shí)17分，在付龍線下施工的吊車曾誤碰付龍線路。運(yùn)維人員現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)許2#主變110kV中性點(diǎn)放電間隙電流互感器瓷裙有炸裂現(xiàn)象，放電間隙也有明顯放電擊穿的痕跡，并且，中性點(diǎn)CT末屏接地線燒斷。

4. 保護(hù)動(dòng)作行為分析

4.1 付龍1線路保護(hù)跳閘

付龍1線路保護(hù)零序II段、III段、接地距離II段動(dòng)作跳閘、故障相為C相，故障測距6.84km也與實(shí)際故障點(diǎn)相符，龍?jiān)S1保護(hù)動(dòng)作行為正確。付村站側(cè)零序等效網(wǎng)絡(luò)圖如圖4所示。

零序電流為：

式中：

EΣ——電源的合成電動(dòng)勢；

Z0T1、Z0T2——變壓器的零序阻抗；

Z01、Z02——短路點(diǎn)兩側(cè)線路的零序阻抗。

4.2 龍?jiān)S2線路保護(hù)跳閘

許田站側(cè)現(xiàn)場及保護(hù)動(dòng)作情況分析：一般來講，付龍線發(fā)生接地故障時(shí)，付村站側(cè)付龍1線路保護(hù)零序II段、接地距離II段動(dòng)作跳閘切除故障即可。許田站側(cè)由于主變中性點(diǎn)沒有接地，構(gòu)不成零序電流回路，許田站側(cè)付許2線零序保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。其電流分布圖及相量圖如圖5所示：由于C相接地時(shí)，C相對地電容C0被短路，中性點(diǎn)電壓UN上升為相電壓（-EA），由圖5（b）可見，A、B、C三相對地電壓為

零序電壓為

則保護(hù)安裝處各相電流（未計(jì)負(fù)荷電流）：

其有效值為：

式中：Uph為相電壓。

但由于付龍線發(fā)生接地故障的同時(shí)，許2#主變110kV中性點(diǎn)放電間隙擊穿后，主變中性點(diǎn)實(shí)際形成了接地，零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化，有零序電流流過許田站側(cè)，許田站側(cè)龍?jiān)S2保護(hù)采集到零序電流，現(xiàn)場故障報(bào)告顯示，故障時(shí)二次側(cè)零序電流為9.692A（定值為6.5A/0.3S），故障相別為C相，因此，龍?jiān)S2零序II段保護(hù)動(dòng)作行為正確。

圖2　付龍線路故障錄波圖

圖3　II龍?jiān)S線路故障錄波圖

圖4　零序等效網(wǎng)絡(luò)圖

由于實(shí)際故障點(diǎn)距離許田變較近，從距離上看，應(yīng)屬于I段保護(hù)動(dòng)作范圍，但由于零序I段按規(guī)定退出，接地距離保護(hù)從原理上抗過渡電阻能力就差，在加上接地距離I段動(dòng)作定值相對較小，抗過渡電阻能力更低，故I段保護(hù)未能動(dòng)作。過渡電阻問題將在下面詳細(xì)分析。

龍?jiān)S2開關(guān)作為終端負(fù)荷側(cè)，且主變中性點(diǎn)不接地時(shí)，正常情況不向故障點(diǎn)提供短路電流，但間隙擊穿時(shí)，零序網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，構(gòu)成零序回路，存在零序電流，達(dá)到動(dòng)作條件。

4.3 許2#主變保護(hù)高后備保護(hù)未出口

許2#主變保護(hù)高后備保護(hù)未動(dòng)作出口的原因：查閱保護(hù)裝置動(dòng)作記錄和許2#主變保護(hù)高后備保護(hù)定值，發(fā)現(xiàn)間隙過流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為0.5s，其他后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間均大于0.5s，龍?jiān)S2零序II段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為0.3s，因龍?jiān)S2保護(hù)快速動(dòng)作跳開開關(guān)，切除故障，許2#主變高壓側(cè)后備雖然啟動(dòng)，但達(dá)不到動(dòng)作時(shí)間就已返回（經(jīng)過370ms后）。

4.4 許2#主變間隙保護(hù)未出口

間隙保護(hù)未出口的原因：間隙保護(hù)啟動(dòng)后，由于間隙CT已經(jīng)損壞，難以正確反映電流情況，且間隙保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為0.5s小于龍?jiān)S2零序II段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間0.3s，達(dá)不到間隙保護(hù)動(dòng)作條件。

間隙保護(hù)雖然在變壓器高后備中設(shè)置，但其作用是保護(hù)變壓器中性點(diǎn)設(shè)備，不與其他保護(hù)配合，是變壓器中性點(diǎn)設(shè)備的主保護(hù)。

5. 間隙擊穿原因分析

110kV變壓器中性點(diǎn)過電壓水平計(jì)算：

對于各種不同接線類型的網(wǎng)絡(luò)，從接地故障復(fù)合序網(wǎng)可知，單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)穩(wěn)態(tài)零序電壓為

兩相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)穩(wěn)態(tài)零序電壓為

圖5　許田站側(cè)電流分布圖與相量圖

從上兩式可以看出，不對稱接地故障時(shí)產(chǎn)生的零序電壓取決于系統(tǒng)零序阻抗Z0與正序阻抗Z1之比。當(dāng)Z0/Z1增大時(shí)，接地故障時(shí)產(chǎn)生的零序電壓亦相應(yīng)增大。在電力系統(tǒng)中，有效接地系統(tǒng)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：在各種條件下，應(yīng)使零序阻抗與正序阻抗之比為正值且小于3；當(dāng)Z0/Z1≥3甚至Z0=∞時(shí)，則成為非有效接地系統(tǒng)。對于某一具體電網(wǎng)而言，在不對稱接地故障時(shí)，如果零序電流無法形成通路，亦即在該網(wǎng)絡(luò)中所有變壓器同時(shí)失去接地中性點(diǎn)時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就成為局部不接地系統(tǒng)，從上兩式可知，不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)零序電壓等于系統(tǒng)故障前相電壓。

通過對不對稱故障正序、零序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡單的分析可知，在110kV系統(tǒng)中，只要保證電源端變壓器中性點(diǎn)有效接地，那么在各種條件下，零序阻抗與正序阻抗之比一定小于3。具體到該地區(qū)，只要保證220kV變壓器110kV側(cè)中性點(diǎn)有效接地，那么該變壓器配出的110kV網(wǎng)絡(luò)就一定是有效接地系統(tǒng)，即Z0/Z1＜3。若以Z0/Z1=3、系統(tǒng)相電壓U=73.0kV代入式中可以算出

在單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)零序U0為43.8kV。因此，在110kV有效接地系統(tǒng)中，不接地變壓器中性點(diǎn)最大對地偏移電壓小于43.8kV，小于分級絕緣變壓器中性點(diǎn)的設(shè)計(jì)耐壓值。

由此可以得出結(jié)論：對于目前110kV系統(tǒng)，在保證220kV變壓器110kV側(cè)中性點(diǎn)有效接地的情況下，各110kV終端變壓器中性點(diǎn)是否接地與系統(tǒng)及變壓器本體的安全運(yùn)行沒有關(guān)系。

110kV變壓器放電間隙應(yīng)為10.5cm～11.5cm（許2#主變110kV中性點(diǎn)放電間隙實(shí)測為11cm），理論擊穿電壓為3.8kV/cm～5.36kV/cm，按此計(jì)算放電間隙擊穿電壓在39.9kV～61.64kV。當(dāng)時(shí)許田站側(cè)龍?jiān)S2保護(hù)采集到零序電壓為78.23/1.414=55.325V，折算到一次為60.85kV，達(dá)到擊穿條件（故障時(shí)許田站正在下雨，絕緣降低）。

6. 間隙CT損壞原因分析

根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，利用計(jì)算軟件中模擬計(jì)算，發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)（吊車碰線處）過渡電阻為4Ω、間隙擊穿點(diǎn)對地電阻13.5Ω時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)與記錄數(shù)據(jù)基本吻合。

龍?jiān)S2保護(hù)采集到的零序電壓反應(yīng)的是110kV母線3U0，在間隙擊穿前，間隙電壓與此相同，間隙擊穿后，零序電壓按照歐姆定律分配，正常情況下，由于間隙下端直接接地，間隙又被擊穿，間隙兩側(cè)電壓（即間隙CT兩側(cè)），僅由弧光電阻和間隙CT阻抗分壓。由于弧光電阻僅有幾個(gè)歐姆，正常電流互感器本身阻抗也很小，他們之和（應(yīng)小于13.5Ω）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于變壓器零序阻抗，故間隙擊穿后，間隙兩側(cè)電壓并不高，這也是間隙CT選擇絕緣等級10kV的原因。所以，間隙CT正常時(shí)，承受電壓不會(huì)大于設(shè)計(jì)能力，間隙CT不應(yīng)該損壞。

去年發(fā)生過一次間隙擊穿，該互感器那時(shí)已有“內(nèi)傷”，間隙再次擊穿時(shí)阻抗特性發(fā)生突變，造成該CT承受電壓增大，超過其承受能力，發(fā)生損壞。

結(jié)論

一起看似普通的輸電線路單相接地故障卻因負(fù)荷側(cè)主變間隙被擊穿演變成主變跳閘、間隙CT損壞等相互交織的復(fù)雜故障，在對此類復(fù)雜故障進(jìn)行原因分析時(shí)，單單依靠故障錄波數(shù)據(jù)往往難以探究出故障的原因，在故障錄波數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用相量分析法再與保護(hù)整定計(jì)算相結(jié)合才能清晰地還原出整個(gè)故障演變過程，找出故障真正原因。此次故障也再次提醒我們，當(dāng)主變間隙發(fā)生擊穿時(shí)，應(yīng)及時(shí)對間隙CT及其二次回路進(jìn)行仔細(xì)檢查，不能只以外觀檢查作為判讀依據(jù)，應(yīng)通過相關(guān)試驗(yàn)盡可能反應(yīng)出設(shè)備內(nèi)部的工作狀態(tài)，做出客觀的評估，以免類似事故再次發(fā)生。

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中圖分類號：TM41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The continuous tripping accident of a 220kV substation and connected to the two seat 110kV terminal substation， 110kV main transformer gap breakdown， the author combines the fault data and phase analysis， the fault is analyzed in detail， makes a further analysis and the main transformer gap breakdown reason， and put forward the processing method and some relevant matters needing attention.

Keywords：Transformer； Fault； Clearance； Load side