一起10 kV刀閘三相接地短路故障分析

錢夢(mèng)迪，趙雪騫，周 愷，秦 歡，門業(yè)堃，侯宇程

（國網(wǎng)北京電科院，北京 100075）

1 故障基本情況

2017年8月13日8：40，110 kV某變電站1#變低后備復(fù)壓過流保護(hù)動(dòng)作閉鎖245自投跳開201開關(guān)10 kV 4#母線及所帶3路負(fù)荷全停，影響高戶145戶居民7288戶，經(jīng)查201-4刀閘發(fā)生故障。

2 故障變電站及故障設(shè)備基本情況

2.1 110 kV某變電站基本情況

系統(tǒng)接線如圖1所示：主變2臺(tái)；110 kV接線方式為內(nèi)橋接線設(shè)計(jì)進(jìn)線有2回；35 kV接線方式為單母線分段代旁路接線設(shè)計(jì)，出線有6回；10 kV接線方式為單母線分段接線設(shè)計(jì)，出線有14路。

2.2 10 kV 4#母線及201-4柜基本情況

10 kV接線方式為單母線分段接線，10 kV 4#母線共帶10 kV饋線6路。其中，2條線路在故障當(dāng)天無負(fù)荷（備用），其他4條線路負(fù)荷正常。10 kV 4#母線為封閉式矩形結(jié)構(gòu)，母線防污等級(jí)為D級(jí)，母線材料為銅，額定電流3150 A。201-4開關(guān)柜為固定式開關(guān)柜，額定電流3150 A。發(fā)生故障的201-4刀閘于2006年投入運(yùn)行[1-2]。

2.3 故障發(fā)生時(shí)的天氣及系統(tǒng)運(yùn)行情況

故障發(fā)生時(shí)該變電站所處地區(qū)為多云轉(zhuǎn)陰天氣，悶熱，空氣相對(duì)濕度為50%，無落雷現(xiàn)象。故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行方式及負(fù)荷情況如下。

110 kV：111受電在4#母線，經(jīng)101原4代1#主變，112受電在5#母線，母聯(lián)145拉著，掉111，投145，自投運(yùn)行2#主變備用。

35 kV：301代4#母線負(fù)荷，經(jīng)345代5#母線負(fù)荷，母聯(lián)345自投停用。

圖1 110 kV某變電站系統(tǒng)接線示意（局部）

10 kV：201代4#母線負(fù)荷，經(jīng)245代5#母線負(fù)荷，母聯(lián)245自投停用。

10 kV4#母線共帶10 kV饋線6路：總計(jì)負(fù)荷502 A。

3 故障現(xiàn)場檢查與處理情況

故障發(fā)生后，相關(guān)技術(shù)人員隨即到達(dá)故障現(xiàn)場檢查。

（1）201-4刀閘放電通道。201-4刀閘放電通道為A，B，C三相靜觸頭固定銅排的螺絲分別對(duì)支柱絕緣子所連接的金屬支架放電，母排本體無明顯放電痕跡。201-4刀閘水平安裝的支柱三相絕緣子上側(cè)均燒損嚴(yán)重，表面瓷裙幾乎燒平，刀閘銅排固定螺絲端部基本燒融。

（2）故障處理情況。故障設(shè)備201-4刀閘供電公司內(nèi)部無備件。為盡快恢復(fù)設(shè)備供電，直接用銅母排取代201-4刀閘，并更換母線倉與隔離開關(guān)室穿柜套管對(duì)母排加裝熱縮護(hù)套。根據(jù)電科院技術(shù)人員建議，在母排連接處用專用絕緣膠帶進(jìn)行絕緣化處理，確保母排整體絕緣水平，同時(shí)將母排接頭的4只螺絲反穿，以減小局部電場畸變程度。安裝完成后，對(duì)母線進(jìn)行工頻交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓為38 kV/min通過[3-4]。

技術(shù)人員對(duì)1#變進(jìn)行了采油色譜分析、繞組變形試驗(yàn)以及直阻試驗(yàn)等相關(guān)試驗(yàn)工作。經(jīng)分析，試驗(yàn)結(jié)果正常，1#主變可投入運(yùn)行。8月13日21頤15，1#主變投入運(yùn)行。8月14日 2頤00，10 kV4#母線故障處理完畢，10頤30，全站設(shè)備及負(fù)荷恢復(fù)正常運(yùn)行方式。

4 故障原因分析

4.1 故障錄波數(shù)據(jù)分析

4.1.1 本起故障錄波數(shù)據(jù)分析

故障時(shí)間起始于 8頤23頤29，終止于 8頤23頤33，總共持續(xù)時(shí)間3.5 s。其中，C相單項(xiàng)接地1.5 s相間短路故障時(shí)間2 s。經(jīng)現(xiàn)場核實(shí)，故障錄波的“35 kV 4#母線電壓”與“10 kV 4#母線電壓”通道錯(cuò)誤，互換后應(yīng)為正確狀態(tài)同時(shí)“35 kV 201電流”應(yīng)為“10 kV 201電流”。該問題已整改完畢。

故障過程主要分為3個(gè)階段：

（1）第一階段：10 kV的 C相單相接地時(shí)間持續(xù)1.5 s。期間，C相出現(xiàn)接地故障電壓出現(xiàn)間歇性峰值最高峰值為1.3 kV。A，B兩相電壓波形呈三角波，電壓幅值11.4 kV，表明PT在工頻過電壓作用下出現(xiàn)了磁飽和現(xiàn)象。從C相電壓波形判斷，此時(shí)C相接地為間歇性弧光接地周期為10 ms，容易產(chǎn)生弧光接地過電壓。一般情況下，弧光接地過電壓水平為正常運(yùn)行電壓峰值的2～3.5倍，即（16.33～28.57）kV（圖 2）。

圖2 C相單相接地期間電壓局部波形

（2）第二階段：10 kV的B，C兩相相間短路持續(xù)時(shí)間12 ms。在此期間，B，C兩相相間短路電壓約為0.4 kV，A相電壓為線電壓10 kV。B，C兩相電流波形相位相反幅值為14 kA（圖3）。

（3）第三階段：10 kV的A，B，C三相接地短路持續(xù)時(shí)間2 s。期間A，B，C三相接地短路電壓幅值均為0.5 kV，短路電流為13 kA（圖 4）。

圖3 B，C兩相相間短路故障錄波（局部）

圖4 A，B，C三相相間短路電流故障錄波

4.1.2 近期單相接地故障錄波數(shù)據(jù)分析調(diào)取8月1～18日110 kV某變電站10 kV 4#母線故障錄波，可知該母線多次發(fā)生單相接地故障，接地持續(xù)時(shí)間在幾百毫秒至幾十分鐘不等。圖5的波形表明接地點(diǎn)出現(xiàn)了間歇性弧光接地。

4.2 10 kV 4#母線單相接地信號(hào)分析

上面的故障錄波數(shù)據(jù)顯示，2017年8月 4日、5日、6日、7日、11日、13日曾出現(xiàn)多次單相接地故障。為進(jìn)一步核實(shí)10 kV單相接地情況，因?yàn)樵撜緝?nèi)監(jiān)控主機(jī)癱瘓，從調(diào)控中心調(diào)取了8月1日至13日的監(jiān)控信息未發(fā)現(xiàn)“接地”信號(hào)，但存在“10 kV 4#母線電壓不合格”信號(hào)，因此無法從站內(nèi)監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)直接獲得“10 kV 4#母線單相接地”信號(hào)[5]。

4.3 10 kV 4#母線容性電流及消弧線圈補(bǔ)償情況

圖5 B相接地故障接地相波形（局部放大）

10 kV 4#母線消弧線圈額定補(bǔ)償容量300 kV·A。經(jīng)電容電流測試，電容電流值11.36 A，此消弧線圈目前處于未投運(yùn)狀態(tài)該站10 kV系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)運(yùn)行。根據(jù)10 kV，35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式選用技術(shù)原則規(guī)定，對(duì)于10 kV系統(tǒng)當(dāng)電容電流大于20 A時(shí)中性點(diǎn)需裝設(shè)消弧線圈[6]。

4.4 201-4刀閘絕緣距離與絕緣結(jié)構(gòu)分析

從圖6可以看出，245開關(guān)柜內(nèi)刀閘靜觸頭固定銅排的螺絲采用絕緣盒罩住，而發(fā)生故障的201-4刀閘固定銅排無絕緣盒保護(hù)、螺絲裸露。經(jīng)實(shí)測，螺絲至刀閘金屬支架的距離為95 mm，不滿足12 kV高壓開關(guān)柜中10 kV電氣距離125 mm要求。刀閘、母排相間絕緣距離125 mm符合要求[7-8]。據(jù)運(yùn)行單位反映此處絕緣罩在某次檢修過程中拆除但具體時(shí)間不明。

4.5 故障原因分析

圖6 245開關(guān)柜和201開關(guān)柜比較

該站10 kV 201-4刀閘母排接頭處的絕緣罩拆除，相對(duì)地空氣絕緣距離為95 mm（不滿足逸125 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求），且連接緊固母排的4個(gè)螺桿突出母排高度約20 mm，形成4個(gè)尖端局部電場產(chǎn)生畸變使擊穿電壓耐受水平降低。同時(shí)，柜內(nèi)長期未清掃，絕緣子沿面存在污穢。故障當(dāng)日，天氣悶熱，相對(duì)濕度50%，而故障前的間歇性弧光接地過電壓對(duì)該絕緣薄弱點(diǎn)形成沖擊。在上述因素的綜合作用下，引發(fā)了此次故障。

5 結(jié)論與建議

5.1 此次故障的主要原因

（1）刀閘母排接頭處的絕緣罩拆除，同時(shí)連接緊固母排的4個(gè)螺桿形成4個(gè)尖端局部電場產(chǎn)生畸變，形成絕緣薄弱點(diǎn)。

（2）間歇性單相接地故障產(chǎn)生了弧光，接地過電壓在絕緣薄弱點(diǎn)處造成了絕緣擊穿故障。

另外，此次故障還反映出以下問題：淤開關(guān)柜檢修后未及時(shí)恢復(fù)絕緣護(hù)罩；于站內(nèi)監(jiān)控主機(jī)癱瘓，遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)無法直接獲得“10 kV 4#母線單相接地”信號(hào)；盂站內(nèi)1#故障錄波裝置通道設(shè)置錯(cuò)誤；榆柜內(nèi)長期未清掃絕緣子沿面存在污穢。

5.2 建議

（1）建議供電公司對(duì)35 kV，10 kV柜內(nèi)絕緣薄弱點(diǎn)進(jìn)行排查處理。主要排查點(diǎn)包括：淤絕緣罩、絕緣盒、絕緣檔板缺失；于復(fù)合絕緣包纏工藝不良；盂柜內(nèi)絕緣部件表面積污情況；榆絕緣距離不滿足要求。

（2）建議供電公司對(duì)本站內(nèi)癱瘓的監(jiān)控裝置主機(jī)及時(shí)安排修復(fù)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)中的“10 kV單相接地”信號(hào)進(jìn)行核實(shí)、整改。

（3）建議加強(qiáng)設(shè)備檢修處缺后的驗(yàn)收、試驗(yàn)工作。