一起35 kV 主變壓器跳閘事故分析

杜嚴行，葉樹平，馬銀環，陳元毅

（1.國網寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 銀川 750411；2.國網寧夏電力有限公司教育培訓中心，寧夏 銀川 750011）

0 引言

配電網運行環境惡劣，配電線路常常由于惡劣天氣（大風、雷雨、大霧、沙塵等）、設備老化、異物干擾、外力破壞、鳥類筑巢等諸多因素導致單相接地故障發生，據不完全統計，配電網85%以上的故障由單相接地引起［1］。

小電流接地系統發生單相接地時的最大特征是故障電流相對較小，一般小于負荷電流，而且三相電壓依然對稱，不影響對用戶負荷的持續供電。由于小電流接地方式具有良好的高供電可靠性（《電網調度控制管理規定》規定可持續運行1～2 h），該中性點接地方式在我國配電網中被廣泛采用。當配電線路采用該接地方式發生單相接地時，非故障相對地電壓將升高至線電壓，若不及時處理，持續接地過程中會引起過電壓從而危害電力設備絕緣水平，導致短路進而引起跳閘，甚至燒毀設備，導致事故擴大從而中斷供電。

分析一起由于配電線路發生單相接地引發某變電站35kV 主變壓器跳閘的事故原因，為后續類似事故的處理提供參考。

1 事故概述

1.1 事故前電網運行方式

事故發生前A 變電站接線及運行方式如圖1 所示。312 進線運行主供A 變電站全站負荷，311 進線熱備作為A 變電站的備用電源，1 號主變壓器運行供10 kV 負荷；516HW 線、515MHS 線、514LXZ 線處于運行狀態，3 條線均供偏遠山區農網用電負荷且線路較長，為架空電纜混合型線路，512 間隔1 號站用變壓器處于運行狀態，513 間隔、511 間隔1 號電容器均處熱備狀態。由于地處偏遠，重視程度及維護不力，本站未采取消除或防止諧振有關措施。

圖1 事故前A 變電站接線及運行方式

1.2 事故經過

2019-11-15T13∶22∶00，A 變電站10 kV I 號母線電壓異常（A 相電壓為0.48 kV，B 相電壓為9.74 kV，C 相電壓為9.86 kV）。13∶45∶00，經選線分析后判斷為10 kV LXZ 線接地，配電網調控值班員接到通知后及時通知配電網運維人員查線；14∶31∶00，A 變電站10 kV I 號母線電壓恢復正常；16∶13∶00，A 變電站10 kV I 號母線電壓再次A 相接地，10 kV I 號母線三相相電壓突變為12 kV，瞬間A 變電站35 kV 1 號主變壓器兩側斷路器均跳閘（調度自動化系統5 min采集一次，由于時間變化超短，跳閘后突變值在系統采集數據中未出現），調度自動化系統畫面中301、501 斷路器顯示為空心閃爍，A 變電站10 kV I號母線失壓，計量電壓同時消失。

調度自動化系統主站報文信息及保護動作信息如下：

1）2019-11-15T16∶13∶39，A 變電站10 kV I 號母線A 相電壓幅值為8.325 kV，越事故上限（限值為6.900 kV）；

2）2019-11-15T16∶13∶39.655，A 變電站1 號 主變壓器低壓側負序電壓出口動作；

3）2019-11-15T16∶13∶39.675，A 變電站1 號 主變壓器低壓側低電壓出口動作；

4）2019-11-15T16∶13∶39.916，A 變電 站1 號 主變壓器高壓側低電壓出口動作；

5）2019-11-15T16∶13∶40，A 變電站1 號主變壓器低壓側事故總動作；

6）2019-11-15T16∶13∶40，A 變電站1 號主變高壓側事故總動作；

7）2019-11-15T16∶13∶40，A 變電站全站事故總動作；

8）2019-11-15 T16∶13∶45，A 變電站10 kV I 號母線A 相電壓幅值為0.221 kV，越事故下限（限值為4.990 kV）；

9）2019-11-15T16∶13∶45，A 變電站10 kV I 號母線B 相電壓幅值為0.142 kV，越事故下限（限值為4.990 kV）；

10）2019-11-15T16∶13∶45，A 變電站10 kV I 號母線C 相電壓幅值為0.156 kV，越事故下限（限值為4.990 kV）；

11）2019-11-15T16∶13∶45，A 變電站10 kV I 號母線電壓幅值為0.219 kV，越下限（限值為10.000 kV）。

2 主變壓器跳閘事故原因分析

2.1 電壓互感器鐵磁諧振機理

電磁式電壓互感器的等值電路如圖2 所示，圖中，XL0為勵磁電抗，XL1為TV 一次側總電抗，Xn為其他繞組的總電抗，RL1、RL0、Rn為相應電阻，Z 為負載。正常運行情況下，XL0較大，電磁式電壓互感器對外電路呈感性狀態，其對外電路可用一個數值較大的電感L 來等值。

圖2 電磁式電壓互感器等值電路

含有電磁式電壓互感器及分布電容的電力網絡等值電路如圖3（a）所示，圖中，Cc表示網絡系統所有與串聯有關的總電容；Cb表示網絡系統內所有與并聯有關的總電容。運用戴維南戴等效電路理論將其變換為如圖3（b）所示的等效電路。

中性點不接地系統中，系統正常運行情況下三相對稱，電壓互感器勵磁阻抗較大，鐵芯不會飽和，此時XL＞XC［2］。當系統發生單相接地時，非故障相相電壓會升高為倍，接地過程中容易使電壓互感器鐵芯發生飽和，其勵磁電抗大大減小，當系統網絡參數滿足ωL=1／ωC 時，系統就會發生諧振，產生飽和過電壓。電力網絡發生串聯諧振的等效電路如圖4 所示。

圖3 戴維南等效電路變換

圖4 電磁式電壓互感器串聯諧振等值電路

2.2 原因分析

1）事故現象分析。

事故現象由10 kV LXZ 線單相接地引起，因此配電網LXZ 線路發生單相接地是激發該起事故的直接原因。

運行實踐經驗表明，電力系統鐵磁諧振的發生是由外部激勵引起，一是系統出現單相接地，二是帶電壓互感器空充母線。文獻［3］指出產生鐵磁諧振的一個原因是當系統運行狀態突變時，在暫態激發條件下，電壓互感器鐵芯飽和，其電感量L 處于非線性變化［4］，如有線路瞬間接地、雷電感應侵入電網，尤其系統出現單相接地，容易產生串聯諧振，而且會出現過電壓。文獻［5］分析指出系統發生鐵磁諧振過電壓一旦形成，諧振狀態可“自保持”，“自保持”狀態會維持長時間而不衰減，只有遇到新的干擾改變了其諧振條件，才可能消除諧振。由此分析可得，可以用其過電壓幅值和時間2 個值來評價諧振過電壓的危害。諧振過電壓危害巨大，可導致電力系統中絕緣薄弱的環節因放電而被擊穿，危及電氣設備的絕緣，并且在過電壓的作用下極易引起系統發生第二點接地，形成相間短路，從而造成設備損壞和停電事故，小則熔斷電壓互感器一、二次保險，重則使電壓互感器本體燒毀，嚴重威脅電網安全運行。運行實踐及理論研究表明，單相接地時一般會發生分頻諧振［6］，諧振過電壓的大小一般為2～3 pu，持續時間越長，危害越大。本次事故在LXZ 線發生單相接地時發生，LXZ線供電線路較長，對地分布電容效應較為明顯，此現象也與中性點不接地系統發生電壓互感器鐵磁諧振機理吻合。因此，LXZ 出線發生單相接地及其過程中產生的鐵磁諧振過電壓造成該變電站10 kV 電壓互感器燒毀是導致35 kV 主變壓器跳閘的主要原因。

2）繼電保護動作情況分析。

主變壓器采用NSR693RF-D60 型保護裝置，后備保護配置高壓側復壓過流保護、低壓側復壓過流保護，其中，低復壓過流保護復合電壓取本側電壓，復壓過流I 段定值整定為4.4 A（TA 變比500／5），經過1.2 s 延時后跳主變壓器兩側斷路器；高復壓過流保護復合電壓取高壓與低壓兩側電壓，復壓過流I 段定值整定為2.2 A（TA 變比300／5），經過1.2 s 延時后跳主變兩側斷路器。復壓過流保護動作邏輯如圖5 所示。根據動作邏輯，當鐵磁過電壓造成10 kV 電壓互感器燒毀時，勢必引起10 kV 母線三相電壓變為0，同時瞬間會引起過流，這樣就滿足主變壓器低復壓過流保護動作條件，繼電保護理論上存在動作的可能。結合故障時調度自動化系統繼電保護動作信息及報文信息，10 kV 三相電壓均嚴重越限，主變壓器低電壓、負序電壓保護動作出口，符合主變壓器高、低復壓過流保護動作條件。由此分析得出本次主變壓器跳閘屬正確保護動作。

圖5 復合電壓過流保護動作邏輯簡圖

3）現場檢查情況分析。

變電運維人員現場檢查A 變電站35 kV 主變壓器301、501 斷路器已經跳閘處熱備狀態，A 變電站高壓室有焦煳味，該變電站10 kV I 號母線電壓互感器有燒焦痕跡，進一步檢查發現其本體嚴重發黑，已經燒焦燒毀，如圖6 所示。現場查看繼電保護裝置，該35 kV 主變壓器保護裝置報：1 號主變壓器低壓側、高壓側復壓過流I 段保護動作，501 斷路器A 相電流為21.4 A（TA 變比為500／5，折算一次值為2 140 A），301 斷路器A 相電流為9.8 A （TA 變比為300／5，折算一次值為588 A），兩電流值均大于保護定值單中高、低復壓過流I 段定值的整定值，與繼電保護動作行為完全一致；現場檢查保護測控裝置發現數據采集信息中出現三相電壓為12 kV 的記錄，與問題發生時的現象一致；同時現場配電搶修人員經過巡線后發現10 kV LXZ 線主干136 號桿A 相引下線電纜頭炸裂。

圖6 燒毀的10 kV 電壓互感器

電纜接頭的制作過程易產生氣泡，是公認的絕緣薄弱環節，若其混入氣泡，在過電壓作用下極易發生絕緣擊穿放電，甚至炸裂。由此也可斷定LXZ 線主干136 號桿A 相引下線電纜頭存在絕緣薄弱隱患。

3 防范措施

在管理方面，應加強配電線路施工質量監督與驗收工作，狠抓電纜附件施工工藝質量關，將電力系統絕緣薄弱環節扼殺在源頭；加強配電線路巡視制度的落實，切實狠抓隱患排查與治理工作落實，做到源頭治理，早發現隱患，早治理。

在技術方面，鑒于電力系統發生單相接地故障的隨機性和無法預知性，因此關鍵在于消除電力系統鐵磁諧振［7］。

一次側消除諧振。在TV 高壓側中性點串聯接入適當阻值的非線性阻尼電阻；同時減少同一系統中并聯TV 的臺數，可以有效消除諧振；在系統單相接地電容電流較大的電力網絡中，可將中性點接地方式改為經消弧線圈接地，開展該變電站電容電流測試工作，并進行科學分析，合理選擇并設置消弧線圈的檔位，或者在中性點加裝自動跟蹤補償型消弧消諧裝置，發生接地時及時進行快速補償，達到消除諧振作用。

二次側消除諧振。充分考慮開口三角繞組的熱穩定極限容量的情況下，在TV 開口三角繞組并聯適當阻尼電阻或消諧器。文獻［2］指出，當消諧裝置電阻大于或等于TV 在線電壓下的勵磁阻抗值的6%時，基本上可以消除諧振。

設備方面。從TV 自身特性出發，在設備選型時，選擇勵磁特性優良（勵磁特性飽和點高的）的TV，鐵芯不易飽和，因此很難激發諧振，可以有效避免由鐵磁飽和而激發諧振。

其他消除諧振措施。從系統運行方式和倒閘操作方面出發考慮防止諧振。如變壓器中性點臨時接地、投退電容器、增投備用出線線路、主變壓器分列、并列運行等，如果諧振不能及時消除，可直接作停電處理。

4 結語

通過對地區電網中某變電站一起35 kV 主變壓器跳閘事故原因進行深入分析，發現該變電站主變壓器跳閘原因為某10 kV 線路主干136 號桿引下線電纜頭絕緣受損引起單相接地，激發鐵磁諧振過電壓，導致電壓互感器燒毀。

針對事故案例分析結果及暴露的問題，從管理方面，提出狠抓電纜附件施工工藝質量關和加強配電線路巡視制度落實的措施，做到源頭治理；從技術方面提出消除鐵磁諧振的方案，為今后防止類似事故發生提供參考。