淺談站用400V交流系統絕緣故障查找方法

廣西電網有限責任公司桂林供電局 徐 超 吳江雄 陳 斌 胡賀梅 廣州市仟順電子設備有限公司 吳文健

站用400V交流電源系統是變電站的主要電源系統，覆蓋范圍廣闊，考慮用電設備和人員安全，站用400V交流電源系統設計為接地系統；發電機、變壓器的中性線均要可靠接地。站用變負荷有三相平衡負荷、三相不平衡負荷和單相負荷三種，負荷回路走線有三相五線制、三相四線制、三相三線制、單相三相制和單相雙線制。站用交流系統負荷分為三相平衡負荷、三相不平衡負荷和三相負荷三種類型。三相平衡負荷電源接三相火線La、Lb和Lc，外殼接地線，負荷工作時火線有電流，地線無電流；三相不平衡負荷電源接三相火線La、Lb、Lc和零線，外殼接地線，負荷工作時火線和零線有電流，地線無電流；單相負荷電源接火線（La或Lb或Lc）和零線，外殼接地線，負荷工作時火線和零線有電流。

1 交流系統絕緣故障及其危害

站用交流系統是保證變電站安全可靠地輸送電能的一個必不可少的環節，站用電主要為變電站內的一、二次設備提供電源，其作用有：大型變壓器的強迫油循環冷卻系統電源，交流操作電源，直流系統用交流電源，設備用加熱、驅潮、照明等交流電源，為UPS、SF6氣體監測裝置提供交流電源，正常及事故用排風扇電源，照明等生活電源。其負荷較重要，但均沒設計漏電保護，導致站用交流系統發生接地故障不能及時發現。站用交流系統發生接地，輕微故障可能造成電能損耗，嚴重故障可能會導致站用交流系統失電，事故嚴重會發生保護誤動影響及其惡劣[1]。

案例1：2018年6月，220kV某變電站發生1號站用變380V側811開關、380V分段810開關故障跳閘，全站交流系統失電。導致1號主變（強油循環）冷卻器全停故障跳閘跳開011、111、211開關，10kVⅠ段母線失壓。事故分析原因是：10kV配電室檢修箱C相經絕緣支柱對地放電造成380V交流系統出現故障；案例2：2005年3月6日，220kV象山站生活負荷發生接地故障，交流饋線開關、交流進線開關未跳閘，站變零序過流保護越級動作跳閘#1站變，380V備自投動作切換，因為故障仍然存在，所以造成#2站變零序過流保護越級動作跳閘。全站交流失電后影響了主變風冷電機，主變被迫停運，造成大面積停電。

2 交流絕緣故障查找方法研究

2.1 交流系統絕緣故障及其特征

交流系統絕緣故障：站用變一次側為三角形接線，二次側為星形接線，輸出有Ua、Ub、Uc和N線，N線接地。站用400V交流系統絕緣故障從系統線路可分為：相-相絕緣故障。火線與火線之間出現絕緣故障，絕緣故障電阻與負荷屬于并聯關系，打破原負荷的平衡度，導致的結果是火線電流增加、零線電流增加或減小；相-N絕緣故障。火線與零線之間出現絕緣故障，相當于增加一個單相負載，絕緣相線與零線出現電流增加；相-地絕緣故障。火線與地線間出現絕緣故障，由于站用變中性線可靠接地，也相當于增加一個單相負載，絕緣相線與地線出現電流增加；N-地絕緣故障。N線是站用變中性線引出，同時在變壓器端可靠接地，N線絕緣故障點與可靠接地點屬于并聯關系，屬于多點接地。站用交流系統屬電源系統，不用作為保護計量，允許多點接地。所以N線絕緣故障無危害，可以不作重點關注。

交流系統絕緣故障特征：交流系統設計為接地系統，接地位置為站用變壓器N線接地，變電站地網均是由網站銅排組成，導電能力極強。如圖1所示，交流系統發生絕緣故障時相當于在交流系統增加負荷，增加線路負荷電流；相-相絕緣故障發生時，絕緣故障導致故障相線電流增加，即Ia和Ib或Ia和Ic或Ib和Ic更或Ia、Ib和Ic電流增加；相-N絕緣故障發生時，絕緣故障導致故障相線和N線電流增加，即Ia和N或Ib和N或Ic和N電流增加；相-地絕緣故障發生時，絕緣故障導致故障相線有電流流向大地，故障相線電流增加，即Ia或Ib或Ic電流增加。

圖1 交流系統負荷電流圖示

2.2 交流系統絕緣故障查找方法

交流系統絕緣故障特征表象為線路電流增加，高阻絕緣故障增加的電流極小，加之交流系統電壓波動、負荷電流也是波動，簡單依據電流增加判斷絕緣故障對高阻接地故障無效[2]。相間與相對N高阻絕緣故障所增加的負荷電流對系統無影響，無需深入查找；相對地絕緣故障可能導致故障設備外殼帶電，可能造成人身安全事故；所以相間與相對N高阻絕緣故障因查找難度大可先不處理，需對相對地所有絕緣故障和相間與相對N低阻絕緣故障進行查找，排查故障；監測相線電流，對電流劇增的回路進行跟蹤查找，直到饋線直流電流減小位置，檢查絕緣故障狀態、處理絕緣故障，可解決低阻抗所有絕緣故障；檢測饋線支路剩余電流，出現剩余電流即為電流往地網回到站用變壓器，檢測剩余電流可避開波動的負荷電流，可檢測到微小電流，用這種方法可檢測各種對地絕緣故障。

3 交流系統絕緣故障查找儀設計

設計交流系統絕緣故障查找儀，查找交流系統絕緣故障；絕緣故障查找儀的設計目標為便攜、小巧，便于操作。如圖2所示，交流接地故障查找儀設計為便攜儀表，儀表配備四把鉗形互感器，4把鉗形互感器可測不同線路電流，對線路電流進行合成；可一把鉗子單獨測試；滿足現場交流系統電流各種情況分布進行測試。設備設計電源電路、電流采樣電路、主控CPU電路、USB接口電路、顯示電路和存儲電路組成。

圖2 交流系統絕緣故障查找儀設備結構

電源電路設計。電源電路采用3節5號干電池構成，設計5V轉3.3V電路。如圖3所示，采用電源芯片ASM1117設計降壓穩壓芯片，電源周邊設計電容、二極管和電阻，完成電源設計；電流采樣電路設計。線路電流通過鉗形互感器感應后，經如圖4所示放大電路，進行二級放大后進行CPU進行AD轉換換算，設計4路電流采集電流。

圖3 電源電路設計

圖4 電流采集電路

主控CPU電路設計。主控CPU選用STM32F 103ZET6。該芯片是ARM32位 的Cortex?--M3CPU，具有運行速度快、存儲量大、功耗低和各種功能接口數量眾多的特點。該CPU最快72MHz工作頻率，12通道的12位AD通道，多達112個快速雙向I/O口，多達13個通信接口，其中有USB2.0全速接口和SDIO接口。

USB接口電路設計。儀器設計一個USB接口供測量數據導出。接口電路采用芯片設計，芯片外圍設計電阻、電容等完成外圍電路設計；顯示電路設計。儀器使用4.3寸顯示屏，采用芯片設計顯示屏接口電路，完成儀器顯示部分設計；存儲電路設計。利用存儲芯片設計8G存儲芯電路，供設備采集數據存儲。