35kV系統過電壓下的設備自我保護與恢復

李新強

(晉能控股煤業集團供電分公司，山西 晉城 048006)

1 引言

長期以來，我國35kV的電網大多采用中性點不接地的運行方式。此類運行方式的電網在發生單相接地時，故障相對地電壓降低，非故障相的對地電壓將升高3.5倍相電壓甚至更高，這就需要PT飽和特性要好，即飽和點要高；某35kV系統中由于過電壓引起PT燒毀、高壓熔絲熔斷等問題卻一直沒有得到解決，尤其是某35kV變電站，從投運以來PT已連續十幾年在系統接地后發生多次燒毀現象，同時高壓熔斷器也頻繁熔斷，嚴重威脅著設備及電網的安全運行。

通過研究及技改，有效地監測各種過電壓和解決PT燒毀問題，為電氣故障的有效分析提供數據基礎、分析依據，提高供電可靠性，確保企業安全生產、生活用電。

2 原因分析

對于中性點不接地系統，當系統發生單相接地時，故障點流過電容電流，未接地的兩相相電壓升高√3倍。但是，一旦接地故障點消除，非接地相在接地故障期間已充的線電壓電荷只能通過PT高壓線圈經其自身的接地點流入大地，在這一瞬間電壓突變過程中，PT高壓線圈的非接地兩相的勵磁電流就要突然增大，甚至飽和，導致健全相的PT燒毀及PT高壓限流熔斷器熔斷的事故發生，這也是在現行的電力系統中3～35kV的PT頻繁發生事故的主要原因。沒有使用過流保護器時流過PT電流波形，如圖1所示；使用過流保護器后流過PT電流波形，如圖2所示。

圖1 沒有使用過流保護器時流過PT電流波形

圖2 使用過流保護器后流過PT電流波形

3 解決思路

3.1 避雷器手車改造

在避雷器手車中安裝寬頻電壓傳感器和熔斷器；在避雷器手車面板右上方安裝數據電纜轉接頭，在儀表門上加裝EPO控制器；通過工控機系統，利用DSP數字處理器和高速FPGA處理的PCI接口采樣卡，實時分析處理瞬態、暫態過電壓波形，并記錄、分析過電壓類型和波形。具有頻率高20MHz、響應速度快、數據不失真、數據存儲容量大和人機交互界面友好同時配有USB接口和103規約接口，便于用戶現場讀取數據或后臺數據通訊并且可以短信通知用戶，原理如圖3所示一次接線如圖4所示，主要有高壓限流熔斷器、寬頻電壓傳感器、控制器、交換機、工業控制計算機組成。

圖3 過電壓在線監測原理圖

圖4 過電壓在線監測一次接線圖

3.2 電壓互感器及避雷器手車改造

保留原PT柜中PT手車、殼體和部分附件，在原PT手車中增加一次消諧器和智能開關；原PT柜中增加專用過電壓吸收器，取代避雷器；在儀表門上加裝配電聚優控制器。解決系統過電壓類產品解決不徹底的過電壓，有效平緩過電壓的上升前沿并削平過電壓尖峰，并且能夠耐受一定的過電壓所產生的大量能量，把過電壓限制在系統絕緣水平范圍內。同時，能有效的抑制接地恢復時涌流對電壓互感器及PT高壓熔斷器的損害，更進一步保護電壓互感器。原理如圖5所示，一次接線如圖6所示，主要由電壓互感器、高壓限流熔斷器、專用過電壓吸收器、智能開關、一次消諧器組成。

圖5 電壓互感器保護原理圖

圖6 電壓互感器保護一次接線圖

4 接地故障實測數據分析

某35kV變電站35kV站變高壓進線電纜C相電纜頭絕緣擊穿引起接地，引起整個35kV系統母線C相接地，同時長時間接地引發電纜著火造成弧光短路(B、C相短路)。該站35kV系統過電壓下的設備自我保護與恢復系統正確動作。裝置報C相弧光接地，同時35kV PT智能開關PTK正確動作，消諧電阻投入。對PT及保險進行檢查、試驗完好。對接地故障現場數據分析如下:

4.1 故障過程分析

(1)故障時零序過電壓分析:

由圖7可以看出，正零序電壓峰值為0.8；由圖8可以看出，正常ABC三相電壓峰值為0.175。則有零序過電壓倍數:0.8/0.175=4.57倍。

圖7 正零序電壓峰值

圖8 三相電壓峰值

由圖9可以看出，負零序電壓峰值為0.9，正常ABC三相電壓峰值為0.175，則有負級過電壓倍數:0.9/0.175=5.14倍，高于正級過電壓倍數。

圖9 負零序電壓峰值

(2)故障時非故障相過電壓分析:

由圖10可以看出，正常ABC三相電壓峰值為0.175，非故障相電壓峰值為0.425，C相弧光接地，圖示為A相的峰值電壓倍數0.425/0.175=2.43倍，超出線電壓倍數1.73。

圖10 非故障相過電壓峰值

(3)振蕩頻率分析:

由圖11可以看出，正常ABC三相電壓峰值為0.175，C相孤光接地，接近200Hz的振蕩頻率。

圖11 高頻弧光

由圖12可以看出，高頻弧光向低頻弧光轉化過程。高頻弧光向低阻工頻接地的轉化。

圖12 低頻弧光

由圖13可以看出，間歇性低頻弧光轉化為直接接地。

圖13 低阻工頻接地

由圖14可以看出，弧光轉化為直接接地。

圖14 直接接地

綜上所述，接地過程頻率分析:開始時的振蕩頻率為200Hz以上，逐漸轉化為50Hz的低阻接地，最后轉換為直接接地。

(4)重燃的頻率分析:

圖15、圖16為重燃的頻率，其中圖14截圖為:20ms區間，振蕩頻率超過1.5kHz。接地介質質變，穩態接地轉化為高頻接地后徹底擊穿。重燃時間:550ms。

圖15 重燃的頻率(低頻)

圖16 重燃的頻率(高頻)

(5)接地到短路的過程:

由圖17可以看出，單相接地轉換為相間短路后跳閘短路支路脫離故障恢復。相間短路時間800ms開始時C相接地，轉換為BC相接地，A相和零序等相位。

圖17 接地到短路

(6)故障恢復的振蕩過程:

圖18為故障恢復過程:振蕩時間:300ms，零序存在低頻振蕩恢復過程。

圖18 故障恢復的震蕩過程

4.2 結論

通過以上數據分析可以看出，這是一次典型的弧光接地過程。接地初期為高頻振蕩電弧，后期為工頻。由于沒有有效的消弧措施，弧光過電壓導致另外某個絕緣薄弱點擊穿，造成兩相異地短路停電。整個接地過程中，PT保護正常動作，避免了PT故障。

5 結束語

該項目的實施，能夠有效地解決PT燒毀及熔斷器熔斷問題，能夠對系統發生的各種過電壓類型進行監測，記錄各種過電壓故障波形，為電氣故障的后期原因調查分析、技術改進和責任認定提供數據基礎和分析依據；同時優化和完善了系統過電壓保護特性，實現對電力設備絕緣的保護，提高供電可靠性，確保企業安全生產，具有很好的推廣應用前景。