10kV不接地系統兩相故障導致電壓互感器 避雷器爆炸事故分析

萬壽雄

（廣西電網公司柳州供電局，廣西 柳州 545000）

0 引言

我國10kV配電網系統中性點接地方式主要有中性點不接地和經消弧線圈接地。此種系統供電可靠性較高，發生單相接地故障時，系統能持續運行2h。由于非故障相電壓升高至線電壓，容易發生幅值較高的弧光接地過電壓。一般情況下，10kV母線電壓互感器（potential transformer, PT）需要將中性點直接接地，當系統發生空載母線合閘、單相接地故障消失或者負荷劇烈變化等情況時，PT勵磁電感可能與系統對地電容形成諧振，引發過電壓，造成系統過電壓或PT高壓繞組過電流，從而影響設備正常運行，甚至會導致設備燒毀[1-2]。

以前，10kV配電系統多采用架空線路，對地電容較小，易與PT電感匹配形成鐵磁諧振。隨著城市的發展，高壓電纜被大量使用，系統對地電容避開了鐵磁諧振區，但是PT故障仍然存在，需要作進一步分析[3]。

本文針對某地區220kV月山站10kV母線PT避雷器爆炸事故，結合故障波形進行詳細分析，并提出合理的改善措施，以降低故障發生率。

1 系統圖及開關動作情況

220kV月山站10kV低壓側系統一次接線如圖1所示。

圖1 220kV月山站10kV低壓側系統一次接線

220kV月山站1號主變、2號主變及三側開關正常運行，10kV 1M、2M分列運行。保護動作情況為220kV月山站1號主變第二套低后備保護動作，跳開1號主變10kV側901開關，造成10kV 1M失壓。各開關保護定值及開關動作情況見表1。

表1 各開關保護定值及開關動作情況

2 設備檢查及試驗

2.1 一次設備檢查

220kV月山站1號主變第二套低后備保護動作，跳開1號主變10kV側901開關，10kV 1M其他線路間隔開關在合位，各線路間隔保護僅啟動不動作，且伴有母線接地軟報文；10kV電容器C1由于10kV母線失電壓，電容器低電壓保護動作，跳開C1開關。

檢修班組與值班員檢查10kV高壓室各線路間隔均正常，僅有10kV 1M PT091小車柜前柜及相鄰開關柜存在故障后熏黑現象，小車柜后柜有故障時過熱的痕跡，其中10kV 1M PT091小車柜后下柜燒毀情況嚴重。故障前后小車柜對比如圖2所示。

打開10kV 1M PT091小車柜后下柜門發現，后下柜內的設備都有不同程度的受損情況，柜內避雷器、PT、PT熔斷器受到故障沖擊影響，表面均已被黑色金屬粉塵覆蓋，如圖2（b）所示。其中，柜內10kV 1M B相避雷器外觀有爆裂痕跡，如圖3所示。

圖2 故障前后小車柜對比

圖3 故障后三相避雷器

PT外觀無明顯爆裂，PT二次電纜已全部燒毀，10kV 1M PT091小車母線室內母線外表存在被后下柜設備發生事故時由泄壓通道釋放的金屬粉塵熏黑現象。

2.2 一次設備試驗

將10kV PT柜上柜母線表面清理干凈后，試驗班進行10kV 1M母線絕緣電阻測試，試驗數據無異常，10kV 1M母線絕緣合格。

對10kV 1M PT繞組進行直流電阻、電壓比、耐壓試驗，數據無異常，試驗合格；一次對二次及地 絕緣電阻正常。

對10kV 1M避雷器檢查試驗結果表明：除10kV 1M避雷器B相絕緣擊穿損壞，A、C相避雷器試驗合格。

3 故障分析及應對措施

3.1 故障波形分析

結合監控后臺機及保護裝置的動作報文，畫出保護動作時序，如圖4所示。相間故障波形如圖5所示。

圖4 保護動作時序

圖5 相間故障波形

2019年1月15日05:06:13.208.5ms，由圖5可知，10kV大橋線907（CT電流比：800/5）存在短時A、B相間短路，反映到1號主變10kV低壓側現象為A、B兩相電流相位相反。從波形中可以看出1號主變低壓側電流二次值為2.2A(電流比：4 000/5)，折算到907線路電流二次值為17.6A（Ⅱ段定值：15A，時間0.3s），達到了Ⅱ段定值，但是持續時間不足0.3s。故保護不動作，僅啟動。

電磁式電壓互感器低壓側的負荷很小，接近空載，高壓側有很高的勵磁阻抗。由于線路故障迅速恢復，引發電能、磁能的振蕩，在故障消失后，它與導線對地電容或者其他設備的雜散電容之間形成特殊的三相和單相諧振回路，在電磁振蕩的激勵下極易產生磁飽和，暫態勵磁電流急劇增大，電感值 下降，從而引發鐵磁諧振[4-6]。

電網中發生最多的情況為兩相因嚴重飽和而致導納成感性，另一相呈容性，其電路如圖6所示。從相量圖看來，諧振使中性點電壓發生了嚴重的偏移，從而導致兩相電壓增大，零序電壓增大[7]。中性點偏移原理如圖7所示。

圖6 電路圖

圖7 中性點偏移原理

經檢查，一次熔斷絲并未熔斷，非分次諧波諧振。從圖8中性點偏移相量圖和圖9線電壓和相電壓波形看來，三相對地電壓表現為兩相高、一相低，線電壓正常；其中A相電壓二次值為55.83V，B相電壓二次值為152.237V，C相電壓二次值為131.481V。AB、BC、CA線電壓二次值均為105.37V，線電壓正常。正常情況下，相電壓二次值為57.7V，B相過電壓為2.634倍相電壓，C相過電壓為2.279倍相電壓，零序電壓二次電壓值為195.773V（PT電壓比為10/0.1），折算到一次側中性點電壓為1 957.73V（正常時電壓僅為30V）。由于中性點的偏移，零序電壓急劇增大，導致在此時間內伴有接地信號，即虛假接地現象，此為基波諧振的重要特征[8-9]。從監控后臺機報文看來，10kV 1M各間隔均發出母線接地信號，但實際上母線并沒有接地。

圖8 中性點偏移相量圖

圖9 線電壓及相電壓波形1

在圖10所示線電壓和相電壓波形中05:06:16 688ms至05:06:16 988ms及圖11所示線電壓和相電壓波形中05:06:17 629ms至05:06:18 340ms這兩個時間段內，A相電壓二次幅值為99.182V，B相電壓二次幅值為189.927V，C相電壓二次幅值為180.923V。AB、BC、CA線電壓的二次幅值均為108.37V，線電壓波形與之前相比，有一定程度畸變。正常情況下，相電壓二次值為57.7V，A相過電壓為1.72倍相電壓，B相過電壓為3.3倍相電壓，C相過電壓為3.14倍相電壓，零序電壓二次電壓值為216.628V（PT電壓比為10/0.1），折算到一次側中性點電壓為2 166.28V（正常時電壓僅為30V）。諧振比之前更加嚴重。

圖10 線電壓及相電壓波形2

圖11 線電壓及相電壓波形3

由圖12 PT波形可知，05:06:18 68ms，諧振結束，諧振時間持續4 818.4ms，持續過電壓使B相避雷器閥片劣化速度加快，導致B相避雷器爆炸，進而演變成B相金屬性接地，B相電壓降低至0，A、C相電壓升高為線電壓。由1號主變低后備保護動作波形圖13可知，直至05:08:12.387.2ms，故障發展為三相故障。三相故障時，三相電壓接近于0，電流 二次值為23A，達到1號主變低后備保護動作定值（過電流Ⅰ段2時限定值：11A，時間：1.2s）。經1 208.6ms，1號主變第一、二套保護動作出口跳開901開關。

圖12 PT波形

圖13 1號主變低后備保護動作波形

3.2 故障結論

結合故障錄波裝置波形及監控后臺信息做出事故時間線，如圖14所示。

圖14 事故時間線

1）2019年1月15日05:06:13.208.5ms，10kV大橋線907發生AB相間故障，故障持續時間約48ms，由于時間未達到定值，10kV大橋線907線路保護裝置僅啟動不動作。

2）在故障消失后，電壓互感器與導線對地電容或者其他設備的雜散電容之間形成特殊的三相和單相諧振回路，在電磁振蕩的激勵下極易產生磁飽和，暫態勵磁電流急劇增大，電感值下降，從而引發鐵磁諧振。雖然諧振時間僅持續了4 818.4ms，但后半段諧振過電壓幅值很高，持續過高的諧振過電壓使B相避雷器閥片劣化速度加快，最終導致B相避雷器發生爆炸。

3）由于PT計量繞組為0.2級，其飽和電壓較小，在發生諧振時，該繞組產生較大的故障電流，導致計量PT空開先跳閘。

4）B相避雷器爆炸后變成B相金屬性接地，B相避雷器爆炸后產生的煙霧、粉塵使PT柜內空氣絕緣降低，在線電壓的作用下發展成三相短路故障，電流值和時間均達到1號主變低后備保護過電流Ⅰ段1時限和2時限動作條件，1號主變第二套保護動作跳開901開關，保護動作正確。

3.3 應對措施

為了抑制諧振過電壓和穩定系統的中性點電壓，在10kV母線PT二次開口三角處接入消諧裝置，但此種方式不能抑制基頻或分頻諧振，當XC/XL? 0.01時也不能很好抑制過電流，易燒毀PT或使一次高壓熔斷器熔斷[10-11]。為避免類似問題發生，可以采用如下措施：

1）調整220kV月山站10kV出線運行方式，盡可能投入線路，增加系統對地電容，破壞諧振發生條件。

2）使用一次消諧裝置，若再次發生諧振，則更換為電容式PT，從根本上消除發生諧振的基礎。

4 結論

從以上分析可知，10kV出線兩相瞬時故障，導致PT與導線對地電容之間形成諧振回路，致使PT一次側過電流，鐵磁諧振過電壓造成相電壓升高，導致B相避雷器擊穿。為防止諧振再次發生，對10kV系統加裝了消弧線圈。同時，調度調整系統運行方式，盡量減少熱備用線路運行，降低電感與電容匹配程度，破壞諧振產生的條件。經兩年多的運行，未發生諧振現象。