一起10 kV消弧線圈中性點過電流故障分析與處理

劉祚宇，馬佳藝，袁 林，范景博

(1.國網沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110003；2.沈陽電能建設集團有限公司聯發設計分公司，遼寧 沈陽 110000；3.國網盤錦供電公司，遼寧 盤錦 124010)

1 系統及設備概述

東北地區某220 kV變電站，共有220 kV、66 kV和10 kV 3個電壓等級。220 kV系統接線方式為線路變壓器組接線，66 kV和10 kV系統接線方式均為單母線分段，66 kV系統分兩段母線，10 kV系統分四段母線。變電站內共有三繞組主變壓器(以下稱主變)2臺，接線方式為Y0/Δ/Y-12/11/10型。其中10 kV低壓側為星型接線，中性點經消弧線圈接地，屬于小電流接地系統。每臺主變低壓側均帶兩段10 kV母線運行。本次故障的10 kV甲線路連接在10 kV系統Ⅳ段母線上，由2號主變供電。2臺主變低壓側中性點消弧線圈均配置隔離開關和跌落式熔斷器。跌落式熔斷器型號為LBUII-12/200-12.5，是ABB公司2005年產品，于2005年隨消弧線圈投運。為保護消弧線圈，安裝此熔斷器。

2 故障情況

2020年12月30日11：22，該220 kV變電站10 kV甲線路發生B相單相接地故障。單相接地故障發生時，變電站內2號主變的消弧線圈中性點出現過電流，熔斷器被燒毀(現場熔斷器熔絲燒斷，上口瓷瓶碎裂，瓷瓶落地，熔斷器鉛絲管墜落，連接至熔斷器的電纜頭懸空，熔斷器下方地面可見碎裂瓷瓶)，如圖1所示。隨后，變電站內小電流選線裝置動作，切除故障線路。

圖1 10 kV消弧線圈中性點事故現場圖像

根據該變電站負荷情況，選擇變壓器負荷較輕時段開展搶修工作。30日20：00，2號主變停電處理損壞熔斷器，未造成負荷損失。

3 故障分析

事故搶修工作結束后，二次檢修人員到達該220 kV變電站，通過故障錄波圖分析等手段，對這起事故發生過程及原因展開探究。

3.1 消弧線圈中性點過電流成因分析

檢修人員通過調取2號主變的故障錄波器內波形圖進行分析，結果發現，當10 kV甲線路發生B相單相接地故障時，2號主變10 kV側中性點B相也出現較大短路電流，經計算一次側峰值約為12 kA，持續時間約為0.85 s，如圖2所示。正是該短路電流造成消弧線圈中性點熔斷器燒損。

(a)故障電流出現

(b)0.85 s后故障電流消失圖2 2號主變10 kV中性點電流故障錄波圖

中性點經消弧線圈接地方式，屬于小電流接地方式[1-3]，當系統發生單相接地故障時，線路及中性點處接地電流應被有效抑制為較小數值，約為幾安培至幾百安培的水平[4-5]。而在本次事故中，中性點接地短路電流達到約12 kA，即中性點電流互感器額定電流的3～4倍，屬于不正?，F象。

檢修人員發現2號主變1 kV消弧線圈處，連接至熔斷器的電纜頭絕緣處理施工質量較低，而且現場在電纜頭處，通過隔離開關金屬支架有放電痕跡，如圖3所示?？紤]到消弧線圈及熔斷器投入運行時間長、電纜頭絕緣水平不高，檢修人員判斷消弧線圈中性點過電流產生原因是在故障發生前，2號主變10 kV系統的消弧線圈中性點已通過熔斷器電纜頭附近的金屬支架接地，成為中性點直接接地系統。因此，10 kV甲線路發生單相接地故障時，同其他大電流接地系統類似，10 kV系統中性點處也會流過較大的故障短路電流[6]。0.85 s后，該故障電流將熔斷器燒損，熔斷器斷開后，中性點處故障電流消失。

圖3 2號主變10 kV消弧線圈電纜頭處放電痕跡

3.2 相關保護裝置動作情況分析

10 kV甲線路配置有三段式過流保護[7]，其中過電流Ⅰ段保護一次側電流定值為2.4 kA，時限為零。甲線路發生單相接地故障的相別為B相，該變電站所有10 kV線路的電流互感器采用不完全星型接線方式，B相均未安裝電流互感器，線路保護無法感受到短路電流[8]。因此雖然消弧線圈中性點過電流存在過程中線路上的短路電流大小已超過整定值，甲線路的過電流Ⅰ段保護并沒有動作。

由于中性點處短路電流存在，而且無法依靠線路保護切斷該短路電流，因此2號主變的低壓側復壓閉鎖過流后備保護啟動[9]。主變低壓側后備保護電流定值為6 kA，時限定值為1.1 s，熔斷器在0.85 s斷開后使故障電流消失，低壓側后備保護返回，并未動作，如圖4所示?？梢?，如果短路電流未燒損熔斷器，短路電流的大小及存在時長均達到限值，且由于接地故障時主變B相電壓降低，滿足復壓解閉鎖條件[10-11]，因此將造成2號主變低壓側后備保護動作，由2號主變供電的10 kV線路將會全部失電，從而擴大事故停電范圍，發生保護越級跳閘事件[12]。

圖4 2號主變低壓側后備保護啟動

熔斷器斷開后，中性點處接地點也相應斷開，2號主變10 kV系統變為中性點不接地系統。由于10 kV甲線路的B相接地故障仍然存在，10 kV系統B相母線電壓明顯降低；A相和C相電壓升高至接近系統線電壓[13]，波形出現畸變，如圖5所示。9 s后小電流選線裝置正確動作切除故障線路，系統恢復正常，如圖6所示。

圖5 10 kV系統母線電壓波形

圖6 小電流選線裝置正確動作

4 防事故措施

本次事故暴露出消弧線圈中性點電纜頭絕緣措施施工工藝不到位的問題，造成中性點熔斷器被短路電流燒毀，嚴重影響了電力生產安全秩序，同時還有擴大事故影響范圍的風險。為防止發生類似事故，考慮采取如下措施。

a．針對該地區三繞組變壓器，考慮避免在主變三次側中性點直接接入消弧線圈，盡量選擇在10 kV母線上通過接地變接入消弧線圈，減少因10 kV中性點設備異常或故障的發生，或造成改變系統運行方式、擴大事故影響范圍等情況。

b．針對重要地區及用戶供電的10 kV線路，考慮采用完全星型接線的電流互感器接線方式，能夠反映各種相間及接地故障電流，提升線路保護的靈敏性。

c．基建工程的現場施工作業人員應嚴格執行相關施工工藝標準，驗收人員必須遵循工程質量達標標準進行驗收。同時，加快淘汰在運的各類老舊設備，保證電力系統安全穩定運行。

d．組織開展小電流選線裝置[14]動作準確率的統計工作，在提高小電流選線裝置準確性的前提下，研究分析小電流選線裝置取代消弧線圈接線方式的可行性。