弧光接地過(guò)電壓引起設(shè)備燒毀事故原因分析

王接旭 侯建軍 丁曉鋒

（新密市電業(yè)局，河南 新密 452370）

1 引言

目前我國(guó) 10kV線路電力網(wǎng)絡(luò)采用中性點(diǎn)不接地的方式運(yùn)行，當(dāng) 10kV出線發(fā)生單相接地時(shí)，接地電流只是網(wǎng)絡(luò)電容電流，比較小，保護(hù)裝置不動(dòng)作于跳閘，只給出信號(hào)，電網(wǎng)可持續(xù)運(yùn)行2h，故提高了供電可靠性。其缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性差，因 10kV中性點(diǎn)不接地網(wǎng)絡(luò)單相接地時(shí)，使不接地相對(duì)地電壓變成了線電壓，易出現(xiàn)弧光引起的諧振過(guò)電壓，造成對(duì)電力設(shè)施的嚴(yán)重?fù)p壞。

2 事故經(jīng)過(guò)

2.1 事故前運(yùn)行方式

110kV某變電站一次主接線如（圖 1）所示，110kV東母帶1#主變運(yùn)行，110kV西母帶2#主變運(yùn)行，110kV母聯(lián)處于解備位置。1#、2#（2×40MW）分別帶10kV I段、10kV II段運(yùn)行，10kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)處于熱備用狀態(tài)，10kV備用出線均在解備位置。

2.2 事故動(dòng)作報(bào)告

圖1 110kV變電站接線圖

2009年6月11日21時(shí)43分，110kV變電站后臺(tái)機(jī)報(bào)“10kVⅡ母PT接地”時(shí)，正當(dāng)值班人員準(zhǔn)備進(jìn)一步查清信號(hào)，然后進(jìn)行選擇接地板次時(shí)，突然聽(tīng)到高壓室傳出一聲巨響，走到離高壓室不遠(yuǎn)處，看到高壓室一片火光，里面煙霧彌漫看不清任何設(shè)備。事故發(fā)生后檢查發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)主變低壓側(cè)開(kāi)關(guān)已事故跳閘，10kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)和10kV I母、II母C相電壓互感器以及母聯(lián)開(kāi)關(guān)相鄰的兩條備用出線板上刀閘已經(jīng)相繼燒毀。

以下是當(dāng)時(shí)保護(hù)裝置上顯示的故障信息：

3 事故過(guò)程分析

認(rèn)真分析這次事故時(shí)各裝置記錄的錄波信息如圖2～3所示，我們可以看到10kV I母C相電壓有一個(gè)突變脈沖比其他兩相電壓高出約1.5倍， 2#變B、C（非故障相）電壓約為正常電壓1.7倍。結(jié)合各項(xiàng)事件記錄，可以設(shè)想事故過(guò)程是這樣的：10kV II母A相在某處（站外配電線路可能性大）發(fā)生非金屬性不完全接地，接地電容電流在5～20A上下，電弧燃、熄反復(fù)，形成單相弧光接地，使10kV II母A相電壓下降到15V左右，B、C兩相電壓升高到9kV上下并伴有較高諧波（過(guò)電壓），24.33s后使10kV II母C相PT、城1001開(kāi)關(guān)C相斷口絕緣擊穿；開(kāi)關(guān)絕緣擊穿導(dǎo)致過(guò)電壓竄入10kV I母，致I母C相PT絕緣擊穿；母聯(lián)開(kāi)關(guān)C相斷口絕緣擊穿后形成的短路電流導(dǎo)致真空管爆炸，造成該柜內(nèi)兩相并發(fā)展為三相短路；由于此時(shí)短路電流較大，短路電弧造成三組刀閘燒毀。2#變、1#變低后備保護(hù)過(guò)流I段、復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流I段II時(shí)限相繼啟動(dòng)，發(fā)生接地故障后延時(shí)24.39s后相繼跳開(kāi)了2＃主變、1＃主變低壓側(cè)開(kāi)關(guān)、延時(shí)24.7s后跳開(kāi)10kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)。

圖2 10kV I母三相電壓故障錄波

4 事故原因分析

4.1 單相弧光接地過(guò)電壓為故障發(fā)生的主要原因

當(dāng)10kV II母A相發(fā)生單相接地故障時(shí)，系統(tǒng)處于異常運(yùn)行狀態(tài)，由于單相接地電流是電容性的，一般不超過(guò) 10A，電弧既不容易自行熄滅，又不足以穩(wěn)定重新燃燒，因而發(fā)生間歇性重燃現(xiàn)象。電弧每次間歇性重新燃燒都引起整個(gè)系統(tǒng)對(duì)地電磁振蕩，并且前后過(guò)程相互影響，振蕩逐步加強(qiáng)，使系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)電壓。后臺(tái)機(jī)報(bào)“10kV II母A相接地”，使非故障相上出現(xiàn)弧光接地過(guò)電壓情況。經(jīng)計(jì)算表明，發(fā)生單相弧光接地時(shí)過(guò)電壓的最大值將達(dá)到：Umax=1.5Um+(1.5Um-0.7Um)=2.3Um，單相弧光接地的過(guò)電壓瞬時(shí)幅值最大可以達(dá)到20.4kV。如果弧光接地在接地點(diǎn)造成弧光間隙性反復(fù)燃燒，那么產(chǎn)生的過(guò)電壓倍數(shù)將遠(yuǎn)大于 2.3倍。根據(jù)有關(guān)資料介紹，在國(guó)外有些專(zhuān)家對(duì)單相弧光接地進(jìn)行了實(shí)測(cè)，其結(jié)果顯示，過(guò)電壓幅值高達(dá)正常相電壓幅值的3～3.5倍。在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，容易產(chǎn)生較高的過(guò)電壓，強(qiáng)烈的過(guò)電壓可使空氣絕緣被擊穿，形成弧光短路；其一旦產(chǎn)生就將會(huì)在電力網(wǎng)絡(luò)絕緣薄弱環(huán)節(jié)形成閃絡(luò)放電，將絕緣破壞，造成相間短路或者損害電氣設(shè)備。

由于電力系統(tǒng)可以看作是一個(gè)由許多具有電感性、電容性的元件所組成的復(fù)雜電路，故障的出現(xiàn)使電力系統(tǒng)從一種電磁狀態(tài)過(guò)渡到另一種電磁狀態(tài)，這種過(guò)渡過(guò)程必須經(jīng)過(guò)高頻振蕩過(guò)渡過(guò)程，通過(guò)電弧接地點(diǎn)的高頻振蕩電流最大（可達(dá)數(shù)百安培），時(shí)間短，振蕩電流可達(dá)到高出穩(wěn)態(tài)下電流的很多倍。

目前電力系統(tǒng)6～35kV中性點(diǎn)采用的是不接地運(yùn)行方式，這種方式對(duì)其本身來(lái)說(shuō)雖然有它的諸多優(yōu)越性，根據(jù)《電氣事故處理規(guī)程》的規(guī)定，在出現(xiàn)單相金屬性接地時(shí)，可以運(yùn)行1～2h，在出現(xiàn)單相弧光接地時(shí)可以運(yùn)行15m in，這對(duì)于電力用戶(hù)來(lái)說(shuō)其可靠性相對(duì)較好。但是實(shí)際上一旦產(chǎn)生弧光接地，過(guò)電壓以及大的接地電流對(duì)電氣設(shè)備的損壞是迅速的，根本就沒(méi)有15m in的時(shí)間留給值班人員進(jìn)行分析、判斷和處理。

4.2 鐵磁諧振過(guò)電壓也是可疑的原因

該110kV變電站10kV I、II母PT沒(méi)有采用用四只PT的接線方式，無(wú)法提高PT的零序勵(lì)磁特性，從而提高PT的抗燒毀能力。但是應(yīng)注意到，單相接地使中性點(diǎn)出現(xiàn)零序電壓，三相PT中產(chǎn)生零序電流，經(jīng)電源形成回路，當(dāng)Ln與3 C0在某頻率下參數(shù)值匹配時(shí)，得以流通，從而在3 C0上建立與各相電源電壓疊加，產(chǎn)生鐵磁諧振過(guò)電壓，維持PT飽和，從而形成持續(xù)一段時(shí)間的鐵磁諧振。勵(lì)磁電流劇增數(shù)十甚至一百倍，并形成鐵磁諧振過(guò)電壓，也是導(dǎo)致10kV I、II母PT燒毀現(xiàn)象發(fā)生的一個(gè)可疑的原因。

5 防范措施

5.1 采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式

消弧線圈是一個(gè)鐵心可調(diào)節(jié)的電感線圈，將它安裝在接地變中性點(diǎn)處，這樣系統(tǒng)一旦發(fā)生單相接地（不針對(duì)弧光接地高頻分量）時(shí)，可形成一個(gè)與接地電流大小近似相等、方向相反的電感電流與容性接地電流相補(bǔ)償，從而達(dá)到限制接地電流，避免在接地點(diǎn)形成弧光。同時(shí)即使是運(yùn)行方式發(fā)生變化，使消弧線圈的補(bǔ)償度或脫諧度發(fā)生變化，而產(chǎn)生弧光接地，燃弧后電容的充放電電流要經(jīng)過(guò)消弧線圈流回，而不會(huì)在故障點(diǎn)形成多次弧光重燃，這樣就有效地避免了接地點(diǎn)的間歇性燃弧，達(dá)到揚(yáng)制弧光過(guò)電壓的目的。同時(shí)在經(jīng)過(guò)精確測(cè)試現(xiàn)有系統(tǒng)的單相接地電流的基礎(chǔ)上，合理地設(shè)計(jì)和選擇好消弧線圈，可以將接地電流限制在5A以下，以確保電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

電網(wǎng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）降低了電網(wǎng)絕緣閃絡(luò)（如雷擊閃絡(luò)）接地故障電流的建弧率，減少了線路跳閘率。

（2）金屬性接地故障時(shí)，可帶單相接地運(yùn)行，改善了電網(wǎng)不間斷供電，提高了供電可靠性。

（3）接地工頻電流（即常稱(chēng)的殘流）小，降低了地電位升高，減小了跨步電位差和接地電位差，減小了對(duì)低壓設(shè)備的反擊以及對(duì)信息系統(tǒng)的干擾等。

值得注意的是，現(xiàn)行所有以消弧線圈設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償或自動(dòng)調(diào)諧是在電網(wǎng)工頻（50Hz）下完成的。電網(wǎng)在單相間歇性電弧接地時(shí)刻，在健康相（非故障相上）發(fā)生的弧光過(guò)電壓和通過(guò)電弧接地故障點(diǎn)的總電流是幅值較大的高頻電流，而電網(wǎng)電容和消弧線圈電感在高頻下，兩者頻率特性是完全不同的，兩者在高頻下是不可能互相補(bǔ)償或調(diào)諧的。

5.2 小電流接地選線設(shè)置為跳閘

利用小電流接地裝置判斷 10kV各分板接地電流情況，通過(guò)保護(hù)裝置設(shè)置為跳閘，可以有效避免因?yàn)榻拥毓收显斐墒鹿蕯U(kuò)大。

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