單一電源變電所缺相故障分析及處理對策

李彥吉

(北京鐵路局 石家莊供電段,河北邯鄲056002)

在大電流接地系統中,輸電線路單相斷線、斷路器跳開一相、線路重合閘過程中一相拒合及短期非全相運行等,均屬于斷相狀態。它與短路形成的橫向故障不同,屬于縱向故障。斷線故障雖然沒有短路故障嚴重,但也對系統運行和繼電保護有一定的影響。

1 現狀調查

電氣化鐵路不對稱負荷產生的高次諧波、負序對運行中導線的沖擊電動力,使電網、線路的運行環境惡化,隨著運行時間的延長,線路、開關的故障幾率也將逐年增加。

近年來,牽引變電所由于110 kV進線斷線和斷路器故障而造成的缺相事故屢有發生。2006年4月由于地方供電局車寄變電所156少油斷路器噴油,致使京廣線某變電所缺相運行,事故造成牽引變電所停電2.5 h。2008年6月朔黃線某變電所進線斷線、斷線相避雷器多次動作、運行變壓器中性點避雷器爆炸、倒換為交叉運行方式后備用變壓器中性點避雷器爆炸,事故造成變電所停電長達10 h。

現有的牽引變電所進線部分既有保護包括失壓保護、零序過電流保護兩種。零序過電流保護靠裝在變壓器中性點上的電流互感器實現,但運行中只有在投切主變壓器時才會短時合上中性點隔離開關、正常方式下應供電局要求斷開,相當于零序過電流保護沒有投入。

進線失壓保護分兩種,現在普遍采用的做法是在進線開關外側某一相上設置抽壓裝置如京廣線、京九線等。在非檢壓相斷線時、現有配置的牽引變電所任何保護都不會動作,只是出現110 kV母線電壓異常、可能27.5 kV某一相電壓顯著降低引起該相電容器系統、動力變跳閘。依現有處理原則,在值班員或機車司機發現后,可采用手動退出既有運行系統、投入備用系統的方案:倒入直列運行,在退出備用系統時,須合上中性點隔離開關,因缺相時、零序電壓的存在,合上中性點開關必然造成主觸頭的燒損,備用系統投入時間過長、同時一次側零序電壓在變壓器副邊△接線產生較大的零序電流、危及變壓器絕緣;為了縮短不正常運行時間,有的變電所采取投入交叉運行的方式,因為缺相條件繼續存在,造成分斷中性點開關時,備用系統開關主觸頭的燒損、避雷器爆炸。

有些變電所采取的是省略抽壓裝置,用進線開關內側用于計(測)量的三相電壓互感器取代檢壓,這樣可以實現檢三相電壓的目的,單相失壓時保護一般能夠準確反映,但為了防止壓互二次保險熔斷等保護誤動、一般設置了低壓閉鎖,在只有一次側電壓降低、而二次側電壓正常時閉鎖失壓保護,而二次側只是在α β相分別設置了母線電壓互感器、在一次側如β相缺相時,△接線的二次兩個母線電壓不變或降低很小,致使失壓保護被閉鎖。因此,研究牽引站等單一電源變電所缺相運行下的狀態,增加適應性保護和擬定合理的倒閘原則,是必須要做的事情。

2 理論分析

2.1 缺相運行狀態分析

京廣線某牽引變電所接線方式是大電網系統送電到車寄站110 kV母線,經156開關向變電所2#B系統送電。

2006年4月該變電所B相電容系統206DL失壓保護動作,經檢查發現中信盤II回進線表計顯示不正常,110 kV側電壓指示 A—C為65 kV、B—C為65 kV、A—B為 110 kV,27.5 kV側電壓指示A相 27 kV,B相11 kV。通過驗電發現2#B系統C相無電(對應電網A相),判斷為進線缺相運行。

(1)向量法分析

正常情況下,牽引變電所中性點開關斷開。高壓側未發生故障時,向量如圖1,27.5 kV側線電壓:

在出現A相斷線時,變壓器A相進線端開路,中性點電位發生偏移,由對稱性可知,此時向量變化為圖2。

圖1 變壓器高壓側電壓向量圖

圖2 中性點偏移示意圖

由圖2可知,高壓側A相斷線時,中性點電壓偏移最大值為:

對于220 kV系統偏移值為73 kV。由此可見,如若發現斷線,倒換運行方式時、按正常倒閘順序去操作中性點開關,由于零序電壓的存在,將會產生弧光放電、燒壞隔離開關觸頭。此時,變壓器高壓線圈BY、CZ上的電壓,線圈AX上的電壓為0,因此低壓側電壓為:

按牽引供電系統α、β相分別設置母線電壓互感器的方式,此時電壓分別指示27.5 kV,13.75 kV;B相缺相時,電壓指示均為23.82 kV。

(2)復合序網

電力系統正常運行方式,220 kV環網運行、110 kV系統解環運行,110 kV系統接地、接地點在220 kV站,110 kV降壓變壓器中性點不接地。在出現一相斷線時如A相,不難看出故障處的邊界條件Ia=0,Ub=Uc=0,其相應的各序分量邊界條件為I(1)+I(2)+I(0)=0,U(1)=U(2)=U(0),故復合序網圖如圖3[1]。

圖3 復合序網圖

此時,在牽引變電所中非故障相中的電流大小相等、相位相反,且只有正序分量和負序分量。而220 kV母線電壓基本保持不變、牽引變電所110 kV母線非故障相電壓變化也很小,所以,該情況下220 kV地方變電站的所有零序保護均會拒動。

(3)27.5 kV母線產生零序電壓

由于變壓器中性點不接地運行,零序阻抗為∞、零序電流為0,但零序電壓通過高低壓線圈間電容和低壓側對地電容所組成的電容回路傳遞給變壓器低壓側,使27.5 kV母線產生零序電壓。按=4 000 pF、變壓器空載=12 000 pF計算,此時低壓側產生較高的零序電壓,約為高壓側的1/4,即 9.13 kV。

當變壓器低壓側帶有負荷,接觸網采用 LXGJ-100+TCG-120接觸懸掛、接觸網導高6 000 mm、結構高度1 100 mm,供電臂長度23 km。在線路空載的狀態下,用鏡像法根據求得導線對地電容C0為1.8×10-7F,此時低壓側零序電壓約為0.4 kV。

2.2 缺相運行后引發諧振

(1)缺相

2008年6月朔黃線某牽引變電所1#B中性點避雷器爆炸,供電電調遠動操作將變電所設備倒換為交叉運行。當倒閘操作完畢斷開2#B中性點接地隔離開關1 092后,又發生2#B中性線避雷器爆炸,1 092觸頭放電燒傷故障。之后,2#B停止運行,變電所全所停電。

(2)避雷器損壞

在缺相的情況下,發生了斷線諧振,其過電壓倍數達到2.0×10-6～3.0×10-6,但當避雷器損壞擊穿接地時,諧振立即消失。經查本次故障擊穿避雷器型號為Y1W-60/144,故障前其裝設的在線監測儀指示正常、其帶電、預防性試驗均合格,應該完全可以承受線路傳輸的雷電波。但氧化鋅避雷器只能承受1.3倍設備對地電壓峰值的過電壓、對于過高的工頻以及2、3、5倍工頻頻率的諧振是無法承受的?，F場檢查發現避雷器在線監測儀下端發黑,并有放電燒傷痕跡,且計數器多次動作。從避雷器內部擊穿的情況來看,閥片擊穿面積很大,外部所包環氧樹脂筒全部碳化、呈嚴重過熱現象,屬工頻擊穿,分析認為缺相運行時發生了工頻諧振。

(3)等值電路圖

缺相后,避雷器未擊穿接地時,系統的等值電路如圖4。

圖4 諧振時等效電路圖

其中C12為A、C兩相對B相的相間電容,CA、CC為A、C相對地電容,因直接接地不參與諧振,CB為線路缺相后B相對地電容,L為主變110 kV B相勵磁電抗。

由于C12較小,與 L并聯之后仍呈感性,再與CB形成串聯諧振,諧振的主體為B相電感與對地電容,故B相母線電壓最高,B相避雷器擊穿的可能性也最大;同時中性點電壓占到諧振電壓的1/3左右,發生擊穿的幾率也很大[2]。

3 解決方案

缺相故障與高阻接地故障一樣,由于短路電流較小,送電側母線電壓基本保持不變,反映接地的零序保護、主變壓器的間隙保護一般不會動作跳閘,必須增加新型保護裝置。

3.1 諧振保護

受電的牽引變電所出現缺相時,多數情況下是由于變壓器斷線相勵磁電抗與對地電容產生諧振,造成斷線相、中性點避雷器多次重復動作,對于能量無限的過電壓引起避雷器爆炸。因此,再出現諧振是必須予以盡快破壞諧振發生的條件,切除故障線路,可利用分相諧振時出現電流、電壓的極值構成諧振保護。

3.2 缺相保護

(1)缺相接地

對于缺相后出現接地時(包括避雷器擊穿),220 kV站110 kV線路的零序過電流保護會動作,可能會引起220 kV站主變壓器的后備保護動作,能夠切除故障線路。不管地方變電站保護動作與否,牽引變電所必須有所反應。利用接地時高壓側出現的零序電壓、零序電流,低壓側引入所用電的二次電壓也會出現不對稱構成缺相接地保護。

(2)缺相未接地

缺相未接地時,高壓側會產生零序電壓、因中性點不接地無零序電流,但高壓側健全兩相電流大小相等、方向相反、且只有正序分量和負序分量,利用此特征構成缺相未接地保護。

3.3 自動投入備用系統

在出現諧振、變壓器缺相時,首先跳開本側斷路器(不合中性點開關),按直列方式投入備用系統。

3.4 電壓異常預告閉鎖

計算高低壓側的零序電壓,當檢測到二者只有一個超標時,給出“電源側(負荷側)PT斷線”,并可選擇閉鎖保護裝置。

4 結束語

2009年10月按本方案思路制作的測控裝置安裝在京廣線磁縣變電所,并通過了北京鐵路局的技術鑒定?，F場模擬試驗表明,該裝置可在牽引變電所出現缺相時,能夠即時判斷,防止線路產生斷線諧振損壞設備、進行合理操作杜絕不當倒閘引起的中性點隔開、進線斷路器以及變壓器絕緣的損壞和接觸網停電問題的發生。

本方案除適用于電氣化鐵路各種接線的牽引供電系統外,在普遍設立終端變電站的廠礦企業也可參考使用。

[1] 陳 珩.電力系統穩態分析[M].北京:中國電力出版社,1998.

[2] 肖永卿.110 kV線路斷線引發的諧振故障原因分析[J].內蒙古電力技術,2006,(3):27-28.