電壓互感器二次繞組多點接地故障分析

于平

（華北電力大學，北京102206）

電壓互感器二次繞組多點接地故障分析

于平

（華北電力大學，北京102206）

并聯補償電容器組由于放電電壓互感器二次繞組多點接地，致使部分電容器短路，不平衡保護動作。根據電容器故障跳閘的現象，分析故障發生的原因，查找故障點，并提出相應整改措施。

二次電壓；接地；短路；故障

0 引言

某變電站35 kV系統為單母線分段接線，Ⅰ段母線裝有1號并聯補償電容器組，Ⅱ段母線新安裝2號并聯補償電容器組。由于新安裝2號電容器組放電TV二次繞組多點接地，二次電壓回路短路構成一次設備短路，致使其2號電容器組投運失敗。

1 電容器組接線、保護配置及故障現象

1.1 電容器組接線

1號、2號電容器組分別為廣西桂林電力電容器公司和上海庫柏電力電容器公司生產的TBB35-10008/417-ACW型產品，容量10 008 kvar，均采用三相星形接線，各相為串并聯組合接線方式，并裝設并聯放電TV（由一體的兩個相同的電壓互感器TV1和TV2組成），為限制合閘涌流和抑制高次諧波，其入口處裝設串聯電抗器，接線（單線圖）如圖1所示。

圖1 電容器組接線（單線）

1.2 保護配置及定值整定

1號、2號電容器組裝設四方公司CSC-221A型保護裝置，配置有速斷保護、過流保護、過電壓保護、欠電壓保護和不平衡電壓保護，TA變比800／5，放電TV（兼作不平衡電壓保護用電壓互感器）變比為，保護定值如表1所示。

1.3 故障現象

2號電容器組安裝工作竣工，經驗收合格可以投產送電。現場值班員根據調度指令投運2號電容器，當合上2號電容器324斷路器后，324斷路器隨即跳閘。經檢查，保護裝置為不平衡保護動作，不平衡電壓148 V（二次值）。

2 故障分析

現以A相為例進行分析，設系統相電壓為U，C11～C24各單臺電容器的容抗為xc0，AX間阻抗為Xc，A1X1間阻抗為Xc1，電壓為U1，TV1二次電壓為u1，A2X2間阻抗為Xc2，電壓為U2，TV2二次電壓為u2，不平衡電壓二次值為ubph=|u1-u2|（一、二次電壓均指有效值）。

正常運行時

表1 保護定值

2.1 一次設備故障

2.1.1 電容器組中1臺電容器開路

若內部熔斷器熔斷或接線松脫等均可引起電容器開路。以C11開路為例，則等值電路如圖2所示。

圖2 1臺電容器開路等值電路圖

2.1.2 電容器組中1臺電容器短路

若電容器組中1臺電容器短路，則該并聯分組的兩臺電容器均被短路，以C11短路為例，則等值電路如圖3所示。

圖3 1臺電容器短路等值電路圖

2.1.3 兩串聯電容器組各有1臺電容器開路

若電容器組A1X1（或A2X2）間兩串聯電容器分組各有1臺電容器開路，例如C11和C13同時開路，則等值電路如圖4所示。

圖4 兩串聯電容器分組各有1臺電容器開路等值電路圖

2.1.4 兩并聯電容器同時開路

若電容器組A1X1（或A2X2）間同一分組相并聯的兩臺電容器同時開路，則A1X1（A2X2）間電容器開路。由于放電TV的勵磁阻抗遠大于A2X2（A1X1）間電容器的容抗，系統電壓全部加在A1X1（A2X2）間的放電TV1（TV2）上。例如C11和C12同時開路，則等值電路如圖5所示，系統電壓全部加在A1X1兩端。

2.1.5 兩串聯電容器分組同時短路

若A2X2（或A1X1）間兩串聯電容器分組同時短路，系統電壓全部加在A1X1（或A2X2）兩端。例如C21和C23同時短路，則等值電路如圖6所示。

圖5 兩臺并聯電容器開路等值電路圖

圖6 串聯電容器分組同時短路等值電路圖

以上5種故障類型的計算均以三相對稱故障為前提。不對稱故障時（例如僅為一相故障），電容器組中性點將發生位移。故障相相對非故障相阻抗增大時，該相電壓U將升高，不平衡電壓亦會隨之增大；故障相相對非故障相阻抗減小時，該相電壓將降低，不平衡電壓亦會隨之減小。非故障相電壓雖然也會隨之變化，但是由于串聯的兩部分電容器阻抗相等，所以沒有不平衡電壓輸出。

根據以上分析，前3種故障情況下不平衡電壓大于不平衡保護定值，不平衡保護能夠可靠動作，但不平衡電壓的計算值（36 V和62 V）與保護裝置的測量值148 V相差甚遠，超出了誤差的可能性。后兩種故障類型下不平衡電壓計算值（184 V）與保護裝置測量值（148 V）雖有差別，但比較接近。應該注意的是，后兩種情況下，加在承受系統全部相電壓的放電TV1（或TV2）上的電壓為其額定電壓的1.8倍，這將使鐵心磁通大大飽和，致使二次電壓有效值小于計算值，并且由于波形發生嚴重畸變，二次電壓包含大量高次諧波，基波電壓值則比有效值還要低。保護裝置經A／D回路濾波后實際測量的是基波電壓，所以測量值比計算值要小得多［1］。考慮這些因素，保護裝置的測量值小于計算值可以得到合理的解釋，因此，后兩種類型故障的可能性很大。

2.2 保護裝置及二次回路故障

保護裝置誤動作。保護裝置由于軟件出錯、硬件故障或定值整定錯誤而誤動作。

不平衡保護二次電壓回路接線錯誤。若放電TV只有一個二次繞組電壓接入不平衡保護，則不平衡電壓ubph＝u1＝u2＝92 V。若放電TV兩個二次繞組不是進行反向連接，而是順向連接，正常運行時不平衡電壓ubph＝u1＋u2＝184 V。

保護裝置交接驗收時，不平衡保護按有關規定進行加壓傳動試驗，加入試驗電壓值大于其整定值時均可靠動作，裝置動作信息顯示的測量電壓值亦與所加試驗電壓值相符，而小于整定值時未發生誤動作。此次故障保護裝置動作信息顯示不平衡電壓測量值達148 V，說明確實有較大的不平衡電壓輸入裝置，保護裝置故障致使誤動作的可能性可以排除。

若放電TV只有一個二次繞組電壓接入不平衡保護，不平衡電壓計算值為92 V，即使母線實際運行電壓高于額定值10%，不平衡電壓也不過在100 V左右，和保護裝置的測量值（148 V）相差較大。若放電TV兩個二次繞組順向連接，不平衡電壓計算值為184 V，與2.1.4、2.1.5兩種類型故障計算值相同，和保護裝置此次故障測量值（148 V）比較接近。但是，與2.1.4、2.1.5類型故障不同的是，2.1.2故障情況下放電TV工作在額定電壓下，鐵心不會飽和，二次電壓波形不會發生嚴重畸變，所以TV和保護裝置A／D回路測量誤差均應在較小范圍內，保護裝置的測量值與計算值產生如此大的誤差應無可能。所以這兩種接線錯誤致使不平衡保護動作的可能性也較小。

3 故障查找

3.1 一次設備檢查

根據對故障現象進行的分析，故障應屬于2.1.4或2.1.5類型。但是2號電容器組經外部檢查，一次設備接線正確，設備未發現異常現象。轉檢修后，電氣試驗專業人員測試，各項指標數據與設備交接試驗數據一致，均在合格范圍之內，因而排除了一次設備故障的可能性。

3.2 保護裝置及二次回路檢查

2號電容器保護裝置不平衡電壓保護經加壓傳動試驗未發現異常，核對2號電容器端子箱及保護裝置二次接線與圖紙相符，未發現施工接線錯誤。

2號電容器為二期擴建工程項目，安裝施工接線圖為套用一期工程1號電容器的圖紙。安裝施工人員對1號、2號電容器一、二次設備進行對比檢查，希望能從兩期工程的設備及安裝差異中找出答案。

不平衡保護電壓回路接線如圖7所示。

圖7 不平衡保護接線圖（設計圖）

經對比檢查發現2號電容器組的每相放電TV本體兩個二次繞組連接處（x1x2、y1y2、z1z2）各有一個接地點，這是1號電容器組所沒有的，它是根據2號電容器組成套設備生產廠家要求裝設的。2號電容器組不平衡保護二次電壓回路實際接線如圖8所示。

2號電容器組各相放電TV本體兩個二次繞組的連接處（x1x2、y1y2、z1z2）的接地點，與a2、b2、c2在端子箱的公共接地點，通過大地將a2x2、b2y2、c2z2繞組短接［2］。

2號電容器組一、二次單相等值接線如圖9所示。

圖8 不平衡保護現場接線圖

圖9 電容器組現場實際接線（單線）等值圖

從圖9可以看出，放電TV兩個二次繞組雖做反向連接，但由于兩繞組連接處（x1x2、y1y2、z1z2）接地，該接地點與端子箱中的三相公共接地點通過大地構成通路，致使a2x2、b2y2、c2z2二次繞組短路。此時，進入保護裝置的不平衡電壓其實為一個繞組（a1x1、b1y1、c1z1）的二次電壓。放電TV二次沒有裝設短路保護，二次繞組短路后故障無法切除。二次繞組短路時，放電TV2的短路阻抗與相應的電容器并聯。由于放電TV2的短路阻抗很小，相當于將這部分電容器短路，實際等同于2.1.5類型故障，系統電壓全部加在A1X1、B1Y1、C1Z1兩端，TV1的一次電壓達正常運行值的近兩倍，二次繞組輸出電壓計算值達184 V（由于TV鐵心飽和等因素，實際保護測量值略低），使得不平衡保護動作跳閘，將電容器切除。

4 改進措施

方案一。按照一期工程1號電容器組安裝接線對2號電容器組接線進行改動，即拆除其放電TV本體處各相二次繞組的接地點。

方案二。拆除2號電容器組端子箱內放電TV二次繞組的接地點，并拆除端子箱及保護裝置端子排三相繞組a2、b2、c2端子之間的短接連片，在端子箱至保護裝置間增加兩根導線，將端子箱端子排a2、b2、c2端子與保護裝置端子排a2、b2、c2端子一一對應連接，使不平衡保護各相電壓形成獨立回路，每個獨立的二次電壓回路各有且只有一個接地點。

圖10 整改后不平衡保護接線圖

考慮到放電TV本體處二次繞組的接地點是按照廠家成套設備的要求裝設的，若拆除需要和廠家溝通并取得其同意，而端子箱至保護裝置的電纜尚有多余線芯可以利用，為了盡快消除故障點將2號電容器投運，確定采取第二種方案進行整改。

采用第二種方案整改后的不平衡保護二次電壓回路接線如圖10所示。

不平衡保護接線通過整改，2號電容器組順利投產運行。

5 結語

這是一起由二次電壓回路多點接地構成短路而造成的一次回路短路故障。二次電壓回路的多點接地致使部分電壓短路，其電壓不能輸入不平衡保護，從二次回路看，保護屬于接線錯誤誤動作。但電壓互感器二次短路不僅僅是二次短路，故障必然經電磁感應傳遞到一次回路，同時導致一次設備短路。從一次回路看，由于部分電容器短路，不平衡保護動作又是正確的，發揮了保護電容器組免遭損壞的作用。值得深思的是，由于設計、安裝及驗收等各環節的疏漏，故障點通過多個關卡都未能在投產前發現并消除，造成本不應該發生的故障，應當引以為戒，并且在施工中對于未裝設短路保護的二次電壓回路應予以特別關注，必要時采取措施，以防止二次回路短路不能切除而構成一次回路故障。

［1］楊奇遜.微機型繼電保護基礎（第三版）［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［2］國家電網公司.重大反事故措施［M］.北京：中國電力出版社，2012.

The Equipment Fault Analysis Caused by the Secondary Winding Multipoint Grounding

Due to the discharge of shunt capacitors，the secondary winding of voltage transformer multipoint grounding occurs.This causes part of the capacitor short circuit and the unbalance protection performs.According to the capacitor fault tripping performance，we analyse the causes of failure，look for the point of failure，and put forward the corresponding improvement measures in this paper.

secondary voltage；grounding；short circuit；fault

TM451

：B

：1007-9904（2014）03-0038-05

2014－01－22

于平（1985—），女，從事調度運行工作。