抽水蓄能電站廠用供配電系統故障研究

王　昕

國網新源控股有限公司 電力檢修分公司　北京　100868

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抽水蓄能電站廠用供配電系統故障研究

王昕

國網新源控股有限公司 電力檢修分公司北京100868

摘要：對某抽水蓄能電站上水庫交、直流系統供電故障進行了分析，提出了解決方法，并針對該問題對地下廠房所有低壓配電柜進行檢查，消除設計、施工造成的缺陷和隱患，同時為其它蓄能電站出現類似問題提供了有益參考。

關鍵詞：蓄能電站; 交直流系統; 系統故障

Abstract:Proposed a solution based on the analysis of the malfunctions involving AC and DC power system in a head reservoir of a pumped storage station and check all low voltage distribution cabinets in underground powerhouse against the malfunctions to eliminate any defects and hidden dangers caused by design and construction, in the meantime it will provide a useful reference for similar problems at other storage power stations.

Key Words:Storage Power Station; AC/DC System; System Malfunction

某抽水蓄能電站配有10kV、400V交流供電和220V直流供電系統，分段運行，互為備用，分別給上水庫、下水庫和地下廠房設備供電。該蓄能電站400V的廠用電系統，除照明供電回路外，均為TN-C系統(如圖1所示)，中性線N和PE線合并為PEN線，在三相負載不平衡時，PEN線上有電流。因此，所采用的保護裝置要得當，當單相短路電流大于整定電流的1.5倍時，應能迅速動作。另外，PEN線應有足夠大的導線截面積。該接線方式最明顯的作用是迅速切斷故障和限制電壓，具體表現為： ① 在單相短路故障時，短路電流越大，保護裝置動作越快，反之動作越慢，短路電流為Id=U/Z，表明單相短路電流取決于配電系統電壓和相零線回路阻抗；② 當一相發生接地故障時，接地電流I經故障設備的接地電阻Rd和工作接地電阻R0構成回路，并引起各相對地電壓發生變化，當R0≤4Ω時，中性點位移電壓受到限制，即可把中性點(零線)對地電壓Und限制在50V以下，此時未接地兩相對地電壓不會超過250V，即被限制在低壓范圍內。

圖1　TN-C系統

1故障現象

蓄能電站廠用供配電系統曾出現過多次故障，其故障情況記錄如下。

故障一。上水庫2號變壓器10kV進線開關跳閘，報警信息為“變壓器溫度故障”，經檢查是由于上庫直流系統2號充電模塊燒損引起直流電源負母

線接地所致。更換新的充電模塊后，絕緣對地正常，此時負母線對地約為-89.6V，正母線對地約為126V，在正常運行變化范圍內。

故障二。上水庫再次出現直流系統接地故障，經檢查系上水庫直流系統1號充電模塊所引起，拔出充電模塊后，直流系統接地故障消失，此時負母線對地約為-89.6V，正母線對地約為126V，充電模塊能正常運行。

故障三。斷開T2變壓器低壓側開關，測量該開關進線電壓，發現所測得的電壓值和表1中 400V Ⅰ母進線各相測量值均相似，而不為零。

故障四。在進行T2變壓器隔離過程中，斷開T2變壓器高、低壓側開關，合上了高壓側地刀后，用萬用表測量時發現Ua、Ub和Uc及中性點Uo對地電壓為230V左右，而不為零。

2故障查找

檢查直流充電系統的交流輸入電源，發現電源存在電壓異常偏高和三相不平衡，根據以往經驗推測，該問題為直流系統的交流輸入過壓整流的R-C吸收回路存在電阻或者電容擊穿，從而引起交流輸入電源的不穩定。在斷開直流系統兩路交流輸入電源后，發現問題仍然存在，需要排除該類故障。由此對交流輸入電源回路進行了查找，測量了400VⅠ、Ⅱ母進線的2路直流充電輸入端的三相交流回路，發現問題仍然存在。再對上水庫兩臺變壓器低壓側400V配電柜三相進線進行測量檢查，發現存在表1中問題，即三相系統對N正常，對地不正常，其中B相對地電壓幾乎為零，可以得出B相有接地故障存在。

表1　上庫400VⅠ母進線和Ⅱ母進線電壓實測值

3故障分析

3.1　進線電壓實測值分析

該蓄能電站400V廠用電系統除照明供電回路外，均為TN-C系統，即400V變壓器低壓側為三相四線制，PE保護地線和N工作零線在400V低壓配電柜進行合并接地。造成表1所示的三相系統電壓不正常是由于中性點電壓偏移所致，引起該故障的原因為中性點工作零線未和保護地線合并，也未與配電柜連接接地，屬于IT系統(變壓器低壓側中性點不接地和保護接地系統)。由于故障點B相接地，引起中性點對地電壓不為零，由IT配電系統圖和B相接地向量圖(如圖2)可知，B相與地形成的電壓方程為：

圖2　IT配電系統及B相接地向量圖

UB′=UB+UO′=0

(1)

此時中心點對地電壓為：

UO′=-UB

(2)

其它兩相對地電壓：

(3)

(4)

在正常運行條件下，三相對地電容對稱，三相電容的電流之和為零。在發生單相接地的情況下，如B相接地，流過接地點的接地電流Id為：

Id=-(IBA+IBC)=-(jωCUA+jωCUC)

(5)

式中： C為電容值。

將式(3)、式(4)代入式(5)，得：

Id=-3jωCUB

(6)

由上述分析可知，當B相發生接地時，中性點對地電壓升高為相電壓，而非故障的A相和C相對地電壓升高為線電壓，但三相線電壓不變。因此，只要各相對地絕緣能夠承受線電壓，發生單相接地時對三相用電設備的運行無影響，這是中性不接地系統的一大優點，該類供電系統可靠性高，同時由于一相接地時，不能構成短路回路，系統中沒有短路電流，系統仍可繼續運行。

3.2　故障四的分析

根據400V系統接線圖(如圖3所示)可知，當斷開變壓器T2高壓側開關及低壓側開關2時，該臺變壓器即停電，此時合上400V母線開關，1母帶2母供電，由于變壓器T1和T2的中性點未引出接地且400V開關為三相開關，無法斷開中線，因此兩臺變壓器中性點連在一起且未斷開，故在被隔離的變壓器T2的低壓側有感應電壓。

圖3　400V系統接線圖

4故障結論及處理方法

針對上述描述和相關數據，得出以下結論。

(1) T1和T2變壓器低壓側、400V配電柜或饋線電纜均有存在B相接地點的可能，查找接地點需要同時將兩臺變壓器隔離，兩段400V開關、中性點分開，以防止隔離一臺變壓器時，感應電壓引起人身觸電危險。

(2) B相接地時，中性點對地電壓升高為相電壓，而非故障的A相和C相對地電壓升高為線電壓，但三相線電壓不變。出現該現象的主要原因為故障的中性點未進行接地，即該系統不是設計所要求的TN-C系統(三相四線制，工作零線和保護零線合一的變壓器接地系統)，而屬于IT系統。

(3) 上水庫兩臺變壓器低壓側的工作零線未接地，同時400V配電柜的工作零線和保護零線也未進行合一，致使400V進線開關未達到動作電流，不能切除故障，該供電方式下運行會造成設備損壞,嚴重時將引起變壓器的事故，可能發生火災。同時在發生單相接地且不被切除時，會影響設備的絕緣壽命，如若接地點發生在配電柜處，又因配電柜的接地電阻較大，若有人碰到配電柜外殼，將會發生人身觸電的事故。

(4) 根據上水庫配電系統的接線方式，檢查了地下廠房除照明變壓器及照明系統外的所有 400V 供配電系統，400V低壓側的工作零線和保護零線均未合一接地，均存在上述危險情況，嚴重影響廠用電系統和設備的安全運行，并對運行和維護人員的人身安全構成較大威脅。

根據電站故障分析與總結，提出了如下具體處理方法。

(1) 逐步分區域對上水庫變壓器、出線場和尾水變壓器系統、廠內公用變壓器、自用變壓器和下水庫大壩變壓器及其對應的400V配電柜進行整改，使之達到設計規范要求的TN-C系統，切實保護工作人員的人身安全。

(2) 經檢查，故障系上水庫庫地廊道的B相電纜接地而引起，故將該B相電纜斷開，僅用A相、C相供電。

中圖分類號:TM64

文獻標識碼:B

文章編號：1674-540X(2015)02-009-03

作者簡介：王昕(1974-)，女，本科，高級工程師，主要從事抽水蓄能電站設備檢修管理工作，E-mail: woyian@163.com

收稿日期：2015年3月