一起因線路接地引起負荷端變壓器跳閘的故障分析

田 野1 胡旭鋒2 王智華2 郝雁翔2（1.浙江大學電氣工程學院電氣工程及其自動化專業，浙江 杭州 310027；2.許昌供電公司，河南 許昌 461000）

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一起因線路接地引起負荷端變壓器跳閘的故障分析

田 野1 胡旭鋒2 王智華2 郝雁翔2
（1.浙江大學電氣工程學院電氣工程及其自動化專業，浙江 杭州 310027；2.許昌供電公司，河南 許昌 461000）

摘 要：某220kV變電站及其相連的兩座110kV終端變電站發生了一起連續跳閘事故，110kV主變間隙被擊穿，本文作者結合故障錄波數據和相量分析法，對該故障進行了詳細地分析，并對主變間隙擊穿的原因做了深入分析，并提出了處理方法和一些相關注意事項。

關鍵詞：變壓器；故障；間隙；負荷端

1. 故障前運行方式

xxxx年4月19日，雨夾冰雹，風力5～6級。許田站分列運行，I龍許2開關帶許1#變運行，II龍許2開關帶2#變運行，許110開關熱備用，許100開關熱備用，許351斷開，許350合位，許2#主變帶35kV兩段母線運行，兩臺主變中性點均不接地。110kV側為進線備自投，35kV側和10kV側為分段備自投，并且均在投入位置。龍井站側付龍2開關斷開。事故發生前三側電網運行方式如圖1所示。

2. 保護動作情況

2.1 付村站側保護動作情況：

付龍1線路保護零序II段、III段動作跳閘、付龍1接地距離II段動作跳閘、故障相為C相，故障測距8.6km；付龍1線路重合閘動作，不成功。故障錄波圖如圖2所示。

2.2 許田站側現場及保護動作情況：

II龍許2開關零序II段保護動作跳閘，故障相為C相，實測零序電流9.692A。

許2#主變放電間隙零序過流I、II保護啟動未出口。

II龍許2開關動作后，許2#主變低壓側母線失壓，10kV分段備自投動作，首先斷開許102開關，然后合上許100開關，許田站10kVII段母線恢復供電。故障錄波圖如圖3所示。

圖1　事故發生前三側電網運行方式

3. 故障檢查情況

事故發生后，現場對相關設備進行了全面檢查，經巡線人員調查發現：4月19日14時17分，在付龍線下施工的吊車曾誤碰付龍線路。運維人員現場檢查，發現許2#主變110kV中性點放電間隙電流互感器瓷裙有炸裂現象，放電間隙也有明顯放電擊穿的痕跡，并且，中性點CT末屏接地線燒斷。

4. 保護動作行為分析

4.1 付龍1線路保護跳閘

付龍1線路保護零序II段、III段、接地距離II段動作跳閘、故障相為C相，故障測距6.84km也與實際故障點相符，龍許1保護動作行為正確。付村站側零序等效網絡圖如圖4所示。

零序電流為：

式中：

EΣ——電源的合成電動勢；

Z0T1、Z0T2——變壓器的零序阻抗；

Z01、Z02——短路點兩側線路的零序阻抗。

4.2 龍許2線路保護跳閘

許田站側現場及保護動作情況分析：一般來講，付龍線發生接地故障時，付村站側付龍1線路保護零序II段、接地距離II段動作跳閘切除故障即可。許田站側由于主變中性點沒有接地，構不成零序電流回路，許田站側付許2線零序保護不會動作。其電流分布圖及相量圖如圖5所示：由于C相接地時，C相對地電容C0被短路，中性點電壓UN上升為相電壓（-EA），由圖5（b）可見，A、B、C三相對地電壓為

零序電壓為

則保護安裝處各相電流（未計負荷電流）：

其有效值為：

式中：Uph為相電壓。

但由于付龍線發生接地故障的同時，許2#主變110kV中性點放電間隙擊穿后，主變中性點實際形成了接地，零序網絡發生了變化，有零序電流流過許田站側，許田站側龍許2保護采集到零序電流，現場故障報告顯示，故障時二次側零序電流為9.692A（定值為6.5A/0.3S），故障相別為C相，因此，龍許2零序II段保護動作行為正確。

圖2　付龍線路故障錄波圖

圖3　II龍許線路故障錄波圖

圖4　零序等效網絡圖

由于實際故障點距離許田變較近，從距離上看，應屬于I段保護動作范圍，但由于零序I段按規定退出，接地距離保護從原理上抗過渡電阻能力就差，在加上接地距離I段動作定值相對較小，抗過渡電阻能力更低，故I段保護未能動作。過渡電阻問題將在下面詳細分析。

龍許2開關作為終端負荷側，且主變中性點不接地時，正常情況不向故障點提供短路電流，但間隙擊穿時，零序網絡發生變化，構成零序回路，存在零序電流，達到動作條件。

4.3 許2#主變保護高后備保護未出口

許2#主變保護高后備保護未動作出口的原因：查閱保護裝置動作記錄和許2#主變保護高后備保護定值，發現間隙過流保護動作時間為0.5s，其他后備保護動作時間均大于0.5s，龍許2零序II段保護動作時間為0.3s，因龍許2保護快速動作跳開開關，切除故障，許2#主變高壓側后備雖然啟動，但達不到動作時間就已返回（經過370ms后）。

4.4 許2#主變間隙保護未出口

間隙保護未出口的原因：間隙保護啟動后，由于間隙CT已經損壞，難以正確反映電流情況，且間隙保護動作時間為0.5s小于龍許2零序II段保護動作時間0.3s，達不到間隙保護動作條件。

間隙保護雖然在變壓器高后備中設置，但其作用是保護變壓器中性點設備，不與其他保護配合，是變壓器中性點設備的主保護。

5. 間隙擊穿原因分析

110kV變壓器中性點過電壓水平計算：

對于各種不同接線類型的網絡，從接地故障復合序網可知，單相接地故障時，故障點穩態零序電壓為

兩相接地故障時，故障點穩態零序電壓為

圖5　許田站側電流分布圖與相量圖

從上兩式可以看出，不對稱接地故障時產生的零序電壓取決于系統零序阻抗Z0與正序阻抗Z1之比。當Z0/Z1增大時，接地故障時產生的零序電壓亦相應增大。在電力系統中，有效接地系統的劃分標準為：在各種條件下，應使零序阻抗與正序阻抗之比為正值且小于3；當Z0/Z1≥3甚至Z0=∞時，則成為非有效接地系統。對于某一具體電網而言，在不對稱接地故障時，如果零序電流無法形成通路，亦即在該網絡中所有變壓器同時失去接地中性點時，這個網絡就成為局部不接地系統，從上兩式可知，不接地系統發生單相接地故障時，故障點零序電壓等于系統故障前相電壓。

通過對不對稱故障正序、零序網絡進行簡單的分析可知，在110kV系統中，只要保證電源端變壓器中性點有效接地，那么在各種條件下，零序阻抗與正序阻抗之比一定小于3。具體到該地區，只要保證220kV變壓器110kV側中性點有效接地，那么該變壓器配出的110kV網絡就一定是有效接地系統，即Z0/Z1＜3。若以Z0/Z1=3、系統相電壓U=73.0kV代入式中可以算出

在單相接地故障時，故障點零序U0為43.8kV。因此，在110kV有效接地系統中，不接地變壓器中性點最大對地偏移電壓小于43.8kV，小于分級絕緣變壓器中性點的設計耐壓值。

由此可以得出結論：對于目前110kV系統，在保證220kV變壓器110kV側中性點有效接地的情況下，各110kV終端變壓器中性點是否接地與系統及變壓器本體的安全運行沒有關系。

110kV變壓器放電間隙應為10.5cm～11.5cm（許2#主變110kV中性點放電間隙實測為11cm），理論擊穿電壓為3.8kV/cm～5.36kV/cm，按此計算放電間隙擊穿電壓在39.9kV～61.64kV。當時許田站側龍許2保護采集到零序電壓為78.23/1.414=55.325V，折算到一次為60.85kV，達到擊穿條件（故障時許田站正在下雨，絕緣降低）。

6. 間隙CT損壞原因分析

根據記錄數據，利用計算軟件中模擬計算，發生故障時，故障點（吊車碰線處）過渡電阻為4Ω、間隙擊穿點對地電阻13.5Ω時，計算數據與記錄數據基本吻合。

龍許2保護采集到的零序電壓反應的是110kV母線3U0，在間隙擊穿前，間隙電壓與此相同，間隙擊穿后，零序電壓按照歐姆定律分配，正常情況下，由于間隙下端直接接地，間隙又被擊穿，間隙兩側電壓（即間隙CT兩側），僅由弧光電阻和間隙CT阻抗分壓。由于弧光電阻僅有幾個歐姆，正常電流互感器本身阻抗也很小，他們之和（應小于13.5Ω）遠遠小于變壓器零序阻抗，故間隙擊穿后，間隙兩側電壓并不高，這也是間隙CT選擇絕緣等級10kV的原因。所以，間隙CT正常時，承受電壓不會大于設計能力，間隙CT不應該損壞。

去年發生過一次間隙擊穿，該互感器那時已有“內傷”，間隙再次擊穿時阻抗特性發生突變，造成該CT承受電壓增大，超過其承受能力，發生損壞。

結論

一起看似普通的輸電線路單相接地故障卻因負荷側主變間隙被擊穿演變成主變跳閘、間隙CT損壞等相互交織的復雜故障，在對此類復雜故障進行原因分析時，單單依靠故障錄波數據往往難以探究出故障的原因，在故障錄波數據的基礎上采用相量分析法再與保護整定計算相結合才能清晰地還原出整個故障演變過程，找出故障真正原因。此次故障也再次提醒我們，當主變間隙發生擊穿時，應及時對間隙CT及其二次回路進行仔細檢查，不能只以外觀檢查作為判讀依據，應通過相關試驗盡可能反應出設備內部的工作狀態，做出客觀的評估，以免類似事故再次發生。

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中圖分類號：TM41

文獻標識碼：A

Abstract：The continuous tripping accident of a 220kV substation and connected to the two seat 110kV terminal substation， 110kV main transformer gap breakdown， the author combines the fault data and phase analysis， the fault is analyzed in detail， makes a further analysis and the main transformer gap breakdown reason， and put forward the processing method and some relevant matters needing attention.

Keywords：Transformer； Fault； Clearance； Load side