一起線路故障引起主變中性點(diǎn)間隙擊穿的原因分析

張 強(qiáng) 吳紹武 王德全

（江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇 淮安 223002）

一起線路故障引起主變中性點(diǎn)間隙擊穿的原因分析

張 強(qiáng) 吳紹武 王德全

（江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇 淮安 223002）

某變電站110kV進(jìn)線線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，引起該變電站不接地主變中性點(diǎn)間隙零序保護(hù)動(dòng)作切除運(yùn)行中主變。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查及故障錄波圖，對(duì)線路故障而主變保護(hù)動(dòng)作的原因進(jìn)行了分析，并提出了針對(duì)性的建議，以保證系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行。

繼電保護(hù)；單相接地；間隙零序；間隙擊穿

在我國(guó)電力系統(tǒng)中，110kV系統(tǒng)屬于有效接地系統(tǒng)，110kV變電站中的主變大多采用分級(jí)絕緣且部分接地。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地短路等不對(duì)稱(chēng)故障時(shí)，不接地變壓器中性點(diǎn)可能出現(xiàn)較高的穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)過(guò)電壓，威脅著變壓器中性點(diǎn)的絕緣并可能造成中性點(diǎn)保護(hù)間隙的擊穿及相關(guān)保護(hù)的誤動(dòng)作。

1 故障經(jīng)過(guò)

1.1 故障前系統(tǒng)運(yùn)行方式

110kV陳新840開(kāi)關(guān)運(yùn)行，702開(kāi)關(guān)運(yùn)行，供2號(hào)主變負(fù)荷，110kV陳張 729開(kāi)關(guān)運(yùn)行，701開(kāi)關(guān)運(yùn)行，供1號(hào)主變負(fù)荷，110kV分段710熱備用，110kV備自投裝置投分段備投，1#主變中性點(diǎn)接地，2#主變中性點(diǎn)未接地，陳新線對(duì)側(cè)主變中性點(diǎn)接地運(yùn)行。故障前系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖1所示。

1.2 故障過(guò)程

2015年4月11日10時(shí)32分，110kV南陳集變2#主變高后備保護(hù)裝置間隙零序保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)702開(kāi)關(guān)；110kV陳新840線路失電，110kV備自投裝置動(dòng)作跳開(kāi)陳新840開(kāi)關(guān)，合上分段710開(kāi)關(guān)。

圖1 故障前系統(tǒng)運(yùn)行方式

2 保護(hù)動(dòng)作分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)檢查保護(hù)裝置報(bào)文與遙信正確，2#主變高壓側(cè)后備間隙零序保護(hù)在822ms時(shí)出口跳開(kāi)702開(kāi)關(guān)，896ms時(shí)對(duì)側(cè)新御變840間隔線路零序過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)新陳線開(kāi)關(guān)，5s后備自投動(dòng)作，錄波器錄波完整，定值核對(duì)無(wú)誤，2#主變轉(zhuǎn)冷備用后主變本體及避雷器的各項(xiàng)試驗(yàn)檢查正常，2#主變110kV側(cè)中性點(diǎn)放電間隙處可見(jiàn)明顯放電痕跡。線路工區(qū)對(duì)陳新840線路檢查發(fā)現(xiàn)線路有C相單相接地。

2.2 故障電流電壓分析

故障發(fā)生時(shí)，2#主變高壓側(cè)電流電壓的錄波波形如圖2所示，故障發(fā)生后電流電壓的有效值見(jiàn)表1。

圖2 2#主變高壓側(cè)故障發(fā)生時(shí)的故障錄波一

由圖2可以看出，故障發(fā)生前2#主變高壓側(cè)三相電壓對(duì)稱(chēng)，無(wú)零序電壓，無(wú)故障電流，間隙也沒(méi)有零序電流。74ms時(shí)C相電壓降低，且有10.3V的殘壓，A、B相電壓基本不變，且Ⅱ母壓變開(kāi)口三角電壓為100.4V，可見(jiàn)2#主變高壓側(cè)發(fā)生了C相單相接地故障，故障點(diǎn)應(yīng)在Ⅱ段母線外側(cè)，即840陳新線上。如圖2所示，幾乎在單相接地故障發(fā)生的同時(shí)，2#主變中性點(diǎn)流變采集到18.8A的零序電流，可見(jiàn)故障發(fā)生后2#主變中性點(diǎn)間隙被擊穿，間隙擊穿改變了2#主變側(cè)的零序通路，使得故障線路的南陳集變側(cè)三相有零序電流流過(guò)。

圖3中錄波截取的是2#主變高壓側(cè)702開(kāi)關(guān)跳閘前后的四個(gè)周波，從圖3可以看出，當(dāng)2#主變高后備保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)702開(kāi)關(guān)后，2#主變高壓側(cè)110kVⅡ段母線的三相電壓依然嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)，可見(jiàn)此時(shí)對(duì)側(cè)線路保護(hù)尚未跳開(kāi)840線路開(kāi)關(guān)，C相單相接地故障尚未切除。圖4為故障發(fā)生后線路電源側(cè)的故障電流錄波圖，故障電流的有效值如表2所示，圖中的故障電流進(jìn)一步表明840陳新線上發(fā)生了C相單相接地故障。2#主變高壓側(cè)中性點(diǎn)間隙擊穿后，702開(kāi)關(guān)跳閘前，故障線路非故障相上流過(guò)的電流為提供給 840線路末端南陳集變側(cè)的零序分量電流，840線路首端零流保護(hù)電流互感器與2#主變高壓側(cè)后備保護(hù)電流互感器變比相同，均為600/5，2#主變中性點(diǎn)間隙保護(hù)電流互感器變比為300/5，因此見(jiàn)表1、表2，非故障相A、B相上流過(guò)的電流基本相等，均為 3A左右，且中性點(diǎn)零序電流的二次值是三相電流二次值的2倍，2#主變高壓側(cè)702開(kāi)關(guān)跳閘后，零序電流無(wú)通路，如圖3所示，主變側(cè)三相故障電流為0。

圖3 2#主變高壓側(cè)故障發(fā)生時(shí)的故障錄波二

圖4 故障線路電源側(cè)故障錄波

表1 故障發(fā)生后2#主變高壓側(cè)的電壓電流值

表2 故障線路電源側(cè)故障電流有效值

2.3 保護(hù)定值配合分析

線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，南陳集變側(cè)2#主變中性點(diǎn)間隙擊穿流過(guò)的間隙零序電流滿足主變高后備間隙過(guò)流保護(hù)動(dòng)作整定值，保護(hù)啟動(dòng)，0.5s出口跳主變高壓側(cè)702開(kāi)關(guān)；接地故障發(fā)生在線路首端二段保護(hù)范圍內(nèi)，保護(hù)動(dòng)作整定時(shí)間為 0.6s，因此702跳閘后，延時(shí)約127ms后，線路保護(hù)動(dòng)作切除故障。

3 變壓器中性點(diǎn)間隙擊穿分析

系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，有效接地系統(tǒng)中的不接地變壓器中性點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)電壓及暫態(tài)電壓最大值分別如式（1）和式（2）所示[1-2]。

式中，k為系統(tǒng)零序綜合阻抗與正序綜合阻抗之比，Uφm為系統(tǒng)最高運(yùn)行相電壓，γ 為變壓器內(nèi)部震蕩衰減系數(shù)，α 為變壓器相間、相地電容之比。有效接地系統(tǒng)時(shí)k≤3，取k=3，連續(xù)式繞組取γ=0.8，α=0，則C相單相接地時(shí)變壓器中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓最大值為43.8kV，暫態(tài)電壓最大值可達(dá)到78.84kV。

根據(jù)規(guī)程要求[3]，110kV側(cè)主變中性點(diǎn)間隙距離在12±0.5cm，該變電所2#主變110kV中性點(diǎn)間隙實(shí)測(cè)值為 12.4cm，此間隙的工頻放電電壓應(yīng)為49～58kV，單相接地故障時(shí)中性點(diǎn)穩(wěn)態(tài)電壓最大值不應(yīng)擊穿間隙[4]。

巡線發(fā)現(xiàn)840線路單相接地時(shí)840線路附近有吊車(chē)作業(yè)，因施工不規(guī)范，作業(yè)中吊車(chē)臂距離 840線路C相過(guò)近導(dǎo)致C相對(duì)吊車(chē)臂電弧放電。在故障剛發(fā)生、電弧發(fā)展瞬間的暫態(tài)過(guò)程中，因電弧電流的快速增大，線路對(duì)地電容與系統(tǒng)對(duì)地短路阻抗間會(huì)產(chǎn)生很高頻率的暫態(tài)過(guò)電壓，且在故障剛發(fā)生的暫態(tài)過(guò)程中，故障電壓、電流中還有非周期分量，中性點(diǎn)間隙電壓的高頻分量、非周期分量疊加在工頻電壓分量上，電壓的最大值達(dá)到間隙的擊穿電壓，引起2#主變中性點(diǎn)間隙的擊穿。

4 建議與措施

通過(guò)分析本次故障，為了避免類(lèi)似故障的再次發(fā)生，提出以下建議與措施：

1）現(xiàn)行的故障線路電源側(cè)接地零流Ⅱ段的整定時(shí)間為0.6s，南陳集側(cè)2#主變高后備間隙零流的整定時(shí)間為0.5s，這樣的時(shí)間配合導(dǎo)致故障發(fā)生后2#主變先動(dòng)作跳閘，即使后來(lái)備自投動(dòng)作Ⅱ段母線恢復(fù)送電，但2#主變停運(yùn)造成的負(fù)荷損失已不可避免。考慮到繼電保護(hù)裝置及斷路器動(dòng)作的固有延時(shí)，建議將2#主變高后備間隙零流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間整定為0.8s，以保證發(fā)生類(lèi)似故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作的選擇性。當(dāng)然也可在進(jìn)線線路裝設(shè)全線速動(dòng)保護(hù)，線路發(fā)生故障電源側(cè)線路保護(hù)即可快速跳閘隔離故障，保證受電側(cè)不接地主變即使中性點(diǎn)間隙擊穿也不會(huì)誤動(dòng)作，這樣備自投動(dòng)作才有意義，主變短暫失電后才能快速恢復(fù)運(yùn)行。

2）現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn) 2#主變中性點(diǎn)間隙兩側(cè)的圓鋼表面污垢沉積，間隙兩側(cè)觸頭處有部分銹蝕，表面已不再光滑，有部分毛刺，間隙擊穿電壓已有一定程度的降低，即使發(fā)生金屬性接地，在一定情況下該間隙都有可能發(fā)生擊穿，造成主變跳閘，因此在日常對(duì)變電站主變的檢修維護(hù)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主變中性點(diǎn)間隙的清理養(yǎng)護(hù)工作。

3）單相接地暫態(tài)過(guò)程中高頻電壓分量的頻率、幅值與故障發(fā)生瞬間三相電壓的相位、系統(tǒng)運(yùn)行方式等都有密切關(guān)系，具有一定的隨機(jī)性，很難得出精確的計(jì)算結(jié)果，因此本次主變中性點(diǎn)間隙擊穿具有一定的偶然性。非金屬性永久接地故障對(duì)不接地變壓器中性點(diǎn)絕緣的威脅很大，很可能導(dǎo)致保護(hù)間隙擊穿，間隙零序保護(hù)動(dòng)作切除正常運(yùn)行中的變壓器，造成停電事故，在平時(shí)的運(yùn)行管理中，應(yīng)對(duì)這類(lèi)可能的停電隱患重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié)論

本次線路故障引起主變跳閘，110kV主變保護(hù)裝置及110kV備自投裝置雖均正確動(dòng)作，但保護(hù)動(dòng)作的選擇性配合不當(dāng)，導(dǎo)致負(fù)荷損失。為了避免類(lèi)似故障的再次發(fā)生，本文提出的部分措施已在淮安電網(wǎng)中采用并取得了良好效果。在日常的檢修維護(hù)工作中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)類(lèi)似變電站保護(hù)配合的排查，發(fā)現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題及時(shí)整改，降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，以保證電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

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表1 拆裝時(shí)間對(duì)比

由于在設(shè)備上拆裝，屬于高處作業(yè)，加上調(diào)節(jié)等問(wèn)題，所需時(shí)間比地面長(zhǎng)，因此本次選擇耗時(shí)較短的地面拆裝進(jìn)行對(duì)比。從表1可以看到，平均節(jié)約時(shí)間為37.66min，大大提高了拆裝效率，為檢修人員節(jié)約了寶貴時(shí)間。同樣，也消除了因時(shí)間緊而存在削減大修項(xiàng)目的現(xiàn)象[8]。

使用專(zhuān)用工具進(jìn)行拆裝后，檢修和高試人員對(duì)刀閘觸頭做了深入細(xì)致地驗(yàn)收，包括觸指鍍層、接觸面、緊固螺絲、彈簧松緊程度、分合閘到位情況和接觸電阻測(cè)試等。證實(shí)使用專(zhuān)用工具后，刀閘觸指符合設(shè)備使用性能。目前，使用專(zhuān)用工具拆裝的刀閘沒(méi)有出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

4 結(jié)論

新型專(zhuān)用工具利用杠桿理念對(duì) GW4刀閘觸指拆裝進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，相對(duì)傳統(tǒng)方法，拆裝工作更簡(jiǎn)便快捷，節(jié)約了檢修人員寶貴時(shí)間，縮短了設(shè)備停電時(shí)間，很好地解決了GW4刀閘觸指拆裝困難、效率低、容易誤傷手指和損傷鍍層等問(wèn)題，也延長(zhǎng)了刀閘使用壽命[8]。本工具在現(xiàn)場(chǎng)使用反饋良好，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得推廣應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介

林錦桐（1985-），男，本科，工程師，研究方向?yàn)樽冸娫O(shè)備運(yùn)行、維護(hù)與檢修。

Cause Analysis of Transformer Neutral Point Gap Breakdown Caused by Line Fault

Zhang Qiang Wu Shaowu Wang Dequan
(Jiangsu Power Grid Corporation Huaian Power Supply Company,Huai’an,Jiangsu 223002)

The transmission line of a substation occur a 110kV single phase grounding fault which causes the action of the main transformer neutral point gap zero sequence protection and the cutting of main transformer operation.Through inspection of fault place and recorded fault data,the paper analyses the cause of the action of the main transformer protection caused by line fault,and gives some specific recommendations in order to ensure the safe operation of the system equipment.

relay protection;single phase grounding fault;gap zero-sequence;gap breakdown

張 強(qiáng)（1985-），男，江蘇泗陽(yáng)人，研究生，工程師，主要從事變電檢修一、二次的研究工作。