一起10kV電容器組放電線圈燒毀分析

潘佰沖，陳錫磊

(國網浙江慈溪市供電有限公司，浙江 慈溪 315300)

0 引言

電容器是變電站最重要的無功補償裝置，三相單星型不接地型式的電容器組一般配置有兩段式過流保護、低電壓保護、過電壓保護和不平衡電壓保護以應對不同的故障。

近日某110 kV變電站發生一起10 kV電容器組放電線圈燒毀的事故，分析相關保護告警和動作信息、SOE記錄、故障錄波信息等，以找出事故中不平衡電壓保護未動作的原因。

1 事故情況簡介

1.1 事故前運行情況

某110 kV變電站為線變組接線方式，2臺主變分列運行，PQ1110線帶2號主變運行，事故發生前2號電容器組運行于10 kVⅡ段母線，見圖1。

圖1 110 kV變電站事故前運行方式

1.2 事故經過

2019-04-07T12：23，2號電容器組過流Ⅰ段保護動作跳閘，運維和檢修人員趕赴現場，檢查發現10 kV電容器室內充滿濃煙，2號電容器組C相放電線圈外殼嚴重開裂、灼燒痕跡明顯，內部繞組銅芯裸露，連接母排上有明顯放電痕跡，二次剩余繞組端子的連接電纜脫落，二次電纜頭已燒焦。

2 事故檢查與分析

2.1 保護裝置信息和SOE記錄

10 kV 2號電容器組保護裝置為RCS-9631Ⅱ，裝置報文及監控后臺信息顯示，4月7日12：23：17.360，過流Ⅰ段保護動作，故障電流為ABC三相97.19 A。相關保護動作和SOE記錄見表1所示。

表1 保護信息和SOE記錄

根據報文信息可知發生的故障為三相短路，由于電容器組CT變比為600/5，計算得短路電流一次值為97.19×(600/5)=1.166×104A=11.66 kA。

2.2 告警信號分析

2.2.1 PT斷線告警

電容器保護裝置RCS-9631Ⅱ的PT斷線判據為：

(1) 正序電壓U1＜30 V，且任一相電流I＞0.06In;

(2) 負序電壓U2＞8 V。

滿足以上任一條件后延時10 s報PT斷線，發出裝置異常報警信號。

保護裝置的采樣電壓來自各相電容器的放電線圈，根據現場設備檢查情況推測分析，在C相放電線圈出現內部故障導致外殼開裂后，C相電壓已經無法采樣，此時各相電壓分別為：Ua=57.7∠0°V，Ub=57.7∠-120°V，Uc=0 V。

進一步根據對稱分量法計算各序電壓，式中α為算子ej120°：

正序電壓U1有效值為38.5 V，負序電壓U2有效值為19.3 V＞8 V，滿足判據中的(2)。因此，12：11：40.501時出現PT斷線告警信號的原因是C相放電線圈運行中出現故障后，保護裝置無法采到C相電壓，產生了較大的負序電壓。

2.2.2 零序過電壓告警

該站10 kV母線PT采用4PT消諧接法，中性點零序PT(0.1 kV/3))的剩余繞組接入主變低后備保護的零序電壓采樣回路，當該零序電壓超過定值9.8 V后延時5 s發報警信號。

2號電容器組C相放電線圈繞組短路外殼開裂并不會造成母線出現零序電壓，只有當電弧灼燒形成單相接地后才會使系統出現零序電壓。當C相放電線圈接地后，系統中性點電壓上升為相電壓，零序PT剩余繞組電壓變成100/3 V，超過了定值9.8 V。因此，12：22：59.807時2號主變低后備保護報零序過電壓告警的原因是2號電容器組C相放電線圈在電弧灼燒下發生了單相接地;而在12：23：17.196時，該告警信號復歸的原因是故障發展成為了三相短路，零序電壓消失。

2.3 故障錄波分析

該站沒有配置故障錄波裝置，事故發生時上級220 kV變電站的PQ1110線路故障錄波啟動并記錄，由于該出線僅帶該站的2號主變和10 kVⅡ段母線運行，能夠基本反應2號電容器組的故障情況。PQ1110線的故障錄波如圖2所示。

圖2 上級變電站PQ1110線的故障錄波

表2給出了故障中某時刻三相短路電流相量，三相短路電流的相位之間基本相差120°，零序電流3I0基本為零，可以判斷發生的故障為三相短路。故障錄波信息顯示，短路電流為4.53 A，根據PQ1110線的CT變比(1 200/5)和該站110 kV主變壓器的變比(110 kV/10.5 kV)，換算至主變10 kV側的短路電流一次值為11.39 kA。因此，錄波圖的故障電流大小和短路類型與2號電容器組保護裝置記錄的信息互相吻合，證明最終的確是三相短路故障導致過流Ⅰ段保護動作跳閘。

表2 短路電流向量值 A

2.4 2號電容器組檢查

10 kV 2號電容器組總容量3 600 kVar，每相12臺電容器，型號為對各相電容器進行電容量測試，結果如表3所示。

表3 電容器組電容量測試 μF

測試結果顯示各相電容器電容量無異常，電容器組內部沒有發生短路故障。

2.5 放電線圈檢查

表4 直流電阻測量 Ω

從測試結果可以看出，C相放電線圈一次繞組的直流電阻遠遠大于正常的A，B兩相，可以判斷實際C相放電線圈一次繞組已經呈斷開狀態。

3 電容器組保護動作分析

3.1 電容器組保護配置

2號電容器組為三相單星型不接地接線，保護裝置為南瑞繼保RCS-9631Ⅱ，保護配置如表5所示。

故障時記錄的三相短路電流為97.19 A，動作時間188 ms，因此過流Ⅰ段保護正確動作。

表5 2號電容器組保護配置

3.2 不平衡電壓保護

不平衡保護能夠反應電容器組的內部故障，單星型不接地接線方式的電容器組一般采用的是不平衡電壓保護。

如圖3所示，將放電線圈的一次側與電容器并聯，二次側的三相剩余繞組首尾串聯接成開口三角（L601-N600）構成不平衡電壓保護。在正常運行時三相電壓平衡，開口處電壓為零，當電容器發生內部故障時三相電壓不再平衡，開口三角將出現零序電壓3U0，保護裝置采集到這個不平衡電壓后經過整定延時動作跳閘。

圖3 不平衡電壓保護回路接線

在12：11：30.501，C相放電線圈內部故障灼燒引起外殼開裂，一次繞組斷開，此時C相剩余繞組dc-dx電壓為0 V，而A相和B相的剩余繞組仍為正常電壓100/3 V，因此不平衡電壓回路的3U0=100/3 V。

根據表5的電容器組保護配置情況，100/3 V的不平衡電壓已經超過定值7 V，不平衡電壓保護應該動作跳閘，這樣也就不會使故障進一步發展成后續的三相短路。

結合現場，根據C相放電線圈二次剩余繞組端子dc處的連接電纜脫落、二次電纜頭燒焦的情況推測，當C相放電線圈內部發生短路灼燒后，dc處連接電纜燒毀脫落，導致L601-N600回路斷開，保護裝置無法采集到該電壓從而導致不平衡保護拒動。

4 事故過程推演

根據上述分析和現場設備檢查情況，推演整個事故過程如下。

12：11：30.501，C相放電線圈內部故障、外殼開裂，一次繞組開路，剩余繞組dc端子二次電纜脫落，10 s后2號電容器組保護報PT斷線。

12：22：54.801，隨著電弧灼燒，C相放電線圈形成單相接地，5 s后2號主變低后備保護報零序過壓。

12：23：17.172 ～ 12：23：17.196，C 相 放 電 線圈接地后，導致非故障相A，B相電壓升高，通過電容器組的構架、接地排等發展成三相短路故障，出現約11 kA的短路電流。

12：23：17.360，2號電容器組過流Ⅰ段動作，電容器組開關跳開隔離故障。

5 結束語

電容器組保護動作后，通過檢查一次設備狀況，分析二次裝置信息，判斷保護動作行為是否正確，該案例中不平衡電壓回路二次電纜在事故中燒毀脫落，導致不平衡電壓保護無法動作，直到發展成三相短路后由過流保護動作出口。為了防范此類事故的發生，應加強對電容器組放電線圈的紅外測溫巡檢，及時發現和消除相應缺陷。