接地故障引起主變中性點設備損壞的分析

李春陽，張健能，麥志彥，王明方，寧 榮

(廣東電網有限責任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

0 引言

隨著經濟發展,電力系統容量不斷增大,發生不對稱故障時,流經中性點的故障電流亦不斷增大,這就要求中性點接地引下線必須滿足一定的熱穩定性。中性點接地引下線下端一般長埋地下,受焊接施工不良、雨水土壤腐蝕等影響,常存在導通不良等缺陷,當電力系統發生不對稱故障時,會出現泄流不良、放電等現象,產生安全風險。變電站二次電纜屏蔽層是提高變電站電磁兼容水平的重要措施,一般采用兩端接地方式。對于中性點構架設備,其二次電纜屏蔽層一端通過中性點構架接地,另一端接于柜體、端子箱或機構箱的銅排上。若接地引下線因熱穩定性不夠而燒斷,或出現銹蝕而存在導通不良,將造成地電位異常升高而威脅人身安全,甚至會影響二次電纜屏蔽層接地線。

1 故障概述

1.1 故障前系統運行方式

某220 kV變電站共有3臺主變壓器,220 kV側采用雙母線并列運行方式,110 kV側采用雙母雙分段并列合環運行方式。故障發生前,3號主變變中運行于5M母線,110 kV世倫乙線運行于6M母線,110 kV母聯分段開關均在運行狀態,3號主變變中中性點采用直接接地運行方式,1號和2號主變變中中性點采用非直接接地運行方式。具體系統運行情況如圖1所示。

圖1 故障前系統接地運行方式

1.2 故障過程

2020-01-05T14：22：44,110 kV世倫乙線線路A相發生接地故障,27 ms后距離保護I段動作,跳開148開關A相,1103 ms后單相重合閘動作,重合成功,故障電流為6.13 A (變比為1200/1)。

1.3 現場檢查情況

故障發生后,運行人員立即到現場進行檢查,發現3號主變變中多個設備損壞：

(1) 變中直流監測裝置箱門跌落,內部元件被熏黑。

(2) 中性點接地刀閘機構箱內,電纜屏蔽層接地線被燒斷,終端護套損壞。

(3) 中性點交流CT電纜屏蔽層的接地線熏黑受損,繞組溫度變送器的直流電源模塊損壞。

(4) 主變冷卻器控制箱交流進線電源空開跳開,風扇電源A相接線在端子排處被燒毀；控制箱內端子排上多個N線端子因過流而受損,線耳被燒斷。

(5) 冷卻器控制箱到變中中性點地刀、直流監測裝置的電纜屏蔽層的接地線被熏黑損壞。

2 故障處理

2.1 故障定位

綜合繼電保護動作報告和現場檢查來看,110 kV世倫乙線A相單相接地故障,引起3號主變變中中性點設備和多處電纜屏蔽接地線受損。

110 kV世倫乙線A相發生接地故障時,產生的零序故障電流經6M母線、母聯110開關、5M母線、變中103開關、變中中性點接地刀閘和設備構架接地引下線流入大地,因5M母線、6M母線、母聯開關和變中開關運行正常,且中性點設備上的電纜屏蔽層經構架接地,初步判定故障原因為3號主變變中中性點接地不良,零序故障電流流入大地時受阻,中性點電位升高,引起中性點設備受損,以及多處電纜屏蔽層接地線受損。

2.2 中性點設備

從3號主變變中中性點設備結構設置可以看出,主變變中中性點經套管引出,連接至中性點接地刀閘上端(接地刀閘為杭州西門子BRO接地刀閘),接地刀閘下端經接地銅排接至直流監測裝置,再經接地引下線銅排與主變泄油池內的地網銅絞線相連。為確保安全性,中性點構架設備一般采用兩點接地,但是,該變電站在增加變中直流監測裝置時,取消了構架第二點接地,只保留了一點接地。

中性點放電間隙和避雷器均與接地刀閘并聯,經接地引下線與地網連接。接地刀閘機構箱用于拉開合上接地刀閘,箱內地線亦經設備構架引下線接入地網。

2.3 中性點構架接地電阻測量

中性點構架接地性能主要是通過測量接地電阻來表征。根據南方電網公司《電力設備檢修試驗規程》規定,電力設備接地引下線與接地網連接情況檢查(導通性測試)周期為6年1次,測量接地電阻值應在50 mΩ以下。接地電阻值在50～200 mΩ時,宜密切關注；接地電阻值在200 mΩ～1 Ω時,對于重要設備應盡快處理。

對站內1號和2號主變變高、變中構架的接地電阻進行測量；向調度申請將3號主變變高和變中中性點調整到1號主變,對3號主變變高和變中接地構架的接地導通電阻進行測量。測量結果見表1。

表1 中性點構架接地電阻

從表1可以看出,2號主變變高中性點構架接地電阻為86.9 mΩ,阻值偏大；3號主變變中中性點構架接地電阻為771.5 mΩ,嚴重偏大；其他幾個構架接地均正常。

2.4 接地引下線檢查

對2號主變變高和3號主變變中中性點設備構架引下線進行檢查,發現在油池內3號主變變中中性點設備構架接地引下線與銅絞線連接處的邊緣嚴重氧化銹蝕,并已完全燒斷。在油池內的2號主變變高中性點設備構架接地引下線與銅絞線連接的周圍,亦嚴重氧化銹蝕。測量3號主變變中和2號主變變高銹蝕處接地線靠主變側和主變本體接地之間的電阻值均在3 mΩ以下,阻值正常。

2.5 故障處理

清除2號主變變高和3號主變變中設備構架引下線與銅絞線連接處的銹蝕部分,并將銹蝕位置的接地銅絞線壓接一個銅線耳,經銅線耳與設備構架引下線連接。處理之后,再對2號主變變高和3號主變變中設備構架接地電阻測量,測量結果合格。

為保證中性點設備構架接地可靠性,挖開3號主變變中中性點設備構架下端的接地扁鐵,用扁鐵繞構架接至引下銅排上,實現變中設備構架兩點接地,同時修復受損的電纜屏蔽層接地線與電纜終端。

2.6 故障原因分析

查閱中性點設備二次圖紙,該站中性點設備電纜屏蔽接地線有兩個接地點(在電纜兩端),其中一個接地點為經構架接地。

3號主變變中中性點設備構架接地引下線被燒斷,測量中性點構架接地電阻為771.5 mΩ,因此可以推斷,事故后測量的中性點構架接地電阻,為中性點構架到多個設備(直流監測裝置、變中接地刀閘機構箱和中性點CT設備等)電纜屏蔽接地線之間的電阻,與熔斷后的中性點電阻的并聯電阻。變中設備電纜屏蔽接地線設置如圖2所示。與中性點引下線相連的銅絞線燒斷后,中性點電阻變大,與多個電纜屏蔽接地線并聯后,中性點總電阻為771.5 mΩ。

圖2 電纜屏蔽層接地設置

因此,直流監測裝置、變中接地刀閘機構箱和中性點CT設備等多個設備電纜屏蔽接地線受損或熔斷,是由于電纜屏蔽接地線載流量相對較小,流過的故障電流較大。而變中設備構架接地引下線損壞的原因,是接地引下線與地網連接的接地銅絞線嚴重銹蝕,接地線等效截面積減小,熱穩定性降低,在故障電流沖擊下熔斷。

中性點構架接地引下線的接地銅絞線熔斷后,接地電阻增大,中性點地電位升高,造成直流監測裝置電源模塊嚴重損壞,放電產生的高溫高壓氣體將箱門沖飛。故障發生時,3號主變冷卻器控制箱內的交流中性線、風扇電源A相流過短暫的短路電流,產生過電壓,造成冷卻器控制箱內多個交流中性線與A相端子燒損、線耳壓接部位燒斷,繞組溫度測量電源模塊損壞。

3 建模仿真分析

為了驗證故障分析的正確性,以及更加直觀地反映線路單相接地故障對主變變中設備及經構架接地的電纜屏蔽接地線的影響,建立簡單的電力系統模型,如圖3所示。該模型由發電機、升壓變壓器、輸電線路、降壓變壓器等組成。升壓變壓器采用△/Y接線方式,三繞組降壓變壓器采用Y/Y/△接線方式,雙繞組降壓變壓器采用Y/△接線方式,MN之間為110 kV線路,R為三繞組降壓變壓器變中中性點接地電阻,中性點CT二次變比為1200/1。

圖3 電力系統模型

若變中中性點接地電阻為5 mΩ,有5個變中設備電纜屏蔽層經構架接地,電阻分別為0.8 Ω,1 Ω,2 Ω,3 Ω和2.2 Ω,0.2 s時距離M點7.6 km處發生A相接地故障,故障發生27 ms后保護動作,故障發生53 ms時跳開A相,故障發生1103 ms后重合閘動作,重合成功,線路恢復正常運行。若中性點接地電阻為86.9 mΩ,故障發生9 ms后,中性點設備接地引下線的銅絞線燒斷,燒斷后中性點接地電阻變為1 Ω；28.5 ms時,接地電阻為0.8 Ω和1 Ω的電纜屏蔽接地線燒毀。

(1) 當中性點接地電阻為5 mΩ且未發生熔斷時,故障電流在偏0軸下側經兩個半周波的震蕩后,隨著故障被切除而減小為0。由于中性點接地電阻在正常值范圍內,接地電阻為0.8 Ω的電纜屏蔽層接地線流過的故障電流最大,峰值為180 A。

(2) 當中性點接地電阻為86.9 mΩ時,接至地網的銅絞線熔斷后,會使中性點接地電阻突然增大,流過各電纜屏蔽接地線的電流也會隨之增大,其中流過接地電阻為0.8 Ω和1 Ω的電纜屏蔽層接地線的故障電流峰值分別為2200 A和1830 A (見表2),電壓為1800 V；若此時該電纜屏蔽接地線受故障電流沖擊而熔斷,中性點接地電阻將進一步變大,會使接地電阻為2 Ω,3 Ω和2.2 Ω的電纜屏蔽接地線受到沖擊,其中,接地電阻為2 Ω的電纜屏蔽接地線受沖擊最大,為1580 A,電壓為3200 V,若其熔斷,會使未熔斷電纜屏蔽接地線再次受到沖擊。部分電纜屏蔽接地線受故障電流沖擊熔斷后,會延遲未熔斷電纜屏蔽接地線受沖擊的時間,但是也會給未熔斷電纜屏蔽接地線帶來比中性點接地銅絞線熔斷更大的沖擊。

表2 各時間節點電流 A

因此,經設備構架接地的電纜屏蔽接地線流過的電流,與中性點接地電阻、屏蔽接地線電阻、屏蔽接地線是否有熔斷等有關。當中性點接地電阻大于正常值,發生不對稱故障時,流過電纜屏蔽接地線電流過大,可能會引起其燒斷,燒斷后會對其他未熔斷電纜屏蔽接地線造成沖擊。

4 建議措施

為避免類似故障發生,提出以下整改建議：

(1) 佛山地區110 kV系統,采取220 kV變電站內一臺主變變中和110 kV上網電廠內一臺升壓變變中中性點兩點接地。該變電站110 kV供電范圍內無110 kV上網電廠,因此該110 kV系統實際只有該變電站一臺主變中性點一個接地點,該變電站變中中性點直流監測裝置是為作對比試驗后來加裝的設備,經一段時間運行發現,變中直流監測裝置直流CT測量數據意義不大,且該裝置故障率高,電源模塊經常損壞,因此,取消變中直流CT裝置。

(2) 加裝直流監測裝置時,將中性點構架引下線由兩點接地改為一點接地,即取消了一個接地引下線的接地點,不符合構架兩點接地的要求,已恢復主變變中中性點設備構架兩點接地方式。

(3) 2018年3月,修試人員對該站全站地網的導通電阻進行了測試,測試結果合格,而南方電網公司《電力設備檢修試驗規程》規定測試周期為6年1次,周期過長,建議適當縮短220 kV及以上主變中性點接地引下線導通試驗周期,及時發現引下線接地不良的問題,同時建議禁止中性點設備電纜屏蔽接地線經設備構架接地。

(4) 變壓器油池一般填充鵝卵石等滲水材料,油池內接地體長期在高濕的空氣中,銹蝕嚴重,特別是焊接位置,容易造成截面減少,危及設備安全。建議設計提前做好各設備接地引線位置,避免接地線在油池內裸敷。