一起330kV變壓器間隙保護(hù)動(dòng)作行為分析

栗 磊

（寧夏電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750002）

1 背景

高電壓等級(jí)變壓器由于經(jīng)濟(jì)性考慮一般均系半絕緣變壓器，即位于中性點(diǎn)附近變壓器繞組部分對(duì)地絕緣比其他部位弱，中性點(diǎn)不接地時(shí)絕緣容易被擊穿，從而損毀變壓器。在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，為保證電網(wǎng)及變電所零序等值網(wǎng)絡(luò)基本不變，對(duì)變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行的數(shù)量有規(guī)定，因此變電所內(nèi)變壓器中性點(diǎn)不是全部接地運(yùn)行。間隙保護(hù)的作用就是確保中性點(diǎn)不接地變壓器的安全運(yùn)行，防止因雷擊及操作過電壓造成變壓器損壞。

2 事故經(jīng)過

2012年4月11日出現(xiàn)以下故障：①12時(shí)29分蓮-徐Ⅱ線B相發(fā)生單相接地故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口，斷路器單跳單重，#2主變后備保護(hù)啟動(dòng)（間隙零序保護(hù)）；②12時(shí)47分蓮-徐Ⅱ線A相發(fā)生單相接地故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口，斷路器單跳單重，#2主變后備保護(hù)啟動(dòng)（間隙零序保護(hù)）；③13：03，調(diào)度令蓮-徐Ⅱ線轉(zhuǎn)熱備（斷開3331、3332斷路器），蓮-徐Ⅱ線徐家莊側(cè)A相、B相線路PT發(fā)生沿面放電，需要停電處理，至此馬蓮臺(tái)電廠出力轉(zhuǎn)至蓮-徐Ⅰ線；④13時(shí)04分蓮-徐Ⅰ線B相發(fā)生單相接地故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口，斷路器單跳單重；13時(shí)04分#2發(fā)變組間隙零序過流保護(hù)動(dòng)作，#2發(fā)電機(jī)組跳閘停機(jī)；⑤13時(shí)10分蓮-徐Ⅰ線A相發(fā)生單相接地故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口，斷路器單跳單重。

3 事故前運(yùn)行方式

馬蓮臺(tái)電廠兩臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行，蓮-徐Ⅰ、Ⅱ線正常運(yùn)行。#1發(fā)電機(jī)、啟備變接入第一串（3312、3310、3311斷路器），#2發(fā)電機(jī)、蓮-徐Ⅰ線接入第二串（3321、3320、3322斷路器），蓮-徐Ⅱ線接入第三串（3331、3332斷路器），#1主變中性點(diǎn)接地刀閘在合位，#2主變中性點(diǎn)接地刀閘在分位。#1機(jī)組有功負(fù)荷215MW，#2機(jī)組有功負(fù)荷223MW，蓮-徐Ⅰ線電流320A，有功190MW；蓮-徐Ⅱ線電流323A，有功192MW。馬蓮臺(tái)電廠主接線如圖1所示。

圖1 馬蓮臺(tái)電廠330k V系統(tǒng)主接線

4 保護(hù)動(dòng)作分析

4.1 線路保護(hù)動(dòng)作分析

蓮-徐Ⅱ線、蓮-徐Ⅰ線累計(jì)4次電流差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作出口，斷路器單跳單重，均為線路上有瞬間接地故障，保護(hù)動(dòng)作正確。

4.2 #2主變間隙零序保護(hù)動(dòng)作分析

第①、②次故障時(shí)，蓮-徐Ⅰ、Ⅱ線并列運(yùn)行，蓮-徐Ⅱ線單相接地瞬間，#2主變中性點(diǎn)產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，一次電壓瞬時(shí)值達(dá)到204kV，將中性點(diǎn)間隙擊穿，3個(gè)周波后線路保護(hù)動(dòng)作將故障切除，系統(tǒng)絕緣恢復(fù)，間隙保護(hù)雖啟動(dòng)，間隙電流超過動(dòng)作定值，但未達(dá)到保護(hù)動(dòng)作延時(shí)（定值500ms），如圖2、3所示分別為第①、②次故障主變保護(hù)錄波圖。

圖2 第①次故障主變保護(hù)錄波圖

圖3 第②次故障主變保護(hù)錄波圖

第③次故障前，蓮-徐Ⅱ線轉(zhuǎn)熱備狀態(tài)，蓮-徐Ⅰ線發(fā)生B相接地故障后，#2主變中性點(diǎn)間隙再次擊穿，3個(gè)周波后線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作將3322、3320斷路器B相跳開，至此全廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組負(fù)荷全部通過蓮-徐Ⅰ線A、C相送至徐家莊變電站，線路在重載狀態(tài)下又非全相運(yùn)行，產(chǎn)生較大的零序電流通過中性點(diǎn)間隙流回大地，使間隙電流保護(hù)元件不能返回，間隙沒有熄弧，持續(xù)放電時(shí)間550ms，達(dá)到保護(hù)定值動(dòng)作時(shí)間，＃2主變間隙零序過流保護(hù)動(dòng)作。如圖4所示為第③次故障主變保護(hù)錄波圖，從圖4可看出故障切除后，主變高壓側(cè)中性點(diǎn)間隙零序電流持續(xù)存在（二次有效值30A），明顯區(qū)別于圖2、3。

圖4 第③次故障主變保護(hù)錄波圖

4.3 非全相狀態(tài)下零序電流分析

假定系統(tǒng)中某線路A相斷開,斷開前線路A相負(fù)荷電流已知為Ifa,斷開后,在斷相處出現(xiàn)一組不對(duì)稱的電壓Ua≠0,Ub=Uc=0,線路斷相后的狀態(tài)可作為正常負(fù)荷狀態(tài)與ΔUa作用下的故障量的疊加。以A相為基準(zhǔn)相,根據(jù)序分量法計(jì)算和推導(dǎo),可得出非全相運(yùn)行時(shí)線路零序電流和負(fù)荷電流的關(guān)系［2］:

從式（1）可以得出非全相狀態(tài)下零序電流的大小與負(fù)荷電流成正比關(guān)系。為進(jìn)一步作定量分析，用PSASP電力系統(tǒng)綜合分析程序?qū)Σ煌\(yùn)行方式下，蓮-徐Ⅰ線非全相狀態(tài)時(shí)零序電流的大小進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如表1、2所示。

表1 蓮-徐Ⅰ、Ⅱ線并列運(yùn)行

表2 蓮-徐Ⅰ線運(yùn)行、蓮徐Ⅱ線熱備

從仿真結(jié)果可以看出，兩種不同的運(yùn)行方式下，線路非全相所產(chǎn)生的零序電流標(biāo)幺值相差接近6倍，這也就解釋了在圖4中間隙電流持續(xù)存在的原因。

根據(jù)以上分析可知，在第③次線路故障發(fā)生后，＃2主變中性點(diǎn)間隙被再次擊穿，通過主變中性點(diǎn)間隙和附近接地點(diǎn)構(gòu)成零序電流環(huán)路，此時(shí)馬連臺(tái)電廠僅由蓮-徐Ⅰ線與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)，線路保護(hù)動(dòng)作切除故障后，由于蓮-徐Ⅰ線非全相運(yùn)行，產(chǎn)生了較大的零序電壓和零序電流，使得在故障切除后，系統(tǒng)絕緣仍不能得到有效恢復(fù)，主變中性點(diǎn)間隙持續(xù)流過零序電流（時(shí)間長達(dá)550ms），且電流達(dá)到動(dòng)作定值，最終造成＃2主變間隙過流保護(hù)動(dòng)作。

5 間隙擊穿原因分析

根據(jù)馬蓮臺(tái)電廠變壓器設(shè)計(jì)資料，主變中性點(diǎn)間隙距離應(yīng)在400mm至460mm，實(shí)際測量距離為402mm，根據(jù)GB/T 311.6-2005/IEC 60052:2002《高電壓測量標(biāo)準(zhǔn)空氣間隙》中6.2條相關(guān)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下水平間隙的放電電壓為：

式中：U0為放電電壓（kV）；d為間隙距離（mm）。

對(duì)于馬蓮臺(tái)電廠變壓器放電間隙402mm的距離，依據(jù)公式（2），可計(jì)算得出放電電壓為U0=2+0.534d=2+0.534×402=216.7kV，即在主變中性點(diǎn)在放電間隙402mm的情況下，擊穿電壓應(yīng)為216.7kV以上。但是從變壓器保護(hù)裝置錄波圖分析三次間隙擊穿時(shí)零序電壓峰值均為204kV左右，達(dá)不到間隙擊穿電壓，考慮到當(dāng)天的惡劣雨夾雪天氣使空氣絕緣能力減弱，降低了間隙耐受電壓，因此這次由于線路單相接地故障導(dǎo)致的變壓器中性點(diǎn)間隙擊穿的直接原因就是惡劣的天氣。

6 結(jié)論

線路連續(xù)發(fā)生單相接地故障，在#2主變中性點(diǎn)產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，由于惡劣的天氣降低了中性點(diǎn)間隙的擊穿電壓，使暫態(tài)過電壓將變壓器中性點(diǎn)間隙擊穿，同時(shí)由于單回線路非全相運(yùn)行，產(chǎn)生了較大的零序電流和零序電壓使得中性點(diǎn)間隙在線路單相接地故障被切除的情況下依然不能有效地恢復(fù)絕緣，持續(xù)被擊穿狀態(tài)，造成了變壓器中性點(diǎn)間隙保護(hù)動(dòng)作。

7 防范措施

（1）考慮到間隙距離設(shè)計(jì)的裕度，可適當(dāng)增加間隙距離，提高間隙擊穿電壓。

（2）應(yīng)將變壓器中性點(diǎn)間隙保護(hù)中電流元件延時(shí)適當(dāng)增加，大于線路重合閘時(shí)間，以躲過線路非全相運(yùn)行期間的零序電流干擾，零序電壓元件延時(shí)保持不變，因?yàn)殚g隙擊穿后，變壓器的中性點(diǎn)絕緣已經(jīng)得到保護(hù)，同時(shí)零序過電壓保護(hù)可起到后備保護(hù)作用。

（3）對(duì)一些大型發(fā)電廠及樞紐變電站聯(lián)絡(luò)線的運(yùn)行方式應(yīng)加強(qiáng)管理，避免發(fā)生因運(yùn)行方式改變造成電網(wǎng)參數(shù)變化，使繼電保護(hù)配合困難或靈敏度不夠的問題。

［1］沈燕華，袁文嘉等.主變間隙保護(hù)的思考［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（10）：145－146.

［2］趙曼勇.線路非全相運(yùn)行時(shí)保護(hù)問題探討［J］.繼電器.2003，31（7）：81－83.

［3］呂景順，王寅仲等.330kV升壓變壓器中性點(diǎn)保護(hù)問題討論［J］.電網(wǎng)與清潔能源.2010，26（1）：45－47.

［4］江蘇省電力公司.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理與實(shí)用技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2006.