吳國強(qiáng),張 浩,張 磊,鐘 中
電力系統(tǒng)運(yùn)行中要求不間斷的對用戶供電,以保證社會正常生產(chǎn)的需要.但是由于電力系統(tǒng)分布范圍廣,涉及設(shè)備數(shù)量多,在運(yùn)行過程中難免會出現(xiàn)各類型的故障,其中最常見的是單相接地故障[1].
電力系統(tǒng)按照不同的接地方式[2],可以分為大電流接地系統(tǒng)(包括經(jīng)電抗接地、低阻接地和直接接地),小電流接地系統(tǒng)(包括不接地、高阻接地和經(jīng)消弧線圈接地).在10kV電壓等級中,電力系統(tǒng)較多采用的運(yùn)行方式為中性點(diǎn)不接地或經(jīng)消弧線圈接地,也就是小電流接地系統(tǒng).單相接地是小電流接地系統(tǒng)中常見的故障,尤其在雨雪、大風(fēng)等惡劣天氣下,更容易出現(xiàn)單相接地故障.如果在發(fā)生單相接地故障后沒有及時排除故障,對電力網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[3].本文通過某變電站一起10kV線路單相接地故障引起母線電壓互感器爆炸事件,詳細(xì)闡述10kV線路單相接地故障對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的危害,并提出了相應(yīng)的故障處理和整改防范措施.
某110kV變電站10kV側(cè)主接線單母線分段接線.10kVⅠ段、Ⅱ、Ⅳ段母線聯(lián)絡(luò)運(yùn)行,10kV出線6條及10kVⅡ段母線PT均處于運(yùn)行狀態(tài).故障概述如下:某日晚18時20分,某10kV線路電線桿被汽車撞斷,造成單相接地,該110kV變電站10kVⅡ段母線電壓出現(xiàn)異常;晚19時19分,10kVⅡ段母線電壓互感器發(fā)生爆炸,#2主變10千伏Ⅱ段開關(guān)保護(hù)動作,跳開#2主變10千伏Ⅱ段開關(guān),10千伏Ⅱ段母線失電;晚22時09分,初步完成10kV開關(guān)室內(nèi)所有設(shè)備受損情況檢查,發(fā)現(xiàn)10kVⅡ段母線電壓互感器、某10kV線路、10kV 2號接地變3個間隔損毀嚴(yán)重.
從事故發(fā)生時所記錄的電壓數(shù)值來看,系統(tǒng)發(fā)生了非金屬性單相接地,10kVⅡ段母線的B相電壓事故時已經(jīng)降為2.92 k V,A、C相電壓分別升高至7.96 k V和8.11 k V(由Ⅱ段母線主PT的0.5級繞組回路測得),零序電壓互感器承受的電壓為UN0=2 k V,因?yàn)棰蚨文妇€采用的電壓互感器為4PT防鐵磁諧振互感器,則三相主電壓互感器所承受的電壓值分別為:
從上式(1)中電壓值可以看到,在發(fā)生接地事故時,4PT的電壓互感器應(yīng)該還是正常的,零序電壓互感器對三相的主電壓互感器起到了保護(hù)作用.但是由于事故持續(xù)時間較長,在接地發(fā)生59 min之后,該電壓互感器燒毀.
從事故中我們可以發(fā)現(xiàn)三相主電壓互感器相對完好,但是,中間的零序電壓互感器受損情況比較嚴(yán)重,出現(xiàn)了擊穿的情況.通過對其進(jìn)一步的解剖,發(fā)現(xiàn)其一次繞組有明顯的熱擊穿.由于該站采用的零序電壓互感器為半絕緣式,其漆包線的絕緣容易受到原材料的絕緣性能的影響.從燒毀現(xiàn)象看,互感器在非金屬性接地時電弧消失瞬間產(chǎn)生的超低頻振蕩(17 Hz~5 Hz)下,鐵芯過勵磁,快速飽和,短時間可能達(dá)到上百安培勵磁電流.
根據(jù)鐵心磁密公式:
式(2)中:B為磁場密度;U2為實(shí)際二次電壓;f為頻率;Ac為鐵心截面積;N2為二次匝數(shù).
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生1/3次分頻諧振時,磁場密度B會增大3倍,此時在低電壓下,互感器鐵心發(fā)生飽和,導(dǎo)致勵磁電流大幅度增加,從而鐵心發(fā)熱導(dǎo)致互感器燒毀.
另一方面,當(dāng)單相接地發(fā)生后,Ⅱ段母線上隨調(diào)式消弧線圈動作,接近全部補(bǔ)償了A、C相往接地點(diǎn)注入的電容電流,由消弧線圈記錄儀可知電容電流為32.3 A、補(bǔ)償電流為33.3 A,殘流為1 A,接近了諧振點(diǎn).在此接近諧振補(bǔ)償下暫態(tài)過程的過電壓水平可以達(dá)到2.3 p.u.使得A、C兩相電壓互感器飽和,勵磁電流急劇上升,故障勵磁電流將連接銅排燒斷,最后發(fā)展成相間短路對手車旁板等接地體放電,造成整個電壓互感器柜爆燃.
根據(jù)以上分析,本次單相接地導(dǎo)致電壓互感器爆炸事件的主要原因可以概括為以下幾個方面:① 線路單相接地導(dǎo)致產(chǎn)生過電壓[4];② 零序電壓互感器為半絕緣式,長時間承受過電壓,最終導(dǎo)致絕緣性能被破壞,發(fā)生擊穿;③ 消弧線圈補(bǔ)償度設(shè)置使得接地時過于接近諧振點(diǎn).
在電力系統(tǒng)規(guī)模日益龐大的今天,10kV配電側(cè)出線數(shù)量較多,無法完全避免單相接地事故的發(fā)生.因此,如何保證在10kV線路發(fā)生單相接地故障時,系統(tǒng)仍舊能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行,是電力系統(tǒng)面臨的一個重要的問題.
針對該次事故所反映出來的問題,可以采取的主要防范措施有四方面.
原先該站所涉及的零序電壓互感器為半絕緣型,型號參數(shù)為:JDZX16-10N 10//0.1//0.1 k V 0.5/3 P 30/50 VA.事后,對其進(jìn)行了升級由JDZX16-10N 改為全絕緣的JDZX16-10W 10//0.1//0.1 0.5/3 P 50/50 VA,該互感器的額定變比不變,其中0.5級容量由30 VA改為50 VA,一次繞組線徑由0.16改為0.21,導(dǎo)線截面積提高了70%,最大允許過電壓因數(shù)可由1.9倍提高到2.3倍 ,其額定勵磁電流值在132 V點(diǎn)(2.3倍)時可以控制在小于0.5 A.
事故中消弧線圈的補(bǔ)償度調(diào)整后,幾乎全部補(bǔ)償了A、C相往接地點(diǎn)注入的電容電流,以致接近了諧振點(diǎn).適當(dāng)對消弧線圈的補(bǔ)償度進(jìn)行調(diào)整,偏離諧振點(diǎn),使其脫諧度保持在5%~10%,殘流小于5 A的區(qū)間.降低在補(bǔ)償下發(fā)生暫態(tài)過電壓的概率.
優(yōu)化前4PT的接線方式采用的是圖1的接線方式,在此接線方式下,電壓互感器的開口三角回路是短接的.三相的電壓互感器和零序互感器分別承擔(dān)著對正序電壓和零序電壓的測量作用.而由于三相電壓互感器零序阻抗被短路,削弱了對超低頻振蕩的抑制作用,容易造成回路里電流過大而超出繞組的熱容量.圖2為優(yōu)化后的4PT接線方式,其特點(diǎn)是將三相主電壓互感器的二次側(cè)的閉合三角形繞組打開,然后再與單相零序電壓互感器的剩余繞組正向串聯(lián),用以代替原補(bǔ)償繞組測量零序電壓的功能,增加三相電壓互感器零序阻抗.其中,關(guān)鍵要保持三相主電壓互感器的零序變比和單相零序繞組的零序變比一致.
在發(fā)生之前,變電站的10kV母線電壓互感器采用的是小車的形式,三相的電壓互感器分別安裝于小車之上.由于小車本身結(jié)構(gòu)需要占用部分的空間,而10kV開關(guān)柜里本身空間比較緊湊,導(dǎo)致三個電壓互感器之間的電氣距離較小,在長時間過電壓的情況下容易出現(xiàn)絕緣性能下降.在變電站發(fā)生爆炸之后,根據(jù)現(xiàn)場分析,我們對10kV電壓互感器柜進(jìn)行了改造,放棄原有的小車形式,采用三個電壓互感器坐地固定的形式.
本文通過對變電站中10kV電壓互感器發(fā)生爆炸事件的過程和原因進(jìn)行分析,并針對目前存在的一些問題,提出了相關(guān)的解決措施.這些措施的應(yīng)用可以有效的降低單相接地時過電壓對電網(wǎng)設(shè)備的危害,提高了電力系統(tǒng)和變電設(shè)備的可靠性.
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