中性點(diǎn)經(jīng)相控式消弧線圈接地電壓互感器損壞事故分析

徐近龍，張勁松，王建剛，袁 超，周 陽

（1.國網(wǎng)蘇州供電公司，江蘇 蘇州 215004；2.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 211102）

隨著配電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大以及電纜的大范圍敷設(shè)，系統(tǒng)線路的對地電容增加，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，電容電流顯著增大。在中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中，會(huì)引起電壓互感器中出現(xiàn)過電流而致?lián)p壞，直接威脅電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。江蘇省內(nèi)許多變電站都安裝了相控式消弧線圈，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，消弧線圈會(huì)自動(dòng)投入補(bǔ)償，故障消失后退出運(yùn)行。蘇州某110kV變電站10kV母線電壓互感器一年內(nèi)連續(xù)發(fā)生三起燒毀事故，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過對該事故進(jìn)行詳細(xì)分析，為運(yùn)維人員提供一定的借鑒［1-3］。

1 事故經(jīng)過

1.1 事故前運(yùn)行方式

某110kV變電站10kV系統(tǒng)從2013年6月4日至11月20日，相繼發(fā)生三次單相母線接地故障，造成電壓互感器炸裂事故。

變電站故障段運(yùn)行方式如下：1174支線110 kV電源經(jīng)1102＃2主變開關(guān)供＃2主變（40MVA）、經(jīng)102＃2主變開關(guān)供10kVⅡ段母線供122、123、124、125、126、1K2＃2電容器；經(jīng)103＃2主變開關(guān)供10kVⅢ段母線供131、132、133、134、135，Ⅲ段母線經(jīng)消弧線圈接地，Ⅱ、Ⅲ段母線上各接一組電壓互感器。

1.2 故障情況介紹

2013年6月4日8：45，變電站10kV側(cè)系統(tǒng)Ⅱ段、Ⅲ段母線B相接地。Ⅲ段母線電壓分別為A相8.2kV，B相3.0kV，C相8.2kV；Ⅱ段母線電壓分別為A相9.2kV，B相0.8kV，C相9.3kV。10min后10kVⅡ段母線A、B、C相電壓互感器外殼碎裂開關(guān)柜冒煙，Ⅱ段電壓均跌至零，檢查發(fā)現(xiàn)由134線路接地引起。

2013年11月8日15：30，變電站10kV側(cè)系統(tǒng)Ⅱ段、Ⅲ段母線A相接地。Ⅲ段母線電壓分別為A相0kV，B相10kV，C相10kV；Ⅱ段母線電壓分別為A相3kV，B相7kV，C相8kV。12 min后Ⅱ段電壓互感器B相、C相爆炸，Ⅱ段電壓跌為0kV，檢查發(fā)現(xiàn)由134線路接地引起。

2013年11月20日9：14，變電站10kV側(cè)系統(tǒng)Ⅱ段、Ⅲ段母線C相接地。Ⅲ段母線電壓分別為A相10kV，B相10kV，C相0kV；Ⅱ段母線電壓分別為A相7.2kV，B相8kV，C相2.3 kV。13min后Ⅱ段電壓互感器A相爆炸。

2 故障檢查情況

損壞的電壓互感器是大連第一互感器廠產(chǎn)品，相應(yīng)的名牌參數(shù)如表1所示。

表1 電壓互感器銘牌參數(shù)

根據(jù)極限輸出容量，計(jì)算得到電壓互感器的的最大允許電流為69.27mA，額定電流為12.98 mA，表明當(dāng)電壓互感器中電流大于額定電流5.3倍時(shí)就有可能造成互感器損壞。

三次事故發(fā)生后，對損壞電壓互感器進(jìn)行了外觀檢查，電壓互感器為大連第一互感器廠產(chǎn)品，如圖1和圖2所示。通過直流電阻、絕緣電阻和空載電流試驗(yàn)進(jìn)行損壞程度分析。

2013年6月4日，電壓互感器A、B、C相炸裂，熔絲未斷。A相、C相斷線，B相直流電阻、絕緣電阻、空載電流測試正常，電壓互感器手車至二次線束外護(hù)套灼部分融化，二次線外觀均正常。

2013年11月8日，電壓互感器B、C相炸裂，熔絲未斷。B相、C相斷線，A相直流電阻、絕緣電阻、空載電流測試正常，二次線外觀均正常。

2013年11月20日，電壓互感器A相炸裂，熔絲未斷。A相斷線，B相、C相直流電阻、絕緣電阻、空載電流測試正常，二次線外絕緣有局部破損。A相避雷器外絕緣表面有灼傷痕跡。

3 仿真參數(shù)設(shè)置

為了明確故障原因，分析故障發(fā)展過程，利用電磁暫態(tài)仿真軟件EMTP對故障進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)分析。首先需要對關(guān)鍵的仿真參數(shù)進(jìn)行計(jì)算設(shè)置。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

一般10kV系統(tǒng)最高允許工作電壓為10.5 kV，其相電壓幅值Uphm為8.57kV。變電站正常運(yùn)行方式下系統(tǒng)短路電流為14.67kA，短路阻抗值為0.413Ω，等效電抗為1.31mH。

根據(jù)變電站10kVⅡ、Ⅲ段母線出線統(tǒng)計(jì)情況，出線電纜線路單位長度的對地電容，可以查閱電纜參數(shù)手冊，而10kV架空線路對地電容按照0.007～0.008μF／km進(jìn)行估算?？傻芒?、Ⅲ段母線每相對地電容約為20.72μF，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí)，接地電流約為125A。

3.2 電壓互感器勵(lì)磁特性曲線

在仿真計(jì)算過程中，由于電壓互感器為含有電感元件，鐵芯的飽和特性導(dǎo)致Ψ-i曲線的非線性，電壓互感器的勵(lì)磁特性曲線是電流瞬時(shí)值i與磁鏈瞬時(shí)值Ψ的關(guān)系，而互感器廠只提供電壓互感器飽和勵(lì)磁特性曲線電流有效值I和電壓有效值U。通過數(shù)學(xué)擬合的方法將U-I曲線轉(zhuǎn)化為Ψ-i的曲線［1-2］，如圖3所示。

圖3 電壓互感器勵(lì)磁特性曲線

3.3 消弧線圈參數(shù)

Ⅲ段母線上安裝的消弧線圈為智光電氣生產(chǎn)的KD-XH01-450／10.5型相控式消弧線圈，其一次繞組接入配電網(wǎng)中性點(diǎn)與地之間，二次繞組由兩個(gè)反向并接的可控硅短路，可控硅的導(dǎo)通角由觸發(fā)控制器控制。該消弧線圈通過實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)地電容電流的變化，調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角，輸出感性補(bǔ)償電流，當(dāng)故障消除退出補(bǔ)償［3］。其原理圖如圖4所示。

圖4 相控式消弧線圈結(jié)構(gòu)原理圖

KD-XH01-450／10.5型消弧線圈主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 消弧線圈主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)表2中電流調(diào)節(jié)范圍，當(dāng)可控硅導(dǎo)通角完全導(dǎo)通時(shí)，消弧線圈的等值電感為257mH。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真模型建立

系統(tǒng)仿真模型如圖5所示，Ⅱ、Ⅲ段母線同時(shí)運(yùn)行，每相母線接2組電壓互感器，Ra和La串聯(lián)表示電壓互感器一次側(cè)阻抗。通過控制K1、K2來模擬系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障；通過控制Kn通斷來模擬消弧線圈的投入與退出。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

4.2 工頻熄弧仿真

假設(shè)在A相電源達(dá)到最大值Uphm時(shí)，發(fā)生短路接地故障，由于工頻電流過零熄弧只可能發(fā)生在半個(gè)工頻周期以后，工頻電流過零，電弧熄滅。

4.2.1 消弧線圈未投入

當(dāng)Kn打開，中性點(diǎn)消弧線圈未投入的情況下，系統(tǒng)中t=0.02s時(shí)A相發(fā)生單相接地故障，t=0.03s時(shí)接地故障消除。A、B、C三相對地電壓和電壓互感器中電流情況如圖6和圖7所示。

從圖6可知，當(dāng)A相發(fā)生接地故障后，B、C相電源分別對電容C2、C3的高頻充電過程，對地電壓急劇上升，幅值高達(dá)23.4kV，接地故障消除后，系統(tǒng)中對地電容電荷進(jìn)行重新分配，B、C相對A相電容進(jìn)行充電，A相電壓最高可達(dá)25.6kV，約為3倍Uphm，此過電壓倍數(shù)并不太高。

從圖7中的結(jié)果可以看出，電壓互感器中出現(xiàn)了沖擊電流，電流在t=0.184s時(shí)達(dá)到峰值1.12A，隨后電流幅值逐漸衰減，電壓互感器電流峰值是額定電流的93倍，是電壓互感器極限輸出電流的16倍。

根據(jù)仿真結(jié)果分析，電壓互感器中并未出現(xiàn)諧振電流。當(dāng)A相出現(xiàn)接地故障后，B、C相電壓升高，對地電容的電荷向接地點(diǎn)釋放，形成電容電流。接地故障消失后，原來的通路被切斷，電容上的電荷只有通過電壓互感器一次繞組向大地泄放，大量自由電荷涌入電壓互感器勵(lì)磁繞組，使得鐵芯飽和，形成高幅值的沖擊電流。單次接地故障的沖擊電流幅值就高達(dá)額定電流的93倍，如果系統(tǒng)中出現(xiàn)多次接地故障，即以上接地過程重復(fù)出現(xiàn)，多次沖擊累積效應(yīng)會(huì)使得電壓互感器的動(dòng)、熱穩(wěn)定性破壞。若是電弧發(fā)生重燃，則沖擊電流的幅值會(huì)不斷變大，最終引發(fā)故障［4］。

圖6 消弧線圈未投入時(shí)系統(tǒng)三相對地電壓波形

4.2.2 消弧線圈投入

當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，Kn閉合，中性點(diǎn)消弧線圈全部投入補(bǔ)償?shù)那闆r下，系統(tǒng)中A、B、C三相對地電壓和電壓互感器中電流情況如圖8和圖9所示。

從仿真結(jié)果圖8可知，當(dāng)A相發(fā)生接地故障后，中性點(diǎn)消弧線圈隨即投入，補(bǔ)償系統(tǒng)中電容電流。系統(tǒng)對地電壓產(chǎn)生震蕩過程。A相對地電壓最高為25.6kV，B相對地電壓最高為23.4kV，C相對地電壓最高為23.5kV。

圖7 消弧線圈未投入時(shí)系統(tǒng)三相電壓互感器電流波形

從圖9中可以看出，消弧線圈的投入，系統(tǒng)中對地電容上積累的電荷有了泄放通道，無需全部通過電壓互感器勵(lì)磁繞組。因此，電壓互感器中沖擊電流的幅值約為28mA，小于極限輸出電流，一般不會(huì)引起電壓互感器損壞。

由于該變電站消弧線圈為2010年安裝，隨著近年來對地電容不斷增大，使得消弧線圈處于欠補(bǔ)償狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)對地電容參數(shù)計(jì)算，消弧線圈全補(bǔ)償情況下電感值應(yīng)為163mH，現(xiàn)脫諧度為36.6%。即便如此，消弧線圈如果能在故障時(shí)全部投入補(bǔ)償，電壓互感器中就不會(huì)出現(xiàn)高幅值沖擊電流。因而分析推斷此次事故的主要原因是消弧線圈可控硅未能及時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，消弧線圈沒有投入補(bǔ)償，電壓互感器中出現(xiàn)高幅值沖擊電流，多次故障累積效應(yīng)造成電壓互感器炸裂。

圖8 消弧線圈投入時(shí)系統(tǒng)三相對地電壓波形

5 結(jié)語

（1）中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，線路發(fā)生單相接地故障，單相接地電弧過零熄滅時(shí)，電壓互感器中將出現(xiàn)沖擊電流。按照故障系統(tǒng)的實(shí)際條件計(jì)算，電壓互感器高壓繞組中的電流幅值高達(dá)額定電流近百倍。

（2）消弧線圈投入時(shí)，即使處于脫諧狀態(tài)，也可補(bǔ)償部分電容電流，故障時(shí)可為電壓互感器沖擊電流提供另外的通道，使電壓互感器中電流處于正常范圍。

圖9 消弧線圈未投入時(shí)系統(tǒng)三相電壓互感器電流波形

（3）接地故障時(shí)，由于系統(tǒng)中相控式消弧線圈的可控硅未及時(shí)導(dǎo)通，使消弧線圈沒有投入運(yùn)行，電壓互感器中多次流過高幅值的沖擊電流。架空線路和電纜線路混合的系統(tǒng)中，接地故障發(fā)生的概率是比較高的，多次高幅值的電壓互感器沖擊電流累積的結(jié)果導(dǎo)致本事故的發(fā)生。

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