弧光接地过电压引起设备烧毁事故原因分析

2010-09-22王接旭侯建军丁晓锋

电气技术 2010年1期

王接旭侯建军丁晓锋

（新密市电业局，河南新密 452370）

1 引言

目前我国 10kV线路电力网络采用中性点不接地的方式运行，当 10kV出线发生单相接地时，接地电流只是网络电容电流，比较小，保护装置不动作于跳闸，只给出信号，电网可持续运行2h，故提高了供电可靠性。其缺点是经济性差，因 10kV中性点不接地网络单相接地时，使不接地相对地电压变成了线电压，易出现弧光引起的谐振过电压，造成对电力设施的严重损坏。

2 事故经过

2.1 事故前运行方式

110kV某变电站一次主接线如（图 1）所示，110kV东母带1#主变运行，110kV西母带2#主变运行，110kV母联处于解备位置。1#、2#（2×40MW）分别带10kV I段、10kV II段运行，10kV母联开关处于热备用状态，10kV备用出线均在解备位置。

2.2 事故动作报告

图1 110kV变电站接线图

2009年6月11日21时43分，110kV变电站后台机报“10kVⅡ母PT接地”时，正当值班人员准备进一步查清信号，然后进行选择接地板次时，突然听到高压室传出一声巨响，走到离高压室不远处，看到高压室一片火光，里面烟雾弥漫看不清任何设备。事故发生后检查发现两台主变低压侧开关已事故跳闸，10kV母联开关和10kV I母、II母C相电压互感器以及母联开关相邻的两条备用出线板上刀闸已经相继烧毁。

以下是当时保护装置上显示的故障信息：

3 事故过程分析

认真分析这次事故时各装置记录的录波信息如图2～3所示，我们可以看到10kV I母C相电压有一个突变脉冲比其他两相电压高出约1.5倍， 2#变B、C（非故障相）电压约为正常电压1.7倍。结合各项事件记录，可以设想事故过程是这样的：10kV II母A相在某处（站外配电线路可能性大）发生非金属性不完全接地，接地电容电流在5～20A上下，电弧燃、熄反复，形成单相弧光接地，使10kV II母A相电压下降到15V左右，B、C两相电压升高到9kV上下并伴有较高谐波（过电压），24.33s后使10kV II母C相PT、城1001开关C相断口绝缘击穿；开关绝缘击穿导致过电压窜入10kV I母，致I母C相PT绝缘击穿；母联开关C相断口绝缘击穿后形成的短路电流导致真空管爆炸，造成该柜内两相并发展为三相短路；由于此时短路电流较大，短路电弧造成三组刀闸烧毁。2#变、1#变低后备保护过流I段、复合电压闭锁过流I段II时限相继启动，发生接地故障后延时24.39s后相继跳开了2＃主变、1＃主变低压侧开关、延时24.7s后跳开10kV母联开关。

图2 10kV I母三相电压故障录波

4 事故原因分析

4.1 单相弧光接地过电压为故障发生的主要原因

当10kV II母A相发生单相接地故障时，系统处于异常运行状态，由于单相接地电流是电容性的，一般不超过 10A，电弧既不容易自行熄灭，又不足以稳定重新燃烧，因而发生间歇性重燃现象。电弧每次间歇性重新燃烧都引起整个系统对地电磁振荡，并且前后过程相互影响，振荡逐步加强，使系统出现过电压。后台机报“10kV II母A相接地”，使非故障相上出现弧光接地过电压情况。经计算表明，发生单相弧光接地时过电压的最大值将达到：Umax=1.5Um+(1.5Um-0.7Um)=2.3Um，单相弧光接地的过电压瞬时幅值最大可以达到20.4kV。如果弧光接地在接地点造成弧光间隙性反复燃烧，那么产生的过电压倍数将远大于 2.3倍。根据有关资料介绍，在国外有些专家对单相弧光接地进行了实测，其结果显示，过电压幅值高达正常相电压幅值的3～3.5倍。在系统发生单相接地时，容易产生较高的过电压，强烈的过电压可使空气绝缘被击穿，形成弧光短路；其一旦产生就将会在电力网络绝缘薄弱环节形成闪络放电，将绝缘破坏，造成相间短路或者损害电气设备。

由于电力系统可以看作是一个由许多具有电感性、电容性的元件所组成的复杂电路，故障的出现使电力系统从一种电磁状态过渡到另一种电磁状态，这种过渡过程必须经过高频振荡过渡过程，通过电弧接地点的高频振荡电流最大（可达数百安培），时间短，振荡电流可达到高出稳态下电流的很多倍。

目前电力系统6～35kV中性点采用的是不接地运行方式，这种方式对其本身来说虽然有它的诸多优越性，根据《电气事故处理规程》的规定，在出现单相金属性接地时，可以运行1～2h，在出现单相弧光接地时可以运行15m in，这对于电力用户来说其可靠性相对较好。但是实际上一旦产生弧光接地，过电压以及大的接地电流对电气设备的损坏是迅速的，根本就没有15m in的时间留给值班人员进行分析、判断和处理。

4.2 铁磁谐振过电压也是可疑的原因

该110kV变电站10kV I、II母PT没有采用用四只PT的接线方式，无法提高PT的零序励磁特性，从而提高PT的抗烧毁能力。但是应注意到，单相接地使中性点出现零序电压，三相PT中产生零序电流，经电源形成回路，当Ln与3 C0在某频率下参数值匹配时，得以流通，从而在3 C0上建立与各相电源电压叠加，产生铁磁谐振过电压，维持PT饱和，从而形成持续一段时间的铁磁谐振。励磁电流剧增数十甚至一百倍，并形成铁磁谐振过电压，也是导致10kV I、II母PT烧毁现象发生的一个可疑的原因。

5 防范措施

5.1 采用中性点经消弧线圈接地运行方式

消弧线圈是一个铁心可调节的电感线圈，将它安装在接地变中性点处，这样系统一旦发生单相接地（不针对弧光接地高频分量）时，可形成一个与接地电流大小近似相等、方向相反的电感电流与容性接地电流相补偿，从而达到限制接地电流，避免在接地点形成弧光。同时即使是运行方式发生变化，使消弧线圈的补偿度或脱谐度发生变化，而产生弧光接地，燃弧后电容的充放电电流要经过消弧线圈流回，而不会在故障点形成多次弧光重燃，这样就有效地避免了接地点的间歇性燃弧，达到扬制弧光过电压的目的。同时在经过精确测试现有系统的单相接地电流的基础上，合理地设计和选择好消弧线圈，可以将接地电流限制在5A以下，以确保电力系统的运行安全。

电网中性点经消弧线圈接地方式的优点是：

（1）降低了电网绝缘闪络（如雷击闪络）接地故障电流的建弧率，减少了线路跳闸率。

（2）金属性接地故障时，可带单相接地运行，改善了电网不间断供电，提高了供电可靠性。

（3）接地工频电流（即常称的残流）小，降低了地电位升高，减小了跨步电位差和接地电位差，减小了对低压设备的反击以及对信息系统的干扰等。

值得注意的是，现行所有以消弧线圈设计的自动跟踪补偿或自动调谐是在电网工频（50Hz）下完成的。电网在单相间歇性电弧接地时刻，在健康相（非故障相上）发生的弧光过电压和通过电弧接地故障点的总电流是幅值较大的高频电流，而电网电容和消弧线圈电感在高频下，两者频率特性是完全不同的，两者在高频下是不可能互相补偿或调谐的。