一起10kV母线停电事故的成因分析

周宣

(天脊集团高平化工有限公司，山西高平048400)

0 引言

某公司220kV供电系统采用GIS六氟化硫真空断路器，10kV出线90%以上采用电缆线路，因此，系统对地电容电流较大，于是选用了2台主变压器高压侧备用直接接地，低压侧经中电阻接地的方式。

采用这种方式供电以来，几乎没有出现过因谐振过电压、雷电过电压等而造成事故范围扩大的现象，但在2009年6月27日的架空线搭接事故中，由于架空线对地电容电流突然增大，超过了设计值，从而造成过电压的持续时间过长，使事故范围扩大。

1 事故经过

2009－06－27T13:18，突发暴风骤雨，10kV高压架空线路出线开关速断保护64ms动作跳闸，动作电流1700A。保护装置显示B相、C相短路;与该架空线接于同一母线的另一10kV开闭所B进线开关零序保护300ms动作跳闸，由架空线供电的开闭所A及与该架空线接于同一母线的10kV开闭所B的II段母线停电，造成全公司生产系统停产，损失很大。

经分析，10kV高压架空线路为故障线路，故障电流过大，使短路产生的过电压来不及通过中电阻流入大地，过电压持续时间过长，造成开闭所B过电压保护器击穿对地放电，零序保护动作II段母线失电。经分析认为，故障原因为架空线路不对称短路引起了工频过电压。

2 事故原因分析

(1)事故发生时是大风天气，架设于该公司线路上侧的民用低压线脱落后，搭接于该公司10kV架空线路上，B相接地短路，故障电流达到1700A，由于单相接地电流过大，弧光接地，架空线瞬间由单相接地发展为相间短路，出线开关速断保护64ms动作跳闸。

(2)架空线路速断保护动作切除故障后，300ms过电压保护器对地放电，零序保护动作，母线停电。经分析，过电压保护器动作的原因可能为:系统除架空线路故障外，还有其他故障点;雷电过电压;架空线路断路器跳闸引起系统内部产生过电压。

(3)事故发生后，对母线进行了绝缘电阻和吸收比测试，均在正常范围内，因此排除了系统有其他故障点的可能性。由于雷电过电压持续时间一般较短，仅为几十毫秒，而此次事故中过电压持续时间远大于该数值，于是初步认为过电压保护器动作的原因为架空线路断路器跳闸动作引起系统内部产生过电压。

由于接地故障以及断路器跳闸动作的影响，系统电感、电容参数配合产生变化，电压瞬间发生冲击响应，产生工频过电压，在系统阻尼的作用下，逐渐衰减，但由于持续时间较长，对过电压保护器等设备产生影响。

(4)事故发生时，系统功率因数在0.995～0.998之间波动，接近1.000，架空线搭接引起对地电容增大，增大了功率因数，同时断路器跳闸动作激发，引起系统产生过电压。

(5)该公司#2主变压器采用高压侧中性点不接地、低压侧经中电阻接地方式运行，电阻器型号为ZZH－10－30，电阻值为30Ω，属中性点中电阻接地系统。在多数故障情况下，单相接地故障电流小于600A，谐振过电压、操作过电压等均能通过中性点接地电阻释放到大地中，中性点接地电阻能较快地降低过电压的幅值，过电压不会对该公司供电系统造成影响。

在此次事故中，民用低压线脱落后搭接于架空线上，架空线路对地电容突然增大，对地电流I=jwcu，单相接地电流为非故障相对地电容电流与中性点电阻电流之和，使单相接地故障电流达到1700 A，远远大于中性点电阻的设计接地电流值(此时适用中性点经小电阻接地)，故障线路速断保护动作跳闸后，过电压不能很快释放，过电压保护器持续承受过电压，在绝缘薄弱处击穿对地放电，产生零序电流，使零序保护动作跳闸。

(6)热电开闭所灰尘较大，6月份天气潮湿，容易引起过电压保护器绝缘电阻降低，在过电压的作用下击穿放电，之后恢复。

(7)架空线路架设不符合规范，低压架空线路应建设于高压架空线路之下。

(8)保护定值设置不合理，使断路器出现越级跳闸，B开闭所出线开关拒跳，使进线开关越级跳闸。

3 防范措施

(1)对架空线路进行重新架设，依据规范进行施工。

(2)由于10kV母线分段运行且只在二段母线有架空线路，因此，将#1主变压器高压侧中性点接地、#2主变压器不接地改为#1主变压器高压侧中性点不接地、#2主变压器接地(将给架空线路供电的主变压器高压侧中性点接地)，预防架空线路产生过高的接地过电压。

(3)投运无功自动调节装置，使功率因数保持在0.950左右，避免功率因数接近1.000而给过电压的产生提供条件。

4 中性点经电阻接地系统的特点

(1)电阻接地系统的原理。根据电网的运行经验，当电网中性点不接地时，即使单相接地电容电流不大，也会因在单相接地时产生间歇性的弧光接地过电压而使健全相的电位升高到足以破坏其绝缘水平的程度，甚至形成相间短路故障。如果在变压器中性点(或借用接地变压器引出中性点)串联接入某一电阻，该电阻与系统对地电容构成并联回路。由于电阻是耗能元件、电容电荷释放元件及系统谐振的阻尼元件，当电网发生单相接地故障时，间歇性弧光接地过电压中的电磁能量通过接地电阻释放，则中性点电位降低，故障相的恢复电压上升速度减慢，从而减少弧光重燃的可能性，抑制了电网过电压的幅值，并使有选择性的接地保护得以实现。中性点经电阻接地系统如图1所示。

图1 中性点经电阻接地系统

(2)中性点经电阻接地系统的分类。按限制接地故障电流大小的要求不同，可分为高、中、低电阻接地系统(由于中电阻接地和小电阻接地系统的运行特性相似，也可只分为高电阻和低电阻2类)，其阻值与单相接地电流的范围见表1。

表1 中性点经电阻接地分类

(3)经电阻接地系统由于其限制工频过电压和弧光接地过电压、消除铁磁谐振过电压的优越性，应用越来越普遍。与经消弧线圈接地系统相比，具有以下优点:

1)能补偿5次谐波，避免事故扩大为相间短路。经上海供电局接地试验实测，消弧线圈不能消除接地电容电流中的5次谐波电流，这部分电流高达基波分量的10%～15%，在故障处理过程中加速了绝缘烧损，易发展为相间短路而跳闸，而接地电阻可以消除弧光接地过电压中的5次谐波电流。

2)内部过电压幅值小。在消弧线圈接地系统中，弧光过电压和铁磁谐振过电压幅值较高，持续时间长，严重威胁设备绝缘安全，此类过电压标幺值可达3.2p.u.，而发电机、电缆等最高过电压标幺值要求不超过2.6p.u.(2.0p.u.以上的概率为34%)。

中性点经电阻接地系统可降低单相接地工频过电压，而且能快速切除故障线路，这有利于与有积累效应的电缆线路的绝缘，也有利于无间隙氧化锌避雷器的安全运行。弧光接地过时电弧积聚的电荷可通过电阻泄漏入地，中性点电位衰减快，所以过电压标幺值一般小于2.5p.u.。

电阻接地方式是消除铁磁谐振过电压的有效措施。

3)能很快切除故障，维护设备和人身安全。在消弧线圈接地系统中，单相接地发生后，允许在2 h内带故障运行，系统工频电压升高，容易损坏绝缘发生闪络或击穿，从而造成相间短路;电缆线路的绝缘为非自恢复绝缘，一旦发生接地故障，即为永久性故障。

经电阻接地系统发生接地故障后，依靠零序保护装置立即跳闸，防止事故扩大和人身触电事故的发生。

4)容易判断故障线路，便于及时切除故障线路，提高系统稳定性。发生单相接地故障时，可以准确、迅速地判断出故障线路并在短时间内切除，使设备耐受过电压的时间缩短，为系统设备降低绝缘水平创造了有利条件，使系统运行的可靠性增加。采用选线装置来寻找故障线路，不准确且容易引发相间故障等，需采用人工巡检手动拉路的方式，而小电阻接地系统由继电保护自动巡检起跳故障线路。

5 产生单相接地过电压的原因

对于中性点不接地系统或不直接接地的系统，单相接地时可能会出现的过电压一般情况下有2种，即工频过电压和弧光接地过电压。

(1)工频过电压。当系统发生单相或两相不对称接地短路故障时，短路引起的零序电流会使健全相上工频电压升高，其中单相接地时非故障相的电压可达较高数值。单相接地时工频电压升高值是确定避雷器灭弧电压的依据。

在中性点不接地或不直接接地的系统(如本文事例属中性点经电阻接地系统)中，一相接地时健全相的相对电压将上升为U(U为电源相电压)，即出现了倍的过电压。

在该事例中，由于开闭所灰尘大，事发时空气潮湿，过电压保护器在持续工频过电压下起保护电气设备的作用，击穿放电。

(2)弧光接地电压。实践证明:在线路较短，接地电流很小的情况下，单相接地电弧会迅速熄灭，电网自动恢复正常。而当线路较长时，接地电流大，电弧不会很快熄灭，容易形成不稳定的断续燃烧现象，由此引发的电磁能量振荡过程便产生间歇性电弧接地过电压。此种过电压的幅值高，作用时间延长，危害作用较大，曾经导致系统多次发生事故，因此备受业内人士关注。弧光接地电压与一相对地多次发弧引起另外两相对地电容波动有关。在正常情况下，各相导线的对地电容保持在平衡状态，彼此相等。一旦其中一相出现故障便打破了此种平衡，使得电容出现振荡而使三相对地电容上的总电荷不能为零，从而导致其中一相出现较高过电压的现象。

实际上，由于每次发弧不一定在其工频幅值，自然熄弧条件较差不一定能使电弧在通过高频电流零点时熄灭，而且线路各相导线间还存在着线间电容，电弧中又有压降，系统中损耗使振荡衰减等，从而对电缆线路、架空线路和绝缘差的设备构成了较大威胁。

6 中性点接地方式的发展趋势

近年来，随着电缆线路的增加、GIS六氟化硫真空断路器的使用，系统对地电容电流增大，系统发生接地故障时因弧光不能自行熄灭而发展成相间短路或因间歇性电弧造成过电压的事故呈上升态势。经电阻接地方式以其比消弧线圈的明显优越性，应用越来越广。

(1)经电阻接地方式的发展优势及缺点。对于中压电网，采用中性点经电阻接地方式，可迅速释放接地电容电流，限制了工频过电压和弧光接地过电压。

在电阻接地系统中，发生单相接地时，利用中性点的电阻在故障点叠加有功电流，使接地电流稳定燃烧，间歇电弧接地过电压自然也不会产生了;与此同时，自由振荡电荷通过该电阻很快泄入大地，限制中性点位移电压的过度升高，降低电弧接地过电压的幅值，其最高暂态过电压标幺值为2.5p.u.，随着电力电缆和架空绝缘导线的推广应用，当发生高阻接地故障时，零序过电流保护装置不能实时动作，容易导致事故扩大。与此同时，谐振接地方式克服了原来的缺点，实现了自身的优化。

(2)改良后的谐振接地方式具有强大的生命力。采用消弧线圈与电阻并联接地的运行方式，兼具了经消弧线圈与经电阻接地系统的优点，过电压水平低、概率小，单相接地的保护实现容易、保护接地安全性能提高等。

优化的谐振接地方式，引入了自动调谐装置，减小了调谐难度。从理论到实践，可以根除所谓的铁磁谐振过电压;单相接地时瞬间熄弧，电弧接地暂态过电压标幺值为2.3p.u.，在消弧线圈调谐良好的情况下，标幺值一般不超过2.5p.u.(2.0p.u.以上的概率为5%);无需增大接地故障电流，便可自动清除故障线路，而且没必要带故障继续运行，很难发展为相间短路事故。

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