一起330kV变压器间隙保护动作行为分析

2014-04-16栗磊

电气传动自动化 2014年2期

栗磊

（宁夏电力科学研究院，宁夏银川 750002）

1 背景

高电压等级变压器由于经济性考虑一般均系半绝缘变压器，即位于中性点附近变压器绕组部分对地绝缘比其他部位弱，中性点不接地时绝缘容易被击穿，从而损毁变压器。在电力系统运行中，为保证电网及变电所零序等值网络基本不变，对变压器中性点接地运行的数量有规定，因此变电所内变压器中性点不是全部接地运行。间隙保护的作用就是确保中性点不接地变压器的安全运行，防止因雷击及操作过电压造成变压器损坏。

2 事故经过

2012年4月11日出现以下故障：①12时29分莲-徐Ⅱ线B相发生单相接地故障，差动保护动作出口，断路器单跳单重，#2主变后备保护启动（间隙零序保护）；②12时47分莲-徐Ⅱ线A相发生单相接地故障，差动保护动作出口，断路器单跳单重，#2主变后备保护启动（间隙零序保护）；③13：03，调度令莲-徐Ⅱ线转热备（断开3331、3332断路器），莲-徐Ⅱ线徐家庄侧A相、B相线路PT发生沿面放电，需要停电处理，至此马莲台电厂出力转至莲-徐Ⅰ线；④13时04分莲-徐Ⅰ线B相发生单相接地故障，差动保护动作出口，断路器单跳单重；13时04分#2发变组间隙零序过流保护动作，#2发电机组跳闸停机；⑤13时10分莲-徐Ⅰ线A相发生单相接地故障，差动保护动作出口，断路器单跳单重。

3 事故前运行方式

马莲台电厂两台机组正常运行，莲-徐Ⅰ、Ⅱ线正常运行。#1发电机、启备变接入第一串（3312、3310、3311断路器），#2发电机、莲-徐Ⅰ线接入第二串（3321、3320、3322断路器），莲-徐Ⅱ线接入第三串（3331、3332断路器），#1主变中性点接地刀闸在合位，#2主变中性点接地刀闸在分位。#1机组有功负荷215MW，#2机组有功负荷223MW，莲-徐Ⅰ线电流320A，有功190MW；莲-徐Ⅱ线电流323A，有功192MW。马莲台电厂主接线如图1所示。

图1 马莲台电厂330k V系统主接线

4 保护动作分析

4.1 线路保护动作分析

莲-徐Ⅱ线、莲-徐Ⅰ线累计4次电流差动保护动作出口，断路器单跳单重，均为线路上有瞬间接地故障，保护动作正确。

4.2 #2主变间隙零序保护动作分析

第①、②次故障时，莲-徐Ⅰ、Ⅱ线并列运行，莲-徐Ⅱ线单相接地瞬间，#2主变中性点产生暂态过电压，一次电压瞬时值达到204kV，将中性点间隙击穿，3个周波后线路保护动作将故障切除，系统绝缘恢复，间隙保护虽启动，间隙电流超过动作定值，但未达到保护动作延时（定值500ms），如图2、3所示分别为第①、②次故障主变保护录波图。

图2 第①次故障主变保护录波图

图3 第②次故障主变保护录波图

第③次故障前，莲-徐Ⅱ线转热备状态，莲-徐Ⅰ线发生B相接地故障后，#2主变中性点间隙再次击穿，3个周波后线路差动保护动作将3322、3320断路器B相跳开，至此全厂1号、2号机组负荷全部通过莲-徐Ⅰ线A、C相送至徐家庄变电站，线路在重载状态下又非全相运行，产生较大的零序电流通过中性点间隙流回大地，使间隙电流保护元件不能返回，间隙没有熄弧，持续放电时间550ms，达到保护定值动作时间，＃2主变间隙零序过流保护动作。如图4所示为第③次故障主变保护录波图，从图4可看出故障切除后，主变高压侧中性点间隙零序电流持续存在（二次有效值30A），明显区别于图2、3。

图4 第③次故障主变保护录波图

4.3 非全相状态下零序电流分析

假定系统中某线路A相断开,断开前线路A相负荷电流已知为Ifa,断开后,在断相处出现一组不对称的电压Ua≠0,Ub=Uc=0,线路断相后的状态可作为正常负荷状态与ΔUa作用下的故障量的叠加。以A相为基准相,根据序分量法计算和推导,可得出非全相运行时线路零序电流和负荷电流的关系［2］:

从式（1）可以得出非全相状态下零序电流的大小与负荷电流成正比关系。为进一步作定量分析，用PSASP电力系统综合分析程序对不同运行方式下，莲-徐Ⅰ线非全相状态时零序电流的大小进行仿真计算，结果如表1、2所示。

表1 莲-徐Ⅰ、Ⅱ线并列运行

表2 莲-徐Ⅰ线运行、莲徐Ⅱ线热备

从仿真结果可以看出，两种不同的运行方式下，线路非全相所产生的零序电流标幺值相差接近6倍，这也就解释了在图4中间隙电流持续存在的原因。

根据以上分析可知，在第③次线路故障发生后，＃2主变中性点间隙被再次击穿，通过主变中性点间隙和附近接地点构成零序电流环路，此时马连台电厂仅由莲-徐Ⅰ线与系统联络，线路保护动作切除故障后，由于莲-徐Ⅰ线非全相运行，产生了较大的零序电压和零序电流，使得在故障切除后，系统绝缘仍不能得到有效恢复，主变中性点间隙持续流过零序电流（时间长达550ms），且电流达到动作定值，最终造成＃2主变间隙过流保护动作。

5 间隙击穿原因分析

根据马莲台电厂变压器设计资料，主变中性点间隙距离应在400mm至460mm，实际测量距离为402mm，根据GB/T 311.6-2005/IEC 60052:2002《高电压测量标准空气间隙》中6.2条相关规定，标准大气条件下水平间隙的放电电压为：

式中：U0为放电电压（kV）；d为间隙距离（mm）。

对于马莲台电厂变压器放电间隙402mm的距离，依据公式（2），可计算得出放电电压为U0=2+0.534d=2+0.534×402=216.7kV，即在主变中性点在放电间隙402mm的情况下，击穿电压应为216.7kV以上。但是从变压器保护装置录波图分析三次间隙击穿时零序电压峰值均为204kV左右，达不到间隙击穿电压，考虑到当天的恶劣雨夹雪天气使空气绝缘能力减弱，降低了间隙耐受电压，因此这次由于线路单相接地故障导致的变压器中性点间隙击穿的直接原因就是恶劣的天气。

6 结论

线路连续发生单相接地故障，在#2主变中性点产生暂态过电压，由于恶劣的天气降低了中性点间隙的击穿电压，使暂态过电压将变压器中性点间隙击穿，同时由于单回线路非全相运行，产生了较大的零序电流和零序电压使得中性点间隙在线路单相接地故障被切除的情况下依然不能有效地恢复绝缘，持续被击穿状态，造成了变压器中性点间隙保护动作。