浅谈站用400V交流系统绝缘故障查找方法

广西电网有限责任公司桂林供电局 徐 超 吴江雄 陈 斌 胡贺梅 广州市仟顺电子设备有限公司 吴文健

站用400V交流电源系统是变电站的主要电源系统，覆盖范围广阔，考虑用电设备和人员安全，站用400V交流电源系统设计为接地系统；发电机、变压器的中性线均要可靠接地。站用变负荷有三相平衡负荷、三相不平衡负荷和单相负荷三种，负荷回路走线有三相五线制、三相四线制、三相三线制、单相三相制和单相双线制。站用交流系统负荷分为三相平衡负荷、三相不平衡负荷和三相负荷三种类型。三相平衡负荷电源接三相火线La、Lb和Lc，外壳接地线，负荷工作时火线有电流，地线无电流；三相不平衡负荷电源接三相火线La、Lb、Lc和零线，外壳接地线，负荷工作时火线和零线有电流，地线无电流；单相负荷电源接火线（La或Lb或Lc）和零线，外壳接地线，负荷工作时火线和零线有电流。

1 交流系统绝缘故障及其危害

站用交流系统是保证变电站安全可靠地输送电能的一个必不可少的环节，站用电主要为变电站内的一、二次设备提供电源，其作用有：大型变压器的强迫油循环冷却系统电源，交流操作电源，直流系统用交流电源，设备用加热、驱潮、照明等交流电源，为UPS、SF6气体监测装置提供交流电源，正常及事故用排风扇电源，照明等生活电源。其负荷较重要，但均没设计漏电保护，导致站用交流系统发生接地故障不能及时发现。站用交流系统发生接地，轻微故障可能造成电能损耗，严重故障可能会导致站用交流系统失电，事故严重会发生保护误动影响及其恶劣[1]。

案例1：2018年6月，220kV某变电站发生1号站用变380V侧811开关、380V分段810开关故障跳闸，全站交流系统失电。导致1号主变（强油循环）冷却器全停故障跳闸跳开011、111、211开关，10kVⅠ段母线失压。事故分析原因是：10kV配电室检修箱C相经绝缘支柱对地放电造成380V交流系统出现故障；案例2：2005年3月6日，220kV象山站生活负荷发生接地故障，交流馈线开关、交流进线开关未跳闸，站变零序过流保护越级动作跳闸#1站变，380V备自投动作切换，因为故障仍然存在，所以造成#2站变零序过流保护越级动作跳闸。全站交流失电后影响了主变风冷电机，主变被迫停运，造成大面积停电。

2 交流绝缘故障查找方法研究

2.1 交流系统绝缘故障及其特征

交流系统绝缘故障：站用变一次侧为三角形接线，二次侧为星形接线，输出有Ua、Ub、Uc和N线，N线接地。站用400V交流系统绝缘故障从系统线路可分为：相-相绝缘故障。火线与火线之间出现绝缘故障，绝缘故障电阻与负荷属于并联关系，打破原负荷的平衡度，导致的结果是火线电流增加、零线电流增加或减小；相-N绝缘故障。火线与零线之间出现绝缘故障，相当于增加一个单相负载，绝缘相线与零线出现电流增加；相-地绝缘故障。火线与地线间出现绝缘故障，由于站用变中性线可靠接地，也相当于增加一个单相负载，绝缘相线与地线出现电流增加；N-地绝缘故障。N线是站用变中性线引出，同时在变压器端可靠接地，N线绝缘故障点与可靠接地点属于并联关系，属于多点接地。站用交流系统属电源系统，不用作为保护计量，允许多点接地。所以N线绝缘故障无危害，可以不作重点关注。

交流系统绝缘故障特征：交流系统设计为接地系统，接地位置为站用变压器N线接地，变电站地网均是由网站铜排组成，导电能力极强。如图1所示，交流系统发生绝缘故障时相当于在交流系统增加负荷，增加线路负荷电流；相-相绝缘故障发生时，绝缘故障导致故障相线电流增加，即Ia和Ib或Ia和Ic或Ib和Ic更或Ia、Ib和Ic电流增加；相-N绝缘故障发生时，绝缘故障导致故障相线和N线电流增加，即Ia和N或Ib和N或Ic和N电流增加；相-地绝缘故障发生时，绝缘故障导致故障相线有电流流向大地，故障相线电流增加，即Ia或Ib或Ic电流增加。

图1 交流系统负荷电流图示

2.2 交流系统绝缘故障查找方法

交流系统绝缘故障特征表象为线路电流增加，高阻绝缘故障增加的电流极小，加之交流系统电压波动、负荷电流也是波动，简单依据电流增加判断绝缘故障对高阻接地故障无效[2]。相间与相对N高阻绝缘故障所增加的负荷电流对系统无影响，无需深入查找；相对地绝缘故障可能导致故障设备外壳带电，可能造成人身安全事故；所以相间与相对N高阻绝缘故障因查找难度大可先不处理，需对相对地所有绝缘故障和相间与相对N低阻绝缘故障进行查找，排查故障；监测相线电流，对电流剧增的回路进行跟踪查找，直到馈线直流电流减小位置，检查绝缘故障状态、处理绝缘故障，可解决低阻抗所有绝缘故障；检测馈线支路剩余电流，出现剩余电流即为电流往地网回到站用变压器，检测剩余电流可避开波动的负荷电流，可检测到微小电流，用这种方法可检测各种对地绝缘故障。

3 交流系统绝缘故障查找仪设计

设计交流系统绝缘故障查找仪，查找交流系统绝缘故障；绝缘故障查找仪的设计目标为便携、小巧，便于操作。如图2所示，交流接地故障查找仪设计为便携仪表，仪表配备四把钳形互感器，4把钳形互感器可测不同线路电流，对线路电流进行合成；可一把钳子单独测试；满足现场交流系统电流各种情况分布进行测试。设备设计电源电路、电流采样电路、主控CPU电路、USB接口电路、显示电路和存储电路组成。

图2 交流系统绝缘故障查找仪设备结构

电源电路设计。电源电路采用3节5号干电池构成，设计5V转3.3V电路。如图3所示，采用电源芯片ASM1117设计降压稳压芯片，电源周边设计电容、二极管和电阻，完成电源设计；电流采样电路设计。线路电流通过钳形互感器感应后，经如图4所示放大电路，进行二级放大后进行CPU进行AD转换换算，设计4路电流采集电流。

图3 电源电路设计

图4 电流采集电路

主控CPU电路设计。主控CPU选用STM32F 103ZET6。该芯片是ARM32位 的Cortex™--M3CPU，具有运行速度快、存储量大、功耗低和各种功能接口数量众多的特点。该CPU最快72MHz工作频率，12通道的12位AD通道，多达112个快速双向I/O口，多达13个通信接口，其中有USB2.0全速接口和SDIO接口。

USB接口电路设计。仪器设计一个USB接口供测量数据导出。接口电路采用芯片设计，芯片外围设计电阻、电容等完成外围电路设计；显示电路设计。仪器使用4.3寸显示屏，采用芯片设计显示屏接口电路，完成仪器显示部分设计；存储电路设计。利用存储芯片设计8G存储芯电路，供设备采集数据存储。