接地故障引起主变中性点设备损坏的分析

李春阳，张健能，麦志彦，王明方，宁 荣

(广东电网有限责任公司佛山供电局，广东 佛山 528000)

0 引言

随着经济发展,电力系统容量不断增大,发生不对称故障时,流经中性点的故障电流亦不断增大,这就要求中性点接地引下线必须满足一定的热稳定性。中性点接地引下线下端一般长埋地下,受焊接施工不良、雨水土壤腐蚀等影响,常存在导通不良等缺陷,当电力系统发生不对称故障时,会出现泄流不良、放电等现象,产生安全风险。变电站二次电缆屏蔽层是提高变电站电磁兼容水平的重要措施,一般采用两端接地方式。对于中性点构架设备,其二次电缆屏蔽层一端通过中性点构架接地,另一端接于柜体、端子箱或机构箱的铜排上。若接地引下线因热稳定性不够而烧断,或出现锈蚀而存在导通不良,将造成地电位异常升高而威胁人身安全,甚至会影响二次电缆屏蔽层接地线。

1 故障概述

1.1 故障前系统运行方式

某220 kV变电站共有3台主变压器,220 kV侧采用双母线并列运行方式,110 kV侧采用双母双分段并列合环运行方式。故障发生前,3号主变变中运行于5M母线,110 kV世伦乙线运行于6M母线,110 kV母联分段开关均在运行状态,3号主变变中中性点采用直接接地运行方式,1号和2号主变变中中性点采用非直接接地运行方式。具体系统运行情况如图1所示。

图1 故障前系统接地运行方式

1.2 故障过程

2020-01-05T14：22：44,110 kV世伦乙线线路A相发生接地故障,27 ms后距离保护I段动作,跳开148开关A相,1103 ms后单相重合闸动作,重合成功,故障电流为6.13 A (变比为1200/1)。

1.3 现场检查情况

故障发生后,运行人员立即到现场进行检查,发现3号主变变中多个设备损坏：

(1) 变中直流监测装置箱门跌落,内部元件被熏黑。

(2) 中性点接地刀闸机构箱内,电缆屏蔽层接地线被烧断,终端护套损坏。

(3) 中性点交流CT电缆屏蔽层的接地线熏黑受损,绕组温度变送器的直流电源模块损坏。

(4) 主变冷却器控制箱交流进线电源空开跳开,风扇电源A相接线在端子排处被烧毁；控制箱内端子排上多个N线端子因过流而受损,线耳被烧断。

(5) 冷却器控制箱到变中中性点地刀、直流监测装置的电缆屏蔽层的接地线被熏黑损坏。

2 故障处理

2.1 故障定位

综合继电保护动作报告和现场检查来看,110 kV世伦乙线A相单相接地故障,引起3号主变变中中性点设备和多处电缆屏蔽接地线受损。

110 kV世伦乙线A相发生接地故障时,产生的零序故障电流经6M母线、母联110开关、5M母线、变中103开关、变中中性点接地刀闸和设备构架接地引下线流入大地,因5M母线、6M母线、母联开关和变中开关运行正常,且中性点设备上的电缆屏蔽层经构架接地,初步判定故障原因为3号主变变中中性点接地不良,零序故障电流流入大地时受阻,中性点电位升高,引起中性点设备受损,以及多处电缆屏蔽层接地线受损。

2.2 中性点设备

从3号主变变中中性点设备结构设置可以看出,主变变中中性点经套管引出,连接至中性点接地刀闸上端(接地刀闸为杭州西门子BRO接地刀闸),接地刀闸下端经接地铜排接至直流监测装置,再经接地引下线铜排与主变泄油池内的地网铜绞线相连。为确保安全性,中性点构架设备一般采用两点接地,但是,该变电站在增加变中直流监测装置时,取消了构架第二点接地,只保留了一点接地。

中性点放电间隙和避雷器均与接地刀闸并联,经接地引下线与地网连接。接地刀闸机构箱用于拉开合上接地刀闸,箱内地线亦经设备构架引下线接入地网。

2.3 中性点构架接地电阻测量

中性点构架接地性能主要是通过测量接地电阻来表征。根据南方电网公司《电力设备检修试验规程》规定,电力设备接地引下线与接地网连接情况检查(导通性测试)周期为6年1次,测量接地电阻值应在50 mΩ以下。接地电阻值在50～200 mΩ时,宜密切关注；接地电阻值在200 mΩ～1 Ω时,对于重要设备应尽快处理。

对站内1号和2号主变变高、变中构架的接地电阻进行测量；向调度申请将3号主变变高和变中中性点调整到1号主变,对3号主变变高和变中接地构架的接地导通电阻进行测量。测量结果见表1。

表1 中性点构架接地电阻

从表1可以看出,2号主变变高中性点构架接地电阻为86.9 mΩ,阻值偏大；3号主变变中中性点构架接地电阻为771.5 mΩ,严重偏大；其他几个构架接地均正常。

2.4 接地引下线检查

对2号主变变高和3号主变变中中性点设备构架引下线进行检查,发现在油池内3号主变变中中性点设备构架接地引下线与铜绞线连接处的边缘严重氧化锈蚀,并已完全烧断。在油池内的2号主变变高中性点设备构架接地引下线与铜绞线连接的周围,亦严重氧化锈蚀。测量3号主变变中和2号主变变高锈蚀处接地线靠主变侧和主变本体接地之间的电阻值均在3 mΩ以下,阻值正常。

2.5 故障处理

清除2号主变变高和3号主变变中设备构架引下线与铜绞线连接处的锈蚀部分,并将锈蚀位置的接地铜绞线压接一个铜线耳,经铜线耳与设备构架引下线连接。处理之后,再对2号主变变高和3号主变变中设备构架接地电阻测量,测量结果合格。

为保证中性点设备构架接地可靠性,挖开3号主变变中中性点设备构架下端的接地扁铁,用扁铁绕构架接至引下铜排上,实现变中设备构架两点接地,同时修复受损的电缆屏蔽层接地线与电缆终端。

2.6 故障原因分析

查阅中性点设备二次图纸,该站中性点设备电缆屏蔽接地线有两个接地点(在电缆两端),其中一个接地点为经构架接地。

3号主变变中中性点设备构架接地引下线被烧断,测量中性点构架接地电阻为771.5 mΩ,因此可以推断,事故后测量的中性点构架接地电阻,为中性点构架到多个设备(直流监测装置、变中接地刀闸机构箱和中性点CT设备等)电缆屏蔽接地线之间的电阻,与熔断后的中性点电阻的并联电阻。变中设备电缆屏蔽接地线设置如图2所示。与中性点引下线相连的铜绞线烧断后,中性点电阻变大,与多个电缆屏蔽接地线并联后,中性点总电阻为771.5 mΩ。

图2 电缆屏蔽层接地设置

因此,直流监测装置、变中接地刀闸机构箱和中性点CT设备等多个设备电缆屏蔽接地线受损或熔断,是由于电缆屏蔽接地线载流量相对较小,流过的故障电流较大。而变中设备构架接地引下线损坏的原因,是接地引下线与地网连接的接地铜绞线严重锈蚀,接地线等效截面积减小,热稳定性降低,在故障电流冲击下熔断。

中性点构架接地引下线的接地铜绞线熔断后,接地电阻增大,中性点地电位升高,造成直流监测装置电源模块严重损坏,放电产生的高温高压气体将箱门冲飞。故障发生时,3号主变冷却器控制箱内的交流中性线、风扇电源A相流过短暂的短路电流,产生过电压,造成冷却器控制箱内多个交流中性线与A相端子烧损、线耳压接部位烧断,绕组温度测量电源模块损坏。

3 建模仿真分析

为了验证故障分析的正确性,以及更加直观地反映线路单相接地故障对主变变中设备及经构架接地的电缆屏蔽接地线的影响,建立简单的电力系统模型,如图3所示。该模型由发电机、升压变压器、输电线路、降压变压器等组成。升压变压器采用△/Y接线方式,三绕组降压变压器采用Y/Y/△接线方式,双绕组降压变压器采用Y/△接线方式,MN之间为110 kV线路,R为三绕组降压变压器变中中性点接地电阻,中性点CT二次变比为1200/1。

图3 电力系统模型

若变中中性点接地电阻为5 mΩ,有5个变中设备电缆屏蔽层经构架接地,电阻分别为0.8 Ω,1 Ω,2 Ω,3 Ω和2.2 Ω,0.2 s时距离M点7.6 km处发生A相接地故障,故障发生27 ms后保护动作,故障发生53 ms时跳开A相,故障发生1103 ms后重合闸动作,重合成功,线路恢复正常运行。若中性点接地电阻为86.9 mΩ,故障发生9 ms后,中性点设备接地引下线的铜绞线烧断,烧断后中性点接地电阻变为1 Ω；28.5 ms时,接地电阻为0.8 Ω和1 Ω的电缆屏蔽接地线烧毁。

(1) 当中性点接地电阻为5 mΩ且未发生熔断时,故障电流在偏0轴下侧经两个半周波的震荡后,随着故障被切除而减小为0。由于中性点接地电阻在正常值范围内,接地电阻为0.8 Ω的电缆屏蔽层接地线流过的故障电流最大,峰值为180 A。

(2) 当中性点接地电阻为86.9 mΩ时,接至地网的铜绞线熔断后,会使中性点接地电阻突然增大,流过各电缆屏蔽接地线的电流也会随之增大,其中流过接地电阻为0.8 Ω和1 Ω的电缆屏蔽层接地线的故障电流峰值分别为2200 A和1830 A (见表2),电压为1800 V；若此时该电缆屏蔽接地线受故障电流冲击而熔断,中性点接地电阻将进一步变大,会使接地电阻为2 Ω,3 Ω和2.2 Ω的电缆屏蔽接地线受到冲击,其中,接地电阻为2 Ω的电缆屏蔽接地线受冲击最大,为1580 A,电压为3200 V,若其熔断,会使未熔断电缆屏蔽接地线再次受到冲击。部分电缆屏蔽接地线受故障电流冲击熔断后,会延迟未熔断电缆屏蔽接地线受冲击的时间,但是也会给未熔断电缆屏蔽接地线带来比中性点接地铜绞线熔断更大的冲击。

表2 各时间节点电流 A

因此,经设备构架接地的电缆屏蔽接地线流过的电流,与中性点接地电阻、屏蔽接地线电阻、屏蔽接地线是否有熔断等有关。当中性点接地电阻大于正常值,发生不对称故障时,流过电缆屏蔽接地线电流过大,可能会引起其烧断,烧断后会对其他未熔断电缆屏蔽接地线造成冲击。

4 建议措施

为避免类似故障发生,提出以下整改建议：

(1) 佛山地区110 kV系统,采取220 kV变电站内一台主变变中和110 kV上网电厂内一台升压变变中中性点两点接地。该变电站110 kV供电范围内无110 kV上网电厂,因此该110 kV系统实际只有该变电站一台主变中性点一个接地点,该变电站变中中性点直流监测装置是为作对比试验后来加装的设备,经一段时间运行发现,变中直流监测装置直流CT测量数据意义不大,且该装置故障率高,电源模块经常损坏,因此,取消变中直流CT装置。

(2) 加装直流监测装置时,将中性点构架引下线由两点接地改为一点接地,即取消了一个接地引下线的接地点,不符合构架两点接地的要求,已恢复主变变中中性点设备构架两点接地方式。

(3) 2018年3月,修试人员对该站全站地网的导通电阻进行了测试,测试结果合格,而南方电网公司《电力设备检修试验规程》规定测试周期为6年1次,周期过长,建议适当缩短220 kV及以上主变中性点接地引下线导通试验周期,及时发现引下线接地不良的问题,同时建议禁止中性点设备电缆屏蔽接地线经设备构架接地。

(4) 变压器油池一般填充鹅卵石等渗水材料,油池内接地体长期在高湿的空气中,锈蚀严重,特别是焊接位置,容易造成截面减少,危及设备安全。建议设计提前做好各设备接地引线位置,避免接地线在油池内裸敷。