一起10 kV消弧线圈中性点过电流故障分析与处理

刘祚宇，马佳艺，袁 林，范景博

(1.国网沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110003；2.沈阳电能建设集团有限公司联发设计分公司，辽宁 沈阳 110000；3.国网盘锦供电公司，辽宁 盘锦 124010)

1 系统及设备概述

东北地区某220 kV变电站，共有220 kV、66 kV和10 kV 3个电压等级。220 kV系统接线方式为线路变压器组接线，66 kV和10 kV系统接线方式均为单母线分段，66 kV系统分两段母线，10 kV系统分四段母线。变电站内共有三绕组主变压器(以下称主变)2台，接线方式为Y0/Δ/Y-12/11/10型。其中10 kV低压侧为星型接线，中性点经消弧线圈接地，属于小电流接地系统。每台主变低压侧均带两段10 kV母线运行。本次故障的10 kV甲线路连接在10 kV系统Ⅳ段母线上，由2号主变供电。2台主变低压侧中性点消弧线圈均配置隔离开关和跌落式熔断器。跌落式熔断器型号为LBUII-12/200-12.5，是ABB公司2005年产品，于2005年随消弧线圈投运。为保护消弧线圈，安装此熔断器。

2 故障情况

2020年12月30日11：22，该220 kV变电站10 kV甲线路发生B相单相接地故障。单相接地故障发生时，变电站内2号主变的消弧线圈中性点出现过电流，熔断器被烧毁(现场熔断器熔丝烧断，上口瓷瓶碎裂，瓷瓶落地，熔断器铅丝管坠落，连接至熔断器的电缆头悬空，熔断器下方地面可见碎裂瓷瓶)，如图1所示。随后，变电站内小电流选线装置动作，切除故障线路。

图1 10 kV消弧线圈中性点事故现场图像

根据该变电站负荷情况，选择变压器负荷较轻时段开展抢修工作。30日20：00，2号主变停电处理损坏熔断器，未造成负荷损失。

3 故障分析

事故抢修工作结束后，二次检修人员到达该220 kV变电站，通过故障录波图分析等手段，对这起事故发生过程及原因展开探究。

3.1 消弧线圈中性点过电流成因分析

检修人员通过调取2号主变的故障录波器内波形图进行分析，结果发现，当10 kV甲线路发生B相单相接地故障时，2号主变10 kV侧中性点B相也出现较大短路电流，经计算一次侧峰值约为12 kA，持续时间约为0.85 s，如图2所示。正是该短路电流造成消弧线圈中性点熔断器烧损。

(a)故障电流出现

(b)0.85 s后故障电流消失图2 2号主变10 kV中性点电流故障录波图

中性点经消弧线圈接地方式，属于小电流接地方式[1-3]，当系统发生单相接地故障时，线路及中性点处接地电流应被有效抑制为较小数值，约为几安培至几百安培的水平[4-5]。而在本次事故中，中性点接地短路电流达到约12 kA，即中性点电流互感器额定电流的3～4倍，属于不正常现象。

检修人员发现2号主变1 kV消弧线圈处，连接至熔断器的电缆头绝缘处理施工质量较低，而且现场在电缆头处，通过隔离开关金属支架有放电痕迹，如图3所示。考虑到消弧线圈及熔断器投入运行时间长、电缆头绝缘水平不高，检修人员判断消弧线圈中性点过电流产生原因是在故障发生前，2号主变10 kV系统的消弧线圈中性点已通过熔断器电缆头附近的金属支架接地，成为中性点直接接地系统。因此，10 kV甲线路发生单相接地故障时，同其他大电流接地系统类似，10 kV系统中性点处也会流过较大的故障短路电流[6]。0.85 s后，该故障电流将熔断器烧损，熔断器断开后，中性点处故障电流消失。

图3 2号主变10 kV消弧线圈电缆头处放电痕迹

3.2 相关保护装置动作情况分析

10 kV甲线路配置有三段式过流保护[7]，其中过电流Ⅰ段保护一次侧电流定值为2.4 kA，时限为零。甲线路发生单相接地故障的相别为B相，该变电站所有10 kV线路的电流互感器采用不完全星型接线方式，B相均未安装电流互感器，线路保护无法感受到短路电流[8]。因此虽然消弧线圈中性点过电流存在过程中线路上的短路电流大小已超过整定值，甲线路的过电流Ⅰ段保护并没有动作。

由于中性点处短路电流存在，而且无法依靠线路保护切断该短路电流，因此2号主变的低压侧复压闭锁过流后备保护启动[9]。主变低压侧后备保护电流定值为6 kA，时限定值为1.1 s，熔断器在0.85 s断开后使故障电流消失，低压侧后备保护返回，并未动作，如图4所示。可见，如果短路电流未烧损熔断器，短路电流的大小及存在时长均达到限值，且由于接地故障时主变B相电压降低，满足复压解闭锁条件[10-11]，因此将造成2号主变低压侧后备保护动作，由2号主变供电的10 kV线路将会全部失电，从而扩大事故停电范围，发生保护越级跳闸事件[12]。

图4 2号主变低压侧后备保护启动

熔断器断开后，中性点处接地点也相应断开，2号主变10 kV系统变为中性点不接地系统。由于10 kV甲线路的B相接地故障仍然存在，10 kV系统B相母线电压明显降低；A相和C相电压升高至接近系统线电压[13]，波形出现畸变，如图5所示。9 s后小电流选线装置正确动作切除故障线路，系统恢复正常，如图6所示。

图5 10 kV系统母线电压波形

图6 小电流选线装置正确动作

4 防事故措施

本次事故暴露出消弧线圈中性点电缆头绝缘措施施工工艺不到位的问题，造成中性点熔断器被短路电流烧毁，严重影响了电力生产安全秩序，同时还有扩大事故影响范围的风险。为防止发生类似事故，考虑采取如下措施。

a．针对该地区三绕组变压器，考虑避免在主变三次侧中性点直接接入消弧线圈，尽量选择在10 kV母线上通过接地变接入消弧线圈，减少因10 kV中性点设备异常或故障的发生，或造成改变系统运行方式、扩大事故影响范围等情况。

b．针对重要地区及用户供电的10 kV线路，考虑采用完全星型接线的电流互感器接线方式，能够反映各种相间及接地故障电流，提升线路保护的灵敏性。

c．基建工程的现场施工作业人员应严格执行相关施工工艺标准，验收人员必须遵循工程质量达标标准进行验收。同时，加快淘汰在运的各类老旧设备，保证电力系统安全稳定运行。

d．组织开展小电流选线装置[14]动作准确率的统计工作，在提高小电流选线装置准确性的前提下，研究分析小电流选线装置取代消弧线圈接线方式的可行性。