張慶恒 王蕾

(國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司)

1100kV HGIS內(nèi)部單相接地故障分析

張慶恒 王蕾

(國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司)

對一次典型的1100kV HGIS內(nèi)部單相接地短路故障進(jìn)行了分析，主要通過系統(tǒng)接線方式、單相接地短路時的短路電流計算、故障錄波圖及保護(hù)裝置動作報文等方面，說明了發(fā)生故障的區(qū)域及線路保護(hù)、變壓器保護(hù)動作的正確性。根據(jù)現(xiàn)場檢查及HGIS解體檢查，分析了故障發(fā)生的原因。

1100kV HGIS；單相接地故障；線路保護(hù)；變壓器保護(hù)

0 引言

1000kV系統(tǒng)是一個新的電壓領(lǐng)域，而高電壓等級及HGIS的結(jié)合應(yīng)用較少，因此本文將電力系統(tǒng)及繼電保護(hù)理論知識結(jié)合一次特高壓HGIS實際故障，系統(tǒng)地分析發(fā)生單相接地故障時各繼電保護(hù)的動作特點。

1 故障簡況

1.1 故障時系統(tǒng)運(yùn)行方式

故障發(fā)生前，某特高壓變電站的1000kV2#主變運(yùn)行，1000kV線路運(yùn)行，500kV及110kV側(cè)各設(shè)備運(yùn)行正常。1000kV第二串是線路－變壓器串，系統(tǒng)接線簡圖如圖1所示。

圖1 故障時系統(tǒng)運(yùn)行方式簡圖

1.2 保護(hù)配置

圖 1 所示是線路－變壓器組接線，因此保護(hù)配置比較復(fù)雜，作用于T022斷路器的保護(hù)包括線路保護(hù)和變壓器保護(hù)。

線路保護(hù)采用雙套光纖差動保護(hù)，配有（光纖分相差動電流保護(hù)）、三段式距離保護(hù)、三段式零序保護(hù)。

主變保護(hù)采用雙套二次諧波制動原理的微機(jī)數(shù)字式差動保護(hù)，差動保護(hù)包含比率差動保護(hù)和分側(cè)差動保護(hù)，還配有高、中、低三側(cè)后備保護(hù)及公共繞組后備保護(hù)。

1000kV開關(guān)保護(hù)采用由微機(jī)實現(xiàn)的數(shù)字式斷路器保護(hù)與自動重合閘裝置，包括斷路器失靈保護(hù)、三相不一致保護(hù)、死區(qū)保護(hù)、充電保護(hù)和自動重合閘。

1.3 故障情況介紹

2012年12月12日，在天氣良好、系統(tǒng)無任何故障沖擊情況下， 10時21分17秒某特高壓變電站發(fā)生故障。1000kV線路保護(hù)動作出口，跳開1000kV T021、T022開關(guān)B相；2#主變保護(hù)動作，跳開三側(cè)開關(guān)；T021開關(guān)B相重合閘動作后，線路保護(hù)加速動作跳開T021開關(guān)三相?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)T022開關(guān)B相斷路器氣室與其并聯(lián)合閘電阻氣室間盆式絕緣子處有明顯漏氣現(xiàn)象。

2#主變及1000 kV線路保護(hù)動作行為和故障錄波器圖說明：線路保護(hù)動作發(fā)出B 相跳閘命令，主變保護(hù)動作發(fā)出三側(cè)跳閘命令。隨后開關(guān)保護(hù)動作發(fā)出B相重合閘命令，開關(guān)B相重合于故障，故線路保護(hù)再次動作發(fā)出開關(guān)三相后加速跳閘命令。

2 保護(hù)裝置動作情況

2.1 保護(hù)動作的主要信號

10∶21∶17∶552 線路電流差動保護(hù) 1 保護(hù)動作

10∶21∶17∶554 線路分相電流差動保護(hù) 2 保護(hù)動作

10∶21∶17∶571 #2 主變保護(hù) 1 電流差動保護(hù)動作

10∶21∶17∶591 #2 主變保護(hù) 2 差動速斷動作

10∶21∶18∶331 T021 開關(guān)重合閘動作

10∶21∶18∶435 T021 線路分相電流差動保護(hù) 2 閉鎖重合閘動作

2.2 保護(hù)動作時序

10∶21∶17∶550 發(fā)生故障，17ms后南荊 I線第一、二套線路保護(hù)動作出口，T021、T022斷路器B相跳閘；20ms后2#主變第一、二套差動保護(hù)動出口，T022、T023斷路器三相跳閘；776ms線路保護(hù)啟動重合閘，805msT021重合于故障，865msT021開關(guān)三相跳開。保護(hù)動作時序圖如圖2所示。

圖2 保護(hù)動作時序圖

3 1000kV系統(tǒng)單相接地短路電流分析計算

此系統(tǒng)是雙側(cè)電源系統(tǒng)，兩側(cè)變壓器中性點接地。系統(tǒng)簡圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)簡圖

當(dāng)此系統(tǒng)K點發(fā)生B相單相接地短路故障，如圖4所示。

圖4 B相接地短路時系統(tǒng)接線圖

由反映單相接地短路故障特征的邊界條件及基準(zhǔn)相（選取故障相為基準(zhǔn)相）的序網(wǎng)電壓方程，可得流過故障點K點的正序、負(fù)序、零序電流大小相等方向相同[1]，即

根據(jù)對稱分量的合成公式，可得各相電流

圖5 復(fù)序網(wǎng)絡(luò)圖

從上述分析可知，當(dāng)K點發(fā)生B相單相接地短路故障時，各相電流特點為

4 保護(hù)動作行為分析

4.1 線路保護(hù)動作行為分析

4.1.1 輸電線路短路時兩側(cè)電流量的故障特征

電流相量不但反映電流的大小而且反映電流的方向。根據(jù)基爾霍夫電流定律（KCL）可知：對于圖6a所示的一個中間既無電源（電流注入）又無負(fù)荷（電流流出）的正常運(yùn)行或外部故障的輸電線路，在不考慮分布電容和電導(dǎo)的影響時，任何時刻其兩端的電流相量和等于零，數(shù)學(xué)表達(dá)式ΣI˙=0。當(dāng)線路發(fā)生內(nèi)部故障時，如圖6b所示，在故障點有短路電流流出，若規(guī)定線路兩端電流正方向為由母線流向線路，不考慮分布電容的影響，兩端電流相量和等于流入故障點的電流

圖6 雙端電源線路區(qū)內(nèi)、外故障示意圖

對于該雙端輸電線路，假定全系統(tǒng)阻抗角均勻、兩側(cè)電動勢角相角相同，當(dāng)發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時，兩側(cè)電流同相位；當(dāng)發(fā)生區(qū)外故障或正常運(yùn)行時，兩側(cè)電流相位相差 180°[2]。

因此，對于輸電線路繼電保護(hù)裝置而言，線路非故障（發(fā)生區(qū)外故障或正常運(yùn)行）時用于差動保護(hù)采樣的電流互感器感應(yīng)到的兩側(cè)電流方向相反，計算差動電流時應(yīng)將兩側(cè)二次電流相減；而線路故障（區(qū)內(nèi)故障）時感應(yīng)到的兩側(cè)電流方向相同，計算時應(yīng)將兩側(cè)二次電流相加。

4.1.2 線路保護(hù)動作值校核

線路保護(hù)故障錄波圖，如圖7所示，故障時，三相電流為A相0.389A、B相2.012A、C相0.124A?？紤]到該線路長180.2km，使A相、C相上有一定的電容電流，且B相單相接地短路時在A相、C相上產(chǎn)生一定的互感，導(dǎo)致A相、C相采樣上也有幅值較小的電流，可知故障電流基本滿足式（5）的計算結(jié)果。

根據(jù)對側(cè)故障錄波數(shù)據(jù)，如圖8所示，及兩側(cè)CT變比關(guān)系（本側(cè)5000/1，對側(cè)3000/1），將對側(cè)線路電流折算后三相電流為A相0.358A、B相1.114A、C相0.124A。根據(jù)4.1.1的結(jié)論，非故障相差流A相0.031A、C相0A，故障相差流B相3.126A，與保護(hù)裝置顯示三相差動電流大致相符。故障相B相差流大于保護(hù)裝置差動動作電流0.2A，所以線路保護(hù)B相差動保護(hù)動作跳開T021、T022開關(guān)B相。經(jīng)過延時后，T021開關(guān)重合閘于故障，884ms線路保護(hù)加速動作跳開T021開關(guān)。

圖7 本側(cè)線路錄波圖

圖8 對側(cè)線路錄波圖

4.2 變壓器保護(hù)動作行為分析

4.2.1 變壓器差動保護(hù)的基本原理

變壓器差動保護(hù)（主保護(hù)）主要由縱差保護(hù)（包括差動速斷保護(hù)、穩(wěn)態(tài)量比率差動及故障分量比率差動保護(hù)3個主要保護(hù)元件）及分側(cè)差動保護(hù)構(gòu)成。差動電流的大小是差動保護(hù)的主要判據(jù)。變壓器非故障（正常運(yùn)行或外部故障）時，差動電流為零，保護(hù)不動作；變壓器故障（內(nèi)部任何一點故障，包括變壓器到電流互感器之間的引線）時，流入差動繼電器的差動電流等于故障點電流（變換到電流互感器二次側(cè)），當(dāng)其值大于差動繼電器動作電流時，保護(hù)迅速動作[2]。

該主變保護(hù)中，差動電流是1000kV側(cè)開關(guān)電流互感器、500kV側(cè)開關(guān)電流互感器、110kV側(cè)開關(guān)電流互感器三側(cè)電流的差電流；分相差動電流則是1000kV側(cè)開關(guān)電流互感器、500kV側(cè)開關(guān)電流互感器、主體變公共繞組套管電流互感器電流的差電流。且定義變壓器各側(cè)電流互感器采用星形接線，二次電流直接接入保護(hù)裝置。電流互感器各側(cè)的極性以母線側(cè)為極性端。變壓器各側(cè)TA二次電流相位由軟件調(diào)整，差動電流裝置采用Y-＞Δ 變化調(diào)整差流平衡，如下式所示：

4.2.2 主變保護(hù)動作值校核

線路保護(hù)故障錄波圖，如圖9所示，根據(jù)錄波數(shù)據(jù)及主變差動保護(hù)原理，計算故障后第一周波主變保護(hù)分側(cè)差流：Idb=1.685×5000+1.222×6000-1.15×2500）/5000=2.576A（其中高壓側(cè)CT變比為5000∶1，中壓側(cè)CT變比為6000∶1，公共繞組側(cè)CT變比為2500∶1），與保護(hù)裝置顯示分側(cè)差動電流2.471A大致相符，大于分側(cè)差動速斷保護(hù)整定定值2A，保護(hù)動作。

圖9 主變錄波圖

故障后第一周波主變保護(hù)差流：Idb=（1.685+1.222×0.83）/1.732=1.56A，與保護(hù)裝置差動速斷實際動作電流1.415A大致相符，大于差動速斷保護(hù)整定動作定值4Ie（即1.32A），保護(hù)動作。

根據(jù)式（6）～（7）可知，B相故障使SGT756保護(hù)A相有差動電流，大小與B相差流相等，方向相反。

由以上情況說明保護(hù)動作結(jié)果正確。

由此可判斷，在2#主變差動保護(hù)范圍與1000 kV線路差動保護(hù)范圍的重疊處發(fā)生了B相金屬性接地短路故障，即T022開關(guān)B相兩側(cè)CT之間。與現(xiàn)場檢查及解體后檢查結(jié)果相吻合。

5 故障原因分析

5.1 故障現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)1000kV T022開關(guān)B相斷路器氣室與其并聯(lián)合閘電阻氣室間盆式絕緣子處有明顯放電痕跡并有漏氣現(xiàn)象，如圖10所示。通過解體檢查發(fā)現(xiàn)，在故障盆式絕緣子環(huán)氧澆注口正對面，存在一條沿絕緣子半徑方向的從中心導(dǎo)體至法蘭的貫通性直線裂縫，寬約2～3mm。絕緣子凸側(cè)表面以裂縫為中心的約90度扇形區(qū)域內(nèi)有大面積放電灼傷痕跡，被碳化粉末覆蓋。如圖11所示。上述裂縫兩側(cè)樹脂斷面平整、有碳化粉末附著。沿裂縫一側(cè)邊緣的絕緣子凸側(cè)表面有明顯貫通性、樹枝狀放電痕跡，判斷為此次故障的起始放電通道。該放電通道靠近中心導(dǎo)體部位，有約2cm×5cm×7cm大小的環(huán)氧樹脂碎塊脫落，碎塊內(nèi)表面有放電刻蝕痕跡，中心導(dǎo)體對應(yīng)位置有燒蝕點。

圖10 現(xiàn)場放電點

圖11 故障盆式絕緣子

5.2 故障原因初步分析

根據(jù)故障過程和解體檢查情況，初步分析認(rèn)為：該盆式絕緣子中心導(dǎo)體附近的環(huán)氧樹脂（對應(yīng)脫落碎塊）或界面區(qū)域存在制造缺陷，引發(fā)局部放電，局部放電不斷發(fā)展并最終導(dǎo)致貫穿性放電。在貫穿性放電形成之前已形成貫穿性裂縫（由于故障盆式絕緣子兩側(cè)氣室壓力相同，無法通過壓差變化提前發(fā)現(xiàn)），但對誘發(fā)局部放電與上述貫穿性裂縫的發(fā)生時序和因果關(guān)系尚難判定。裂縫位置位于澆注口的正對面，由于澆注工藝的原因，此處為承受應(yīng)力的薄弱點。

2010年12月，該工程另一只同型號盆式絕緣子曾出現(xiàn)沿絕緣子半徑方向的細(xì)微貫穿性裂紋，導(dǎo)致相鄰氣室（存在氣壓差）氣體滲漏，但未引發(fā)放電。結(jié)合此次故障情況，分析認(rèn)為此類盆式絕緣子內(nèi)應(yīng)力工藝控制方面存在分散性。

6 結(jié)束語

本文簡要敘述了1100kV HGIS內(nèi)部發(fā)生單相接地短路故障時的故障分析，結(jié)合主變保護(hù)和線路保護(hù)等的錄波波形和錄波數(shù)據(jù)，對保護(hù)的動作行為進(jìn)行了分析，判斷故障發(fā)生的大致區(qū)域，對保護(hù)動作的正確性進(jìn)行了校核。并對故障原因進(jìn)行了分析。希望對繼電保護(hù)工作者，變電運(yùn)行人員日常分析事故有所幫助。

[1]張保會，尹項根. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[2]何仰贊，溫增銀. 電力系統(tǒng)分析[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

2017-07-02）