李春陽，張健能，麥志彥，王明方，寧 榮

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東 佛山 528000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,電力系統(tǒng)容量不斷增大,發(fā)生不對稱故障時,流經(jīng)中性點的故障電流亦不斷增大,這就要求中性點接地引下線必須滿足一定的熱穩(wěn)定性。中性點接地引下線下端一般長埋地下,受焊接施工不良、雨水土壤腐蝕等影響,常存在導(dǎo)通不良等缺陷,當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障時,會出現(xiàn)泄流不良、放電等現(xiàn)象,產(chǎn)生安全風(fēng)險。變電站二次電纜屏蔽層是提高變電站電磁兼容水平的重要措施,一般采用兩端接地方式。對于中性點構(gòu)架設(shè)備,其二次電纜屏蔽層一端通過中性點構(gòu)架接地,另一端接于柜體、端子箱或機(jī)構(gòu)箱的銅排上。若接地引下線因熱穩(wěn)定性不夠而燒斷,或出現(xiàn)銹蝕而存在導(dǎo)通不良,將造成地電位異常升高而威脅人身安全,甚至?xí)绊懚坞娎|屏蔽層接地線。

1 故障概述

1.1 故障前系統(tǒng)運(yùn)行方式

某220 kV變電站共有3臺主變壓器,220 kV側(cè)采用雙母線并列運(yùn)行方式,110 kV側(cè)采用雙母雙分段并列合環(huán)運(yùn)行方式。故障發(fā)生前,3號主變變中運(yùn)行于5M母線,110 kV世倫乙線運(yùn)行于6M母線,110 kV母聯(lián)分段開關(guān)均在運(yùn)行狀態(tài),3號主變變中中性點采用直接接地運(yùn)行方式,1號和2號主變變中中性點采用非直接接地運(yùn)行方式。具體系統(tǒng)運(yùn)行情況如圖1所示。

圖1 故障前系統(tǒng)接地運(yùn)行方式

1.2 故障過程

2020-01-05T14：22：44,110 kV世倫乙線線路A相發(fā)生接地故障,27 ms后距離保護(hù)I段動作,跳開148開關(guān)A相,1103 ms后單相重合閘動作,重合成功,故障電流為6.13 A (變比為1200/1)。

1.3 現(xiàn)場檢查情況

故障發(fā)生后,運(yùn)行人員立即到現(xiàn)場進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)3號主變變中多個設(shè)備損壞：

(1) 變中直流監(jiān)測裝置箱門跌落,內(nèi)部元件被熏黑。

(2) 中性點接地刀閘機(jī)構(gòu)箱內(nèi),電纜屏蔽層接地線被燒斷,終端護(hù)套損壞。

(3) 中性點交流CT電纜屏蔽層的接地線熏黑受損,繞組溫度變送器的直流電源模塊損壞。

(4) 主變冷卻器控制箱交流進(jìn)線電源空開跳開,風(fēng)扇電源A相接線在端子排處被燒毀；控制箱內(nèi)端子排上多個N線端子因過流而受損,線耳被燒斷。

(5) 冷卻器控制箱到變中中性點地刀、直流監(jiān)測裝置的電纜屏蔽層的接地線被熏黑損壞。

2 故障處理

2.1 故障定位

綜合繼電保護(hù)動作報告和現(xiàn)場檢查來看,110 kV世倫乙線A相單相接地故障,引起3號主變變中中性點設(shè)備和多處電纜屏蔽接地線受損。

110 kV世倫乙線A相發(fā)生接地故障時,產(chǎn)生的零序故障電流經(jīng)6M母線、母聯(lián)110開關(guān)、5M母線、變中103開關(guān)、變中中性點接地刀閘和設(shè)備構(gòu)架接地引下線流入大地,因5M母線、6M母線、母聯(lián)開關(guān)和變中開關(guān)運(yùn)行正常,且中性點設(shè)備上的電纜屏蔽層經(jīng)構(gòu)架接地,初步判定故障原因為3號主變變中中性點接地不良,零序故障電流流入大地時受阻,中性點電位升高,引起中性點設(shè)備受損,以及多處電纜屏蔽層接地線受損。

2.2 中性點設(shè)備

從3號主變變中中性點設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)置可以看出,主變變中中性點經(jīng)套管引出,連接至中性點接地刀閘上端(接地刀閘為杭州西門子BRO接地刀閘),接地刀閘下端經(jīng)接地銅排接至直流監(jiān)測裝置,再經(jīng)接地引下線銅排與主變泄油池內(nèi)的地網(wǎng)銅絞線相連。為確保安全性,中性點構(gòu)架設(shè)備一般采用兩點接地,但是,該變電站在增加變中直流監(jiān)測裝置時,取消了構(gòu)架第二點接地,只保留了一點接地。

中性點放電間隙和避雷器均與接地刀閘并聯(lián),經(jīng)接地引下線與地網(wǎng)連接。接地刀閘機(jī)構(gòu)箱用于拉開合上接地刀閘,箱內(nèi)地線亦經(jīng)設(shè)備構(gòu)架引下線接入地網(wǎng)。

2.3 中性點構(gòu)架接地電阻測量

中性點構(gòu)架接地性能主要是通過測量接地電阻來表征。根據(jù)南方電網(wǎng)公司《電力設(shè)備檢修試驗規(guī)程》規(guī)定,電力設(shè)備接地引下線與接地網(wǎng)連接情況檢查(導(dǎo)通性測試)周期為6年1次,測量接地電阻值應(yīng)在50 mΩ以下。接地電阻值在50～200 mΩ時,宜密切關(guān)注；接地電阻值在200 mΩ～1 Ω時,對于重要設(shè)備應(yīng)盡快處理。

對站內(nèi)1號和2號主變變高、變中構(gòu)架的接地電阻進(jìn)行測量；向調(diào)度申請將3號主變變高和變中中性點調(diào)整到1號主變,對3號主變變高和變中接地構(gòu)架的接地導(dǎo)通電阻進(jìn)行測量。測量結(jié)果見表1。

表1 中性點構(gòu)架接地電阻

從表1可以看出,2號主變變高中性點構(gòu)架接地電阻為86.9 mΩ,阻值偏大；3號主變變中中性點構(gòu)架接地電阻為771.5 mΩ,嚴(yán)重偏大；其他幾個構(gòu)架接地均正常。

2.4 接地引下線檢查

對2號主變變高和3號主變變中中性點設(shè)備構(gòu)架引下線進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)在油池內(nèi)3號主變變中中性點設(shè)備構(gòu)架接地引下線與銅絞線連接處的邊緣嚴(yán)重氧化銹蝕,并已完全燒斷。在油池內(nèi)的2號主變變高中性點設(shè)備構(gòu)架接地引下線與銅絞線連接的周圍,亦嚴(yán)重氧化銹蝕。測量3號主變變中和2號主變變高銹蝕處接地線靠主變側(cè)和主變本體接地之間的電阻值均在3 mΩ以下,阻值正常。

2.5 故障處理

清除2號主變變高和3號主變變中設(shè)備構(gòu)架引下線與銅絞線連接處的銹蝕部分,并將銹蝕位置的接地銅絞線壓接一個銅線耳,經(jīng)銅線耳與設(shè)備構(gòu)架引下線連接。處理之后,再對2號主變變高和3號主變變中設(shè)備構(gòu)架接地電阻測量,測量結(jié)果合格。

為保證中性點設(shè)備構(gòu)架接地可靠性,挖開3號主變變中中性點設(shè)備構(gòu)架下端的接地扁鐵,用扁鐵繞構(gòu)架接至引下銅排上,實現(xiàn)變中設(shè)備構(gòu)架兩點接地,同時修復(fù)受損的電纜屏蔽層接地線與電纜終端。

2.6 故障原因分析

查閱中性點設(shè)備二次圖紙,該站中性點設(shè)備電纜屏蔽接地線有兩個接地點(在電纜兩端),其中一個接地點為經(jīng)構(gòu)架接地。

3號主變變中中性點設(shè)備構(gòu)架接地引下線被燒斷,測量中性點構(gòu)架接地電阻為771.5 mΩ,因此可以推斷,事故后測量的中性點構(gòu)架接地電阻,為中性點構(gòu)架到多個設(shè)備(直流監(jiān)測裝置、變中接地刀閘機(jī)構(gòu)箱和中性點CT設(shè)備等)電纜屏蔽接地線之間的電阻,與熔斷后的中性點電阻的并聯(lián)電阻。變中設(shè)備電纜屏蔽接地線設(shè)置如圖2所示。與中性點引下線相連的銅絞線燒斷后,中性點電阻變大,與多個電纜屏蔽接地線并聯(lián)后,中性點總電阻為771.5 mΩ。

圖2 電纜屏蔽層接地設(shè)置

因此,直流監(jiān)測裝置、變中接地刀閘機(jī)構(gòu)箱和中性點CT設(shè)備等多個設(shè)備電纜屏蔽接地線受損或熔斷,是由于電纜屏蔽接地線載流量相對較小,流過的故障電流較大。而變中設(shè)備構(gòu)架接地引下線損壞的原因,是接地引下線與地網(wǎng)連接的接地銅絞線嚴(yán)重銹蝕,接地線等效截面積減小,熱穩(wěn)定性降低,在故障電流沖擊下熔斷。

中性點構(gòu)架接地引下線的接地銅絞線熔斷后,接地電阻增大,中性點地電位升高,造成直流監(jiān)測裝置電源模塊嚴(yán)重?fù)p壞,放電產(chǎn)生的高溫高壓氣體將箱門沖飛。故障發(fā)生時,3號主變冷卻器控制箱內(nèi)的交流中性線、風(fēng)扇電源A相流過短暫的短路電流,產(chǎn)生過電壓,造成冷卻器控制箱內(nèi)多個交流中性線與A相端子燒損、線耳壓接部位燒斷,繞組溫度測量電源模塊損壞。

3 建模仿真分析

為了驗證故障分析的正確性,以及更加直觀地反映線路單相接地故障對主變變中設(shè)備及經(jīng)構(gòu)架接地的電纜屏蔽接地線的影響,建立簡單的電力系統(tǒng)模型,如圖3所示。該模型由發(fā)電機(jī)、升壓變壓器、輸電線路、降壓變壓器等組成。升壓變壓器采用△/Y接線方式,三繞組降壓變壓器采用Y/Y/△接線方式,雙繞組降壓變壓器采用Y/△接線方式,MN之間為110 kV線路,R為三繞組降壓變壓器變中中性點接地電阻,中性點CT二次變比為1200/1。

圖3 電力系統(tǒng)模型

若變中中性點接地電阻為5 mΩ,有5個變中設(shè)備電纜屏蔽層經(jīng)構(gòu)架接地,電阻分別為0.8 Ω,1 Ω,2 Ω,3 Ω和2.2 Ω,0.2 s時距離M點7.6 km處發(fā)生A相接地故障,故障發(fā)生27 ms后保護(hù)動作,故障發(fā)生53 ms時跳開A相,故障發(fā)生1103 ms后重合閘動作,重合成功,線路恢復(fù)正常運(yùn)行。若中性點接地電阻為86.9 mΩ,故障發(fā)生9 ms后,中性點設(shè)備接地引下線的銅絞線燒斷,燒斷后中性點接地電阻變?yōu)? Ω；28.5 ms時,接地電阻為0.8 Ω和1 Ω的電纜屏蔽接地線燒毀。

(1) 當(dāng)中性點接地電阻為5 mΩ且未發(fā)生熔斷時,故障電流在偏0軸下側(cè)經(jīng)兩個半周波的震蕩后,隨著故障被切除而減小為0。由于中性點接地電阻在正常值范圍內(nèi),接地電阻為0.8 Ω的電纜屏蔽層接地線流過的故障電流最大,峰值為180 A。

(2) 當(dāng)中性點接地電阻為86.9 mΩ時,接至地網(wǎng)的銅絞線熔斷后,會使中性點接地電阻突然增大,流過各電纜屏蔽接地線的電流也會隨之增大,其中流過接地電阻為0.8 Ω和1 Ω的電纜屏蔽層接地線的故障電流峰值分別為2200 A和1830 A (見表2),電壓為1800 V；若此時該電纜屏蔽接地線受故障電流沖擊而熔斷,中性點接地電阻將進(jìn)一步變大,會使接地電阻為2 Ω,3 Ω和2.2 Ω的電纜屏蔽接地線受到?jīng)_擊,其中,接地電阻為2 Ω的電纜屏蔽接地線受沖擊最大,為1580 A,電壓為3200 V,若其熔斷,會使未熔斷電纜屏蔽接地線再次受到?jīng)_擊。部分電纜屏蔽接地線受故障電流沖擊熔斷后,會延遲未熔斷電纜屏蔽接地線受沖擊的時間,但是也會給未熔斷電纜屏蔽接地線帶來比中性點接地銅絞線熔斷更大的沖擊。

表2 各時間節(jié)點電流 A

因此,經(jīng)設(shè)備構(gòu)架接地的電纜屏蔽接地線流過的電流,與中性點接地電阻、屏蔽接地線電阻、屏蔽接地線是否有熔斷等有關(guān)。當(dāng)中性點接地電阻大于正常值,發(fā)生不對稱故障時,流過電纜屏蔽接地線電流過大,可能會引起其燒斷,燒斷后會對其他未熔斷電纜屏蔽接地線造成沖擊。

4 建議措施

為避免類似故障發(fā)生,提出以下整改建議：

(1) 佛山地區(qū)110 kV系統(tǒng),采取220 kV變電站內(nèi)一臺主變變中和110 kV上網(wǎng)電廠內(nèi)一臺升壓變變中中性點兩點接地。該變電站110 kV供電范圍內(nèi)無110 kV上網(wǎng)電廠,因此該110 kV系統(tǒng)實際只有該變電站一臺主變中性點一個接地點,該變電站變中中性點直流監(jiān)測裝置是為作對比試驗后來加裝的設(shè)備,經(jīng)一段時間運(yùn)行發(fā)現(xiàn),變中直流監(jiān)測裝置直流CT測量數(shù)據(jù)意義不大,且該裝置故障率高,電源模塊經(jīng)常損壞,因此,取消變中直流CT裝置。

(2) 加裝直流監(jiān)測裝置時,將中性點構(gòu)架引下線由兩點接地改為一點接地,即取消了一個接地引下線的接地點,不符合構(gòu)架兩點接地的要求,已恢復(fù)主變變中中性點設(shè)備構(gòu)架兩點接地方式。

(3) 2018年3月,修試人員對該站全站地網(wǎng)的導(dǎo)通電阻進(jìn)行了測試,測試結(jié)果合格,而南方電網(wǎng)公司《電力設(shè)備檢修試驗規(guī)程》規(guī)定測試周期為6年1次,周期過長,建議適當(dāng)縮短220 kV及以上主變中性點接地引下線導(dǎo)通試驗周期,及時發(fā)現(xiàn)引下線接地不良的問題,同時建議禁止中性點設(shè)備電纜屏蔽接地線經(jīng)設(shè)備構(gòu)架接地。

(4) 變壓器油池一般填充鵝卵石等滲水材料,油池內(nèi)接地體長期在高濕的空氣中,銹蝕嚴(yán)重,特別是焊接位置,容易造成截面減少,危及設(shè)備安全。建議設(shè)計提前做好各設(shè)備接地引線位置,避免接地線在油池內(nèi)裸敷。