張宇

（中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司，貴州 興義 562400）

0 引言

在早期的10 kV站用電源設(shè)計中，為有效減小分布式電源單相出口的短路電流，提高供電可靠性，一般會在10 kV出線上安裝隔離變壓器[1-3]。然而，這種設(shè)計可能會導(dǎo)致無法識別出10 kV線路單相接地故障，存在安全隱患[4-6]。本文以某換流站發(fā)生的10 kV線路故障為例，對隔離變壓器影響10 kV單相接地故障的檢測問題進(jìn)行分析，并提出解決措施。

1 某換流站10 kV系統(tǒng)概況

1.1 一次接線概況

某換流站10 kV交流系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，主要為換流變壓器冷卻器、閥廳空調(diào)、閥冷系統(tǒng)等重要負(fù)荷供電，其一次設(shè)備接線圖如圖1所示。站外水泵房由101母線經(jīng)隔離變壓器和10 kV換江線供電，主要為站內(nèi)換流閥冷卻系統(tǒng)提供外冷水源。

1.2 設(shè)備概況

10 kV 101母線裝有母線T15電壓互感器（見圖1），其一次側(cè)中性點(diǎn)接地，二次側(cè)配置3個繞組，接線方式分別為Y、Y和△；Y接線的繞組用于測控和計量，△接線的繞組用于測控裝置對零序電壓的監(jiān)視。014DL斷路器保護(hù)裝置型號為PCS9611N，具有有三段式過流保護(hù)功能；10 kV隔離變壓器聯(lián)接組別為Y△11，電壓比為10 kV/10 kV，短路阻抗百分比為6.92%。

圖1 10 kV系統(tǒng)一次設(shè)備接線圖

2 故障分析

2.1 故障概述

2020-07-09 T 06：14，10 kV換江線發(fā)生短路故障，014DL斷路器過流一段保護(hù)動作，跳開014DL斷路器，站內(nèi)運(yùn)維人員對斷路器、變壓器、電纜線路等站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。08：20和09：30運(yùn)維人員對換江線進(jìn)行了2次強(qiáng)送電，均不成功。

2.2 過程分析

接地故障發(fā)生后，T15電壓互感器開口△回路產(chǎn)生零序電壓，站用電測控裝置通過檢測零序電壓判斷10 kV系統(tǒng)是否發(fā)生單相接地故障，零序電壓測量原理見圖2。當(dāng)零序電壓大于設(shè)定值（10 V）時，驅(qū)動F34電壓型繼電器動作，常開觸點(diǎn)11/13閉合后向測控裝置發(fā)出報警信號，測控裝置將10 kV交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障的告警信息送至運(yùn)行人員工作站。

圖2 零序電壓測量原理

在故障前后，工作站未收到101母線接地故障的告警信號，可判定母線以及與母線直接相連的電氣部分未發(fā)生不對稱故障，跳閘后運(yùn)維人員對站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行了巡視，也未發(fā)現(xiàn)異常?；谝陨戏治觯膳懦綦x變壓器以及電纜線路發(fā)生故障的可能，推測故障發(fā)生在站外10 kV的架空線路上。故障時刻014DL斷路器保護(hù)內(nèi)部電流波形見圖3（強(qiáng)送時的故障波形與圖3基本一致）。

圖3 故障時刻014DL保護(hù)內(nèi)部電流波形

從圖中可以看出，故障時10 kV隔離變壓器Y側(cè)繞組U相和V相電流大小及相位均相同，W相電流幅值是U相和V相電流的2倍，相位相差180°，用數(shù)學(xué)式表達(dá)即為：

隔離變壓器原副邊繞組電流通過磁通可以線性傳變，故△側(cè)三相繞組中的電流也滿足式（1）的條件，即：

△側(cè)線電流與相電流（繞組電流）關(guān)系如下：

式中：IL1、IL2、IL3—線路L1相、L2相、L3相電流。

將式（2）代入式（3）得到10 kV換江線架空線路的三相電流關(guān)系為：

根據(jù)式（4），故障時線路三相電流關(guān)系很明顯符合L2和L3相間短路的特征，基本可以確定是架空線路上發(fā)生了L2和L3相間短路故障，故障時刻電流流向見圖4。

圖4 故障時刻電流流向

2.3 故障原因

7月9日，工作人員進(jìn)行巡線檢查，發(fā)現(xiàn)4號桿塔絕緣子邊相和9號桿塔絕緣子中相絕緣子被擊穿。經(jīng)分析認(rèn)為，L2和L3相絕緣子被擊穿后對接地引下線放電，兩故障點(diǎn)通過大地形成回路，造成L2和L3相發(fā)生相間短路。4號和9號桿塔相距1.5 km，且故障時天氣良好，因此兩個桿塔的絕緣子同時被擊穿的可能性很小。根據(jù)現(xiàn)場觀察，4號桿塔擊穿點(diǎn)較為陳舊（擊穿點(diǎn)內(nèi)部有泥痕），判斷是由單相接地演變成相間短路。4號桿塔L3相絕緣子被擊穿后發(fā)生接地，但由于是不接地系統(tǒng)，L1和L2兩相對地電壓升高，致使L2相絕緣薄弱處被擊穿，最后發(fā)生相間短路。

3 改進(jìn)措施

由于該換流站10 kV站用電系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，在單相接地故障期間，L3相僅流過L1和L2兩相的對地電容電流，該電流極小，較負(fù)荷電流可忽略不計，不會對繞組兩端電壓產(chǎn)生影響（見圖5）。盡管接地點(diǎn)電勢為零，但由于△側(cè)繞組兩端電勢差不會發(fā)生變化，Y側(cè)繞組的電壓也不會發(fā)生變化，所以測控裝置不會報警。當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，其他兩相對地電壓升高3倍，系統(tǒng)中絕緣薄弱點(diǎn)被擊穿，故障可能進(jìn)一步擴(kuò)大成兩點(diǎn)、多點(diǎn)接地短路，因而必須采取措施切除線路，隔離故障點(diǎn)[7-8]。

圖5 L3相單相接地故障電路示意圖

3.1 拆除隔離變壓器，線路直連母線

拆除隔離變壓器之后，10 kV出線發(fā)生接地故障后在母線上產(chǎn)生零序電壓，后臺會收到相關(guān)告警信號，提醒運(yùn)維人員采取措施處理[9]。

3.2 在隔離變壓器△側(cè)安裝電壓互感器（TV）

在隔離變壓器△側(cè)安裝TV（見圖6），利用開口三角繞組測零序電壓的原理對接地故障進(jìn)行監(jiān)視，這也是目前小電流接地系統(tǒng)檢測接地故障的主要措施。當(dāng)發(fā)生接地故障后，非故障相電壓升高，開口三角繞組會產(chǎn)生較高的零序電壓，可以對接地故障進(jìn)行監(jiān)視和預(yù)警。

圖6 在隔離變壓器△側(cè)安裝TV示意圖

該換流站在建站之初，設(shè)計人員選擇在10 kV出線側(cè)安裝了隔離變壓器。隔離變壓器是一種特殊的變壓器，因其一次側(cè)和二次側(cè)沒有電的直接聯(lián)系，只存在磁的聯(lián)系，具有較高的安全性[12-13]。若取消隔離變壓器，會有如下影響。

（1）由于線路較短，線路阻抗較隔離變壓器短路阻抗可忽略不計，014DL斷路器過流保護(hù)經(jīng)過核算后的定值將超過整定范圍上限，給保護(hù)整定和配合帶來困難。

（2）當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，非故障相對地電壓升高，在超過額定電壓的工況下長期運(yùn)行對站內(nèi)10 kV干式變壓器、母線、上一級站用變壓器低壓側(cè)絕緣產(chǎn)生不可逆的影響，甚至有可能會造成絕緣擊穿，嚴(yán)重威脅設(shè)備安全[14-15]。

經(jīng)過評估，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況選擇在隔離變壓器△側(cè)安裝TV，既兼顧了隔離變壓器的作用，又能避免單相接地故障的檢測死區(qū)。在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)線路再次發(fā)生單相接地故障后，測控裝置能夠可靠識別并發(fā)出告警信號，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

本文分析了當(dāng)10 kV線路出線側(cè)安裝隔離變壓器時，可能導(dǎo)致單相接地故障檢測功能存在死區(qū)，影響供電可靠性，增加運(yùn)維人員的工作量，提出采取取消隔離變壓器和在隔離變壓器出線側(cè)安裝電壓互感器的兩種方案，并從經(jīng)濟(jì)性、可操作性和安全性角度綜合對比，選取最合適的解決方案。