单一电源变电所缺相故障分析及处理对策

李彦吉

(北京铁路局 石家庄供电段,河北邯郸056002)

在大电流接地系统中,输电线路单相断线、断路器跳开一相、线路重合闸过程中一相拒合及短期非全相运行等,均属于断相状态。它与短路形成的横向故障不同,属于纵向故障。断线故障虽然没有短路故障严重,但也对系统运行和继电保护有一定的影响。

1 现状调查

电气化铁路不对称负荷产生的高次谐波、负序对运行中导线的冲击电动力,使电网、线路的运行环境恶化,随着运行时间的延长,线路、开关的故障几率也将逐年增加。

近年来,牵引变电所由于110 kV进线断线和断路器故障而造成的缺相事故屡有发生。2006年4月由于地方供电局车寄变电所156少油断路器喷油,致使京广线某变电所缺相运行,事故造成牵引变电所停电2.5 h。2008年6月朔黄线某变电所进线断线、断线相避雷器多次动作、运行变压器中性点避雷器爆炸、倒换为交叉运行方式后备用变压器中性点避雷器爆炸,事故造成变电所停电长达10 h。

现有的牵引变电所进线部分既有保护包括失压保护、零序过电流保护两种。零序过电流保护靠装在变压器中性点上的电流互感器实现,但运行中只有在投切主变压器时才会短时合上中性点隔离开关、正常方式下应供电局要求断开,相当于零序过电流保护没有投入。

进线失压保护分两种,现在普遍采用的做法是在进线开关外侧某一相上设置抽压装置如京广线、京九线等。在非检压相断线时、现有配置的牵引变电所任何保护都不会动作,只是出现110 kV母线电压异常、可能27.5 kV某一相电压显著降低引起该相电容器系统、动力变跳闸。依现有处理原则,在值班员或机车司机发现后,可采用手动退出既有运行系统、投入备用系统的方案:倒入直列运行,在退出备用系统时,须合上中性点隔离开关,因缺相时、零序电压的存在,合上中性点开关必然造成主触头的烧损,备用系统投入时间过长、同时一次侧零序电压在变压器副边△接线产生较大的零序电流、危及变压器绝缘;为了缩短不正常运行时间,有的变电所采取投入交叉运行的方式,因为缺相条件继续存在,造成分断中性点开关时,备用系统开关主触头的烧损、避雷器爆炸。

有些变电所采取的是省略抽压装置,用进线开关内侧用于计(测)量的三相电压互感器取代检压,这样可以实现检三相电压的目的,单相失压时保护一般能够准确反映,但为了防止压互二次保险熔断等保护误动、一般设置了低压闭锁,在只有一次侧电压降低、而二次侧电压正常时闭锁失压保护,而二次侧只是在α β相分别设置了母线电压互感器、在一次侧如β相缺相时,△接线的二次两个母线电压不变或降低很小,致使失压保护被闭锁。因此,研究牵引站等单一电源变电所缺相运行下的状态,增加适应性保护和拟定合理的倒闸原则,是必须要做的事情。

2 理论分析

2.1 缺相运行状态分析

京广线某牵引变电所接线方式是大电网系统送电到车寄站110 kV母线,经156开关向变电所2#B系统送电。

2006年4月该变电所B相电容系统206DL失压保护动作,经检查发现中信盘II回进线表计显示不正常,110 kV侧电压指示 A—C为65 kV、B—C为65 kV、A—B为 110 kV,27.5 kV侧电压指示A相 27 kV,B相11 kV。通过验电发现2#B系统C相无电(对应电网A相),判断为进线缺相运行。

(1)向量法分析

正常情况下,牵引变电所中性点开关断开。高压侧未发生故障时,向量如图1,27.5 kV侧线电压:

在出现A相断线时,变压器A相进线端开路,中性点电位发生偏移,由对称性可知,此时向量变化为图2。

图1 变压器高压侧电压向量图

图2 中性点偏移示意图

由图2可知,高压侧A相断线时,中性点电压偏移最大值为:

对于220 kV系统偏移值为73 kV。由此可见,如若发现断线,倒换运行方式时、按正常倒闸顺序去操作中性点开关,由于零序电压的存在,将会产生弧光放电、烧坏隔离开关触头。此时,变压器高压线圈BY、CZ上的电压,线圈AX上的电压为0,因此低压侧电压为:

按牵引供电系统α、β相分别设置母线电压互感器的方式,此时电压分别指示27.5 kV,13.75 kV;B相缺相时,电压指示均为23.82 kV。

(2)复合序网

电力系统正常运行方式,220 kV环网运行、110 kV系统解环运行,110 kV系统接地、接地点在220 kV站,110 kV降压变压器中性点不接地。在出现一相断线时如A相,不难看出故障处的边界条件Ia=0,Ub=Uc=0,其相应的各序分量边界条件为I(1)+I(2)+I(0)=0,U(1)=U(2)=U(0),故复合序网图如图3[1]。

图3 复合序网图

此时,在牵引变电所中非故障相中的电流大小相等、相位相反,且只有正序分量和负序分量。而220 kV母线电压基本保持不变、牵引变电所110 kV母线非故障相电压变化也很小,所以,该情况下220 kV地方变电站的所有零序保护均会拒动。

(3)27.5 kV母线产生零序电压

由于变压器中性点不接地运行,零序阻抗为∞、零序电流为0,但零序电压通过高低压线圈间电容和低压侧对地电容所组成的电容回路传递给变压器低压侧,使27.5 kV母线产生零序电压。按=4 000 pF、变压器空载=12 000 pF计算,此时低压侧产生较高的零序电压,约为高压侧的1/4,即 9.13 kV。

当变压器低压侧带有负荷,接触网采用 LXGJ-100+TCG-120接触悬挂、接触网导高6 000 mm、结构高度1 100 mm,供电臂长度23 km。在线路空载的状态下,用镜像法根据求得导线对地电容C0为1.8×10-7F,此时低压侧零序电压约为0.4 kV。

2.2 缺相运行后引发谐振

(1)缺相

2008年6月朔黄线某牵引变电所1#B中性点避雷器爆炸,供电电调远动操作将变电所设备倒换为交叉运行。当倒闸操作完毕断开2#B中性点接地隔离开关1 092后,又发生2#B中性线避雷器爆炸,1 092触头放电烧伤故障。之后,2#B停止运行,变电所全所停电。

(2)避雷器损坏

在缺相的情况下,发生了断线谐振,其过电压倍数达到2.0×10-6～3.0×10-6,但当避雷器损坏击穿接地时,谐振立即消失。经查本次故障击穿避雷器型号为Y1W-60/144,故障前其装设的在线监测仪指示正常、其带电、预防性试验均合格,应该完全可以承受线路传输的雷电波。但氧化锌避雷器只能承受1.3倍设备对地电压峰值的过电压、对于过高的工频以及2、3、5倍工频频率的谐振是无法承受的。现场检查发现避雷器在线监测仪下端发黑,并有放电烧伤痕迹,且计数器多次动作。从避雷器内部击穿的情况来看,阀片击穿面积很大,外部所包环氧树脂筒全部碳化、呈严重过热现象,属工频击穿,分析认为缺相运行时发生了工频谐振。

(3)等值电路图

缺相后,避雷器未击穿接地时,系统的等值电路如图4。

图4 谐振时等效电路图

其中C12为A、C两相对B相的相间电容,CA、CC为A、C相对地电容,因直接接地不参与谐振,CB为线路缺相后B相对地电容,L为主变110 kV B相励磁电抗。

由于C12较小,与 L并联之后仍呈感性,再与CB形成串联谐振,谐振的主体为B相电感与对地电容,故B相母线电压最高,B相避雷器击穿的可能性也最大;同时中性点电压占到谐振电压的1/3左右,发生击穿的几率也很大[2]。

3 解决方案

缺相故障与高阻接地故障一样,由于短路电流较小,送电侧母线电压基本保持不变,反映接地的零序保护、主变压器的间隙保护一般不会动作跳闸,必须增加新型保护装置。

3.1 谐振保护

受电的牵引变电所出现缺相时,多数情况下是由于变压器断线相励磁电抗与对地电容产生谐振,造成断线相、中性点避雷器多次重复动作,对于能量无限的过电压引起避雷器爆炸。因此,再出现谐振是必须予以尽快破坏谐振发生的条件,切除故障线路,可利用分相谐振时出现电流、电压的极值构成谐振保护。

3.2 缺相保护

(1)缺相接地

对于缺相后出现接地时(包括避雷器击穿),220 kV站110 kV线路的零序过电流保护会动作,可能会引起220 kV站主变压器的后备保护动作,能够切除故障线路。不管地方变电站保护动作与否,牵引变电所必须有所反应。利用接地时高压侧出现的零序电压、零序电流,低压侧引入所用电的二次电压也会出现不对称构成缺相接地保护。

(2)缺相未接地

缺相未接地时,高压侧会产生零序电压、因中性点不接地无零序电流,但高压侧健全两相电流大小相等、方向相反、且只有正序分量和负序分量,利用此特征构成缺相未接地保护。

3.3 自动投入备用系统

在出现谐振、变压器缺相时,首先跳开本侧断路器(不合中性点开关),按直列方式投入备用系统。

3.4 电压异常预告闭锁

计算高低压侧的零序电压,当检测到二者只有一个超标时,给出“电源侧(负荷侧)PT断线”,并可选择闭锁保护装置。

4 结束语

2009年10月按本方案思路制作的测控装置安装在京广线磁县变电所,并通过了北京铁路局的技术鉴定。现场模拟试验表明,该装置可在牵引变电所出现缺相时,能够即时判断,防止线路产生断线谐振损坏设备、进行合理操作杜绝不当倒闸引起的中性点隔开、进线断路器以及变压器绝缘的损坏和接触网停电问题的发生。

本方案除适用于电气化铁路各种接线的牵引供电系统外,在普遍设立终端变电站的厂矿企业也可参考使用。

[1] 陈 珩.电力系统稳态分析[M].北京:中国电力出版社,1998.

[2] 肖永卿.110 kV线路断线引发的谐振故障原因分析[J].内蒙古电力技术,2006,(3):27-28.