一起因线路接地引起负荷端变压器跳闸的故障分析

田 野¹ 胡旭锋² 王智华² 郝雁翔²（1.浙江大学电气工程学院电气工程及其自动化专业，浙江 杭州 310027；2.许昌供电公司，河南 许昌 461000）



一起因线路接地引起负荷端变压器跳闸的故障分析

田 野¹ 胡旭锋² 王智华² 郝雁翔²
（1.浙江大学电气工程学院电气工程及其自动化专业，浙江 杭州 310027；2.许昌供电公司，河南 许昌 461000）

摘 要：某220kV变电站及其相连的两座110kV终端变电站发生了一起连续跳闸事故，110kV主变间隙被击穿，本文作者结合故障录波数据和相量分析法，对该故障进行了详细地分析，并对主变间隙击穿的原因做了深入分析，并提出了处理方法和一些相关注意事项。

关键词：变压器；故障；间隙；负荷端

1. 故障前运行方式

xxxx年4月19日，雨夹冰雹，风力5～6级。许田站分列运行，I龙许2开关带许1#变运行，II龙许2开关带2#变运行，许110开关热备用，许100开关热备用，许351断开，许350合位，许2#主变带35kV两段母线运行，两台主变中性点均不接地。110kV侧为进线备自投，35kV侧和10kV侧为分段备自投，并且均在投入位置。龙井站侧付龙2开关断开。事故发生前三侧电网运行方式如图1所示。

2. 保护动作情况

2.1 付村站侧保护动作情况：

付龙1线路保护零序II段、III段动作跳闸、付龙1接地距离II段动作跳闸、故障相为C相，故障测距8.6km；付龙1线路重合闸动作，不成功。故障录波图如图2所示。

2.2 许田站侧现场及保护动作情况：

II龙许2开关零序II段保护动作跳闸，故障相为C相，实测零序电流9.692A。

许2#主变放电间隙零序过流I、II保护启动未出口。

II龙许2开关动作后，许2#主变低压侧母线失压，10kV分段备自投动作，首先断开许102开关，然后合上许100开关，许田站10kVII段母线恢复供电。故障录波图如图3所示。

图1　事故发生前三侧电网运行方式

3. 故障检查情况

事故发生后，现场对相关设备进行了全面检查，经巡线人员调查发现：4月19日14时17分，在付龙线下施工的吊车曾误碰付龙线路。运维人员现场检查，发现许2#主变110kV中性点放电间隙电流互感器瓷裙有炸裂现象，放电间隙也有明显放电击穿的痕迹，并且，中性点CT末屏接地线烧断。

4. 保护动作行为分析

4.1 付龙1线路保护跳闸

付龙1线路保护零序II段、III段、接地距离II段动作跳闸、故障相为C相，故障测距6.84km也与实际故障点相符，龙许1保护动作行为正确。付村站侧零序等效网络图如图4所示。

零序电流为：

式中：

EΣ——电源的合成电动势；

Z0T1、Z0T2——变压器的零序阻抗；

Z01、Z02——短路点两侧线路的零序阻抗。

4.2 龙许2线路保护跳闸

许田站侧现场及保护动作情况分析：一般来讲，付龙线发生接地故障时，付村站侧付龙1线路保护零序II段、接地距离II段动作跳闸切除故障即可。许田站侧由于主变中性点没有接地，构不成零序电流回路，许田站侧付许2线零序保护不会动作。其电流分布图及相量图如图5所示：由于C相接地时，C相对地电容C0被短路，中性点电压UN上升为相电压（-EA），由图5（b）可见，A、B、C三相对地电压为

零序电压为

则保护安装处各相电流（未计负荷电流）：

其有效值为：

式中：Uph为相电压。

但由于付龙线发生接地故障的同时，许2#主变110kV中性点放电间隙击穿后，主变中性点实际形成了接地，零序网络发生了变化，有零序电流流过许田站侧，许田站侧龙许2保护采集到零序电流，现场故障报告显示，故障时二次侧零序电流为9.692A（定值为6.5A/0.3S），故障相别为C相，因此，龙许2零序II段保护动作行为正确。

图2　付龙线路故障录波图

图3　II龙许线路故障录波图

图4　零序等效网络图

由于实际故障点距离许田变较近，从距离上看，应属于I段保护动作范围，但由于零序I段按规定退出，接地距离保护从原理上抗过渡电阻能力就差，在加上接地距离I段动作定值相对较小，抗过渡电阻能力更低，故I段保护未能动作。过渡电阻问题将在下面详细分析。

龙许2开关作为终端负荷侧，且主变中性点不接地时，正常情况不向故障点提供短路电流，但间隙击穿时，零序网络发生变化，构成零序回路，存在零序电流，达到动作条件。

4.3 许2#主变保护高后备保护未出口

许2#主变保护高后备保护未动作出口的原因：查阅保护装置动作记录和许2#主变保护高后备保护定值，发现间隙过流保护动作时间为0.5s，其他后备保护动作时间均大于0.5s，龙许2零序II段保护动作时间为0.3s，因龙许2保护快速动作跳开开关，切除故障，许2#主变高压侧后备虽然启动，但达不到动作时间就已返回（经过370ms后）。

4.4 许2#主变间隙保护未出口

间隙保护未出口的原因：间隙保护启动后，由于间隙CT已经损坏，难以正确反映电流情况，且间隙保护动作时间为0.5s小于龙许2零序II段保护动作时间0.3s，达不到间隙保护动作条件。

间隙保护虽然在变压器高后备中设置，但其作用是保护变压器中性点设备，不与其他保护配合，是变压器中性点设备的主保护。

5. 间隙击穿原因分析

110kV变压器中性点过电压水平计算：

对于各种不同接线类型的网络，从接地故障复合序网可知，单相接地故障时，故障点稳态零序电压为

两相接地故障时，故障点稳态零序电压为

图5　许田站侧电流分布图与相量图

从上两式可以看出，不对称接地故障时产生的零序电压取决于系统零序阻抗Z0与正序阻抗Z1之比。当Z0/Z1增大时，接地故障时产生的零序电压亦相应增大。在电力系统中，有效接地系统的划分标准为：在各种条件下，应使零序阻抗与正序阻抗之比为正值且小于3；当Z0/Z1≥3甚至Z0=∞时，则成为非有效接地系统。对于某一具体电网而言，在不对称接地故障时，如果零序电流无法形成通路，亦即在该网络中所有变压器同时失去接地中性点时，这个网络就成为局部不接地系统，从上两式可知，不接地系统发生单相接地故障时，故障点零序电压等于系统故障前相电压。

通过对不对称故障正序、零序网络进行简单的分析可知，在110kV系统中，只要保证电源端变压器中性点有效接地，那么在各种条件下，零序阻抗与正序阻抗之比一定小于3。具体到该地区，只要保证220kV变压器110kV侧中性点有效接地，那么该变压器配出的110kV网络就一定是有效接地系统，即Z0/Z1＜3。若以Z0/Z1=3、系统相电压U=73.0kV代入式中可以算出

在单相接地故障时，故障点零序U0为43.8kV。因此，在110kV有效接地系统中，不接地变压器中性点最大对地偏移电压小于43.8kV，小于分级绝缘变压器中性点的设计耐压值。

由此可以得出结论：对于目前110kV系统，在保证220kV变压器110kV侧中性点有效接地的情况下，各110kV终端变压器中性点是否接地与系统及变压器本体的安全运行没有关系。

110kV变压器放电间隙应为10.5cm～11.5cm（许2#主变110kV中性点放电间隙实测为11cm），理论击穿电压为3.8kV/cm～5.36kV/cm，按此计算放电间隙击穿电压在39.9kV～61.64kV。当时许田站侧龙许2保护采集到零序电压为78.23/1.414=55.325V，折算到一次为60.85kV，达到击穿条件（故障时许田站正在下雨，绝缘降低）。

6. 间隙CT损坏原因分析

根据记录数据，利用计算软件中模拟计算，发生故障时，故障点（吊车碰线处）过渡电阻为4Ω、间隙击穿点对地电阻13.5Ω时，计算数据与记录数据基本吻合。

龙许2保护采集到的零序电压反应的是110kV母线3U0，在间隙击穿前，间隙电压与此相同，间隙击穿后，零序电压按照欧姆定律分配，正常情况下，由于间隙下端直接接地，间隙又被击穿，间隙两侧电压（即间隙CT两侧），仅由弧光电阻和间隙CT阻抗分压。由于弧光电阻仅有几个欧姆，正常电流互感器本身阻抗也很小，他们之和（应小于13.5Ω）远远小于变压器零序阻抗，故间隙击穿后，间隙两侧电压并不高，这也是间隙CT选择绝缘等级10kV的原因。所以，间隙CT正常时，承受电压不会大于设计能力，间隙CT不应该损坏。

去年发生过一次间隙击穿，该互感器那时已有“内伤”，间隙再次击穿时阻抗特性发生突变，造成该CT承受电压增大，超过其承受能力，发生损坏。

结论

一起看似普通的输电线路单相接地故障却因负荷侧主变间隙被击穿演变成主变跳闸、间隙CT损坏等相互交织的复杂故障，在对此类复杂故障进行原因分析时，单单依靠故障录波数据往往难以探究出故障的原因，在故障录波数据的基础上采用相量分析法再与保护整定计算相结合才能清晰地还原出整个故障演变过程，找出故障真正原因。此次故障也再次提醒我们，当主变间隙发生击穿时，应及时对间隙CT及其二次回路进行仔细检查，不能只以外观检查作为判读依据，应通过相关试验尽可能反应出设备内部的工作状态，做出客观的评估，以免类似事故再次发生。

参考文献

［1］周庭阳，江维澄.电路原理［M］.杭州：浙江大学出版社，1999：121-229.

［2］国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材［M］.北京：中国电力出版社，2009：389-398.

［3］国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答［M］.北京：中国电力出版社，1999：5-31.

［4］王梅义.高压电网继电保护运行与设计［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［5］景敏慧.电力系统继电保护动作实例分析［M］.北京：中国电力出版社，2012：183-245.

［6］陈绍亮，宋小舟.变压器单元失灵联跳和解除电压闭锁方案的研究［J］.电力系统保护与控制，2009，37（19）：133-136，140.

［7］路长柏，朱英浩.电力变压器计算［M］.哈尔滨：黑龙江科技技术出版社，1984：68-120.

中图分类号：TM41

文献标识码：A

Abstract：The continuous tripping accident of a 220kV substation and connected to the two seat 110kV terminal substation， 110kV main transformer gap breakdown， the author combines the fault data and phase analysis， the fault is analyzed in detail， makes a further analysis and the main transformer gap breakdown reason， and put forward the processing method and some relevant matters needing attention.

Keywords：Transformer； Fault； Clearance； Load side