一起10 kV母线TV击穿事故分析及对策

马梦朝，潘博超，韩生海，吕紫微，周存孝，贾永雷

（1.国家电网有限公司技术学院分公司，山东 济南 250002；2.国网玉树供电公司，青海 玉树 815000）

0 引言

在6～35 kV 的配电网络中， 系统的中性点通常是不接地的， 母线上装有测量和监视系统对地绝缘的电磁式电压互感器（TV）。当母线开关合闸操作、线路中发生间歇性接地或系统负荷剧烈变化时， 所产生的暂态冲击过程会在TV 和三相导线对地电容间激发起铁磁谐振，单相和两相接地时正常相电压还将升高，造成系统过电压和TV 中的过电流，使系统中弱绝缘设备发生对地闪络和TV 的高压熔断器熔断，甚至烧毁TV。 本文主要分析一起由10 kV 线路两相接地引起的10 kV 母线TV 烧毁事故，并提出预防措施。

1 事故经过

某35 kV 变电站2015 年投运，配置有 35 kV 进线一回，主变压器一台，35 kV 母线一组，10 kV 母线一组，10 kV 母线带有2 条架空出线、 一个母线TV、一组并联电容器，主接线如图1 所示。 正常运行时，电容器组不投入运行， 系统采用中性点不接地运行方式。10 kV 线路出线均只安装U、W 相电流互感器，零序保护未投入。TV 一次侧星型连接且中性点经过消谐装置接地。

2019 年 7 月 24 日 16∶32， 调控中心报某35 kV变电站10 kV 母线电压异常，经过现场检查，发现10 kV 母线 TV 的 W 相熔断器熔断、W 相 TV 线圈烧毁。由于系统为中性点不接地系统，初步判断为线路接地故障导致的系统谐振， 同时怀疑消谐装置已损坏，因此申请整站停电，对TV 一次侧消谐装置进行检测，发现消谐装置确已损坏。 故障确定后，马上对烧毁的TV 和消谐装置进行了更换，并通过试送电的方式确定故障线路。试送过程中，发现给措一线供电时母线电压出现异常，U、V 两相电压 4 kV，W 相电压达10 kV， 而给措二线供电时母线电压显示正常，确定接地在措一线，接下来给措二线恢复正常供电，并对10 kV 措一线进行故障巡视。 巡视发现10 kV措一线U、V 两相避雷器遭雷击击穿， 导致两相接地，于是立即对被击穿的避雷器进行了更换，再次对措一线进行试送电，发现母线电压正常。 7 月25 日23∶23，故障处理完毕。

图1 变电站主接线图

2 事故原因分析

2.1 接地故障

接地故障是本次事故的根源。 该站系统运行方式为中性点不接地，由于10 kV 措一线U、V 两相避雷器遭雷击击穿， 导致线路发生U、V 两相接地故障。 若接地为金属性接地，则非故障相W 相电压升高至1.5 倍额定电压；若因弧光过渡电阻接地，则非故障相 W 相电压大于或小于 1.5 倍额定电压［1］。 非故障相电压升高使电压互感器的励磁电流突然增大而发生饱和，其等值励磁电感相应减小，当减小到与系统电容匹配时，引发系统谐振［2-3］。

实际运行过程中，由于两相接地电阻不同，且受消谐装置影响， 两相接地故障时非故障相电压的升高往往在1.5 倍额定电压左右。 经过实测，W 相电压为10 kV，超过1.5 倍额定电压，印证了其正确性。

2.2 铁磁谐振

铁磁谐振是本次事故的主要原因。 在中性点不接地电网中， 母线上接有测量和监视系统对地绝缘的电磁式电压互感器，其一次绕组接成星形，并且中性点直接接地。 网络对地参数除了电力设备和导线的对地电容之外，还有电压互感器的励磁电感，他们是并联连接的，各自组成独立的振荡回路。铁磁谐振是在零序回路内产生的［4］，所以导线的相间电容、改善功率因数用的电容器组、 电网内的负载变压器及其有功和无功负荷对于谐振过程不起任何作用。 TV铁磁谐振等效电路如图 2 所示［5］。

图2 TV 铁磁谐振等效电路

由TV 铁磁谐振时的等效电路，忽略TV 的损耗电阻，在开口三角绕组开路的情况下，位移电势E0计算如式（1）所示：

式中：E1、E2、E3为电源变压器的绕组电势，其由发电机的正序电势所决定， 始终维持恒定不变；C0为系统零序等效电容；L1、L2、L3分别为电压互感器三相电感。

当系统在正常运行情况下，TV 的工作点处在非饱和区，各相励磁电感相同，即L1=L2=L3，系统三相平衡，根据式（1）可以得知，此时位移电势 E0为零。 但是当系统中出现某种扰动时，例如电源突然合闸、电网中电压互感器突然投入、线路发生接地（包括弧光短路接地）、合空载母线、雷击等，就可能使一相或两相的对地电压瞬间提高，三相对地负荷变成不平衡，使中性点位移产生零序电压［6］，导致线路电流持续增大，从而使得电压互感器铁芯逐渐饱和，励磁电感逐渐减小， 当电容和电感的参数匹配时就可能激发串联谐振。谐振过电压的幅值一般不超过 1.5～2.5 倍的系统最高运行相电压， 无法利用避雷器来限制。发生谐振过电压时，由于电压互感器铁芯饱和，使得绕组励磁电流大大增加， 从而引起 TV 高压熔断器熔断、烧毁事故。

谐振区间随TV 的磁化曲线不同而异，并与电源电压大小有关。磁化曲线愈易饱和，回路发生基波谐振和分频谐振的可能性愈大，谐振区间愈大；电源电压越高，谐振区间也愈大［7］。

2.3 消谐装置损坏

消谐装置损坏是本次事故的直接原因。 该站10 kV 母线TV 一次侧装有消谐装置，其原理接线如图3 所示。

图3 10 kV TV 一次消谐装置接线原理图

一次消谐装置是大容量非线性电阻， 安装在电压互感器一次绕组中性点。正常运行时阻值很大，单相接地或其他原因使中性点电位升高时， 电阻值下降，减小中性点偏移度，快速抑制电压，避免谐振。由于 6～35 kV 电网中性点不接地， 母线上中性点接地的 TV 一次绕组将成为该电网对地唯一金属性通道，当系统中发生单相接地或接地消失时，电网对地电容通过TV 一次绕组有一个充放电的过渡过程。试验测得此时常有最高幅值达数安培的工频半波涌流通过 TV， 此电流有可能将TV 高压熔断器熔断。在电压互感器中性点安装一次消谐装置能有效限制这类涌流，避免熔断器熔断。

经检测，正常的消谐装置电阻达8 MΩ，而故障TV 上的消谐装置正常运行时电阻只有1.14 MΩ，说明TV 一次侧消谐装置已被击穿，在系统发生谐振时起不到保护TV 的作用，谐振大部分能量通过TV 释放，导致TV 熔断器熔断，同时TV 击穿。

3 暴露出的问题

设备巡视不到位。 在巡视过程中未发现消谐装置已损坏，导致TV 失去系统谐振时的保护。 雷雨过后未安排特巡，未能及时发现避雷器击穿，导致线路长时间接地运行，致使消谐装置烧毁。

避雷器选型不合适。该地区为雷电多发区域，未选用带保护间隙的避雷器，致使避雷器频繁被击穿。

继电保护配置不合理。整个事故过程中，继电保护未显示任何异常信息，亦未动作。

4 预防措施

4.1 管理措施

加强线路巡视和特巡。在雷雨天气后安排特巡，重点巡视避雷器损坏情况，及时更换故障避雷器，减少线路接地故障发生率。

加强对消谐装置的巡视和更换。 利用变电站10 kV母线停电的机会，对消谐装置进行检测，更换已损坏的消谐装置，确保谐振发生时能限制谐振电流，保证TV 安全运行。

4.2 技术措施

将避雷器更换为带保护间隙的避雷器。 保护间隙可有效将雷电能量释放， 最大限度地保护避雷器不受雷电过电压损害，延长避雷器的使用寿命，从而有效减少线路因避雷器击穿导致的接地故障。

将TV 更换为抗饱和TV， 从而在谐振发生时避免TV 内部磁饱和，降低TV 内部谐振电流，防止TV过载击穿。

投入零序保护。利用配电自动化改造的机会，将馈线自动化终端投入零序过流和小接地电流保护，在线路发生接地故障时及时切除故障线路， 保证系统中其他设备安全运行。

5 结束语

接地故障是10 kV 架空线路最常见的故障。 在中性点不接地系统中， 接地故障会使非故障相电压升高至线电压，甚至发生谐振，谐振电压可达2.5 倍额定电压， 使TV 发生严重磁饱和及 过电流，从而造成熔断器熔断甚至TV击穿，而一次消谐装置可有效保护TV 在谐振中不受损伤。 通过加强设备巡视、更换更可靠的设备、改造系统中性点运行方式或投入接地保护等措施， 可减少此类事故的发生。