35kV系统过电压下的设备自我保护与恢复

李新强

(晋能控股煤业集团供电分公司，山西 晋城 048006)

1 引言

长期以来，我国35kV的电网大多采用中性点不接地的运行方式。此类运行方式的电网在发生单相接地时，故障相对地电压降低，非故障相的对地电压将升高3.5倍相电压甚至更高，这就需要PT饱和特性要好，即饱和点要高；某35kV系统中由于过电压引起PT烧毁、高压熔丝熔断等问题却一直没有得到解决，尤其是某35kV变电站，从投运以来PT已连续十几年在系统接地后发生多次烧毁现象，同时高压熔断器也频繁熔断，严重威胁着设备及电网的安全运行。

通过研究及技改，有效地监测各种过电压和解决PT烧毁问题，为电气故障的有效分析提供数据基础、分析依据，提高供电可靠性，确保企业安全生产、生活用电。

2 原因分析

对于中性点不接地系统，当系统发生单相接地时，故障点流过电容电流，未接地的两相相电压升高√3倍。但是，一旦接地故障点消除，非接地相在接地故障期间已充的线电压电荷只能通过PT高压线圈经其自身的接地点流入大地，在这一瞬间电压突变过程中，PT高压线圈的非接地两相的励磁电流就要突然增大，甚至饱和，导致健全相的PT烧毁及PT高压限流熔断器熔断的事故发生，这也是在现行的电力系统中3～35kV的PT频繁发生事故的主要原因。没有使用过流保护器时流过PT电流波形，如图1所示；使用过流保护器后流过PT电流波形，如图2所示。

图1 没有使用过流保护器时流过PT电流波形

图2 使用过流保护器后流过PT电流波形

3 解决思路

3.1 避雷器手车改造

在避雷器手车中安装宽频电压传感器和熔断器；在避雷器手车面板右上方安装数据电缆转接头，在仪表门上加装EPO控制器；通过工控机系统，利用DSP数字处理器和高速FPGA处理的PCI接口采样卡，实时分析处理瞬态、暂态过电压波形，并记录、分析过电压类型和波形。具有频率高20MHz、响应速度快、数据不失真、数据存储容量大和人机交互界面友好同时配有USB接口和103规约接口，便于用户现场读取数据或后台数据通讯并且可以短信通知用户，原理如图3所示一次接线如图4所示，主要有高压限流熔断器、宽频电压传感器、控制器、交换机、工业控制计算机组成。

图3 过电压在线监测原理图

图4 过电压在线监测一次接线图

3.2 电压互感器及避雷器手车改造

保留原PT柜中PT手车、壳体和部分附件，在原PT手车中增加一次消谐器和智能开关；原PT柜中增加专用过电压吸收器，取代避雷器；在仪表门上加装配电聚优控制器。解决系统过电压类产品解决不彻底的过电压，有效平缓过电压的上升前沿并削平过电压尖峰，并且能够耐受一定的过电压所产生的大量能量，把过电压限制在系统绝缘水平范围内。同时，能有效的抑制接地恢复时涌流对电压互感器及PT高压熔断器的损害，更进一步保护电压互感器。原理如图5所示，一次接线如图6所示，主要由电压互感器、高压限流熔断器、专用过电压吸收器、智能开关、一次消谐器组成。

图5 电压互感器保护原理图

图6 电压互感器保护一次接线图

4 接地故障实测数据分析

某35kV变电站35kV站变高压进线电缆C相电缆头绝缘击穿引起接地，引起整个35kV系统母线C相接地，同时长时间接地引发电缆着火造成弧光短路(B、C相短路)。该站35kV系统过电压下的设备自我保护与恢复系统正确动作。装置报C相弧光接地，同时35kV PT智能开关PTK正确动作，消谐电阻投入。对PT及保险进行检查、试验完好。对接地故障现场数据分析如下:

4.1 故障过程分析

(1)故障时零序过电压分析:

由图7可以看出，正零序电压峰值为0.8；由图8可以看出，正常ABC三相电压峰值为0.175。则有零序过电压倍数:0.8/0.175=4.57倍。

图7 正零序电压峰值

图8 三相电压峰值

由图9可以看出，负零序电压峰值为0.9，正常ABC三相电压峰值为0.175，则有负级过电压倍数:0.9/0.175=5.14倍，高于正级过电压倍数。

图9 负零序电压峰值

(2)故障时非故障相过电压分析:

由图10可以看出，正常ABC三相电压峰值为0.175，非故障相电压峰值为0.425，C相弧光接地，图示为A相的峰值电压倍数0.425/0.175=2.43倍，超出线电压倍数1.73。

图10 非故障相过电压峰值

(3)振荡频率分析:

由图11可以看出，正常ABC三相电压峰值为0.175，C相孤光接地，接近200Hz的振荡频率。

图11 高频弧光

由图12可以看出，高频弧光向低频弧光转化过程。高频弧光向低阻工频接地的转化。

图12 低频弧光

由图13可以看出，间歇性低频弧光转化为直接接地。

图13 低阻工频接地

由图14可以看出，弧光转化为直接接地。

图14 直接接地

综上所述，接地过程频率分析:开始时的振荡频率为200Hz以上，逐渐转化为50Hz的低阻接地，最后转换为直接接地。

(4)重燃的频率分析:

图15、图16为重燃的频率，其中图14截图为:20ms区间，振荡频率超过1.5kHz。接地介质质变，稳态接地转化为高频接地后彻底击穿。重燃时间:550ms。

图15 重燃的频率(低频)

图16 重燃的频率(高频)

(5)接地到短路的过程:

由图17可以看出，单相接地转换为相间短路后跳闸短路支路脱离故障恢复。相间短路时间800ms开始时C相接地，转换为BC相接地，A相和零序等相位。

图17 接地到短路

(6)故障恢复的振荡过程:

图18为故障恢复过程:振荡时间:300ms，零序存在低频振荡恢复过程。

图18 故障恢复的震荡过程

4.2 结论

通过以上数据分析可以看出，这是一次典型的弧光接地过程。接地初期为高频振荡电弧，后期为工频。由于没有有效的消弧措施，弧光过电压导致另外某个绝缘薄弱点击穿，造成两相异地短路停电。整个接地过程中，PT保护正常动作，避免了PT故障。

5 结束语

该项目的实施，能够有效地解决PT烧毁及熔断器熔断问题，能够对系统发生的各种过电压类型进行监测，记录各种过电压故障波形，为电气故障的后期原因调查分析、技术改进和责任认定提供数据基础和分析依据；同时优化和完善了系统过电压保护特性，实现对电力设备绝缘的保护，提高供电可靠性，确保企业安全生产，具有很好的推广应用前景。