10kV不接地系统两相故障导致电压互感器避雷器爆炸事故分析

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广西电网公司柳州供电局的研究人员万寿雄，在2021年第11期《电气技术》上撰文，结合现场实际情况和故障录波波形对一起10kV线路两相故障导致10kV母线电压互感器避雷器爆炸的事故进行全面分析。分析表明，造成避雷器爆炸的主要原因是铁磁谐振及低频饱和电流，其中铁磁谐振造成的过电压是正常运行时的3.3倍。最后，本文提出相应的处理办法及改进措施，以减少由此造成的经济损失。

我国10kV配电网系统中性点接地方式主要有中性点不接地和经消弧线圈接地。此种系统供电可靠性较高，发生单相接地故障时，系统能持续运行2h。由于非故障相电压升高至线电压，容易发生幅值较高的弧光接地过电压。

一般情况下，10kV母线电压互感器（potential transformer, PT）需要将中性点直接接地，当系统发生空载母线合闸、单相接地故障消失或者负荷剧烈变化等情况时，PT励磁电感可能与系统对地电容形成谐振，引发过电压，造成系统过电压或PT高压绕组过电流，从而影响设备正常运行，甚至会导致设备烧毁。

以前，10kV配电系统多采用架空线路，对地电容较小，易与PT电感匹配形成铁磁谐振。随着城市的发展，高压电缆被大量使用，系统对地电容避开了铁磁谐振区，但是PT故障仍然存在，需要作进一步分析。

本文针对某地区220kV月山站10kV母线PT避雷器爆炸事故，结合故障波形进行详细分析，并提出合理的改善措施，以降低故障发生率。

1  系统图及开关动作情况

220kV月山站10kV低压侧系统一次接线如图1所示。220kV月山站1号主变、2号主变及三侧开关正常运行，10kV 1M、2M分列运行。保护动作情况为220kV月山站1号主变第二套低后备保护动作，跳开1号主变10kV侧901开关，造成10kV 1M失压。各开关保护定值及开关动作情况见表1。 

图1  220kV月山站10kV低压侧系统一次接线

表1  各开关保护定值及开关动作情况

2  设备检查及试验

2.1  一次设备检查

220kV月山站1号主变第二套低后备保护动作，跳开1号主变10kV侧901开关，10kV 1M其他线路间隔开关在合位，各线路间隔保护仅启动不动作，且伴有母线接地软报文；10kV电容器C1由于10kV母线失电压，电容器低电压保护动作，跳开C1开关。

检修班组与值班员检查10kV高压室各线路间隔均正常，仅有10kV 1M PT091小车柜前柜及相邻开关柜存在故障后熏黑现象，小车柜后柜有故障时过热的痕迹，其中10kV 1M PT091小车柜后下柜烧毁情况严重。故障前后小车柜对比如图2所示。

打开10kV 1M PT091小车柜后下柜门发现，后下柜内的设备都有不同程度的受损情况，柜内避雷器、PT、PT熔断器受到故障冲击影响，表面均已被黑色金属粉尘覆盖，如图2（b）所示。其中，柜内10kV 1M B相避雷器外观有爆裂痕迹，如图3所示。

图2  故障前后小车柜对比

图3  故障后三相避雷器

PT外观无明显爆裂，PT二次电缆已全部烧毁，10kV 1M PT091小车母线室内母线外表存在被后下柜设备发生事故时由泄压通道释放的金属粉尘熏黑现象。

2.2  一次设备试验

将10kV PT柜上柜母线表面清理干净后，试验班进行10kV 1M母线绝缘电阻测试，试验数据无异常，10kV 1M母线绝缘合格。对10kV 1M PT绕组进行直流电阻、电压比、耐压试验，数据无异常，试验合格；一次对二次及地绝缘电阻正常。对10kV 1M避雷器检查试验结果表明：除10kV 1M避雷器B相绝缘击穿损坏，A、C相避雷器试验合格。

3  故障分析及应对措施

3.1  故障波形分析

结合监控后台机及保护装置的动作报文，画出保护动作时序，如图4所示。相间故障波形如图5所示。 

图4  保护动作时序

图5  相间故障波形 

2019年1月15日05:06:13.208.5ms，由图5可知，10kV大桥线907（CT电流比：800/5）存在短时A、B相间短路，反映到1号主变10kV低压侧现象为A、B两相电流相位相反。从波形中可以看出1号主变低压侧电流二次值为2.2A(电流比：4000/5)，折算到907线路电流二次值为17.6A（Ⅱ段定值：15A，时间0.3s），达到了Ⅱ段定值，但是持续时间不足0.3s。故保护不动作，仅启动。

电磁式电压互感器低压侧的负荷很小，接近空载，高压侧有很高的励磁阻抗。由于线路故障迅速恢复，引发电能、磁能的振荡，在故障消失后，它与导线对地电容或者其他设备的杂散电容之间形成特殊的三相和单相谐振回路，在电磁振荡的激励下极易产生磁饱和，暂态励磁电流急剧增大，电感值 下降，从而引发铁磁谐振。

电网中发生最多的情况为两相因严重饱和而致导纳成感性，另一相呈容性，其电路如图6所示。从相量图看来，谐振使中性点电压发生了严重的偏移，从而导致两相电压增大，零序电压增大。中性点偏移原理如图7所示。

图6  电路图

图7  中性点偏移原理 

经检查，一次熔断丝并未熔断，非分次谐波谐振。从图8中性点偏移相量图和图9线电压和相电压波形看来，三相对地电压表现为两相高、一相低，线电压正常；其中A相电压二次值为55.83V，B相电压二次值为152.237V，C相电压二次值为131.481V。AB、BC、CA线电压二次值均为105.37V，线电压正常。

正常情况下，相电压二次值为57.7V，B相过电压为2.634倍相电压，C相过电压为2.279倍相电压，零序电压二次电压值为195.773V（PT电压比为10/0.1），折算到一次侧中性点电压为1 957.73V（正常时电压仅为30V）。

由于中性点的偏移，零序电压急剧增大，导致在此时间内伴有接地信号，即虚假接地现象，此为基波谐振的重要特征。从监控后台机报文看来，10kV 1M各间隔均发出母线接地信号，但实际上母线并没有接地。

在图10所示线电压和相电压波形中05:06:16 688ms至05:06:16 988ms及图11所示线电压和相电压波形中05:06:17 629ms至05:06:18 340ms这两个时间段内，A相电压二次幅值为99.182V，B相电压二次幅值为189.927V，C相电压二次幅值为180.923V。

AB、BC、CA线电压的二次幅值均为108.37V，线电压波形与之前相比，有一定程度畸变。正常情况下，相电压二次值为57.7V，A相过电压为1.72倍相电压，B相过电压为3.3倍相电压，C相过电压为3.14倍相电压，零序电压二次电压值为216.628V（PT电压比为10/0.1），折算到一次侧中性点电压为2 166.28V（正常时电压仅为30V）。谐振比之前更加严重。

由图12 PT波形可知，05:06:18 68ms，谐振结束，谐振时间持续4 818.4ms，持续过电压使B相避雷器阀片劣化速度加快，导致B相避雷器爆炸，进而演变成B相金属性接地，B相电压降低至0，A、C相电压升高为线电压。由1号主变低后备保护动作波形图13可知，直至05:08:12.387.2ms，故障发展为三相故障。

三相故障时，三相电压接近于0，电流二次值为23A，达到1号主变低后备保护动作定值（过电流Ⅰ段2时限定值：11A，时间：1.2s）。经1 208.6ms，1号主变第一、二套保护动作出口跳开901开关。

图8  中性点偏移相量图

图9  线电压及相电压波形1

图10  线电压及相电压波形2

图11  线电压及相电压波形3

图12  PT波形

图13  1号主变低后备保护动作波形

3.2  故障结论

结合故障录波装置波形及监控后台信息做出事故时间线，如图14所示。

图14  事故时间线

1）2019年1月15日05:06:13.208.5ms，10kV大桥线907发生AB相间故障，故障持续时间约48ms，由于时间未达到定值，10kV大桥线907线路保护装置仅启动不动作。

2）在故障消失后，电压互感器与导线对地电容或者其他设备的杂散电容之间形成特殊的三相和单相谐振回路，在电磁振荡的激励下极易产生磁饱和，暂态励磁电流急剧增大，电感值下降，从而引发铁磁谐振。虽然谐振时间仅持续了4 818.4ms，但后半段谐振过电压幅值很高，持续过高的谐振过电压使B相避雷器阀片劣化速度加快，最终导致B相避雷器发生爆炸。

3）由于PT计量绕组为0.2级，其饱和电压较小，在发生谐振时，该绕组产生较大的故障电流，导致计量PT空开先跳闸。

4）B相避雷器爆炸后变成B相金属性接地，B相避雷器爆炸后产生的烟雾、粉尘使PT柜内空气绝缘降低，在线电压的作用下发展成三相短路故障，电流值和时间均达到1号主变低后备保护过电流Ⅰ段1时限和2时限动作条件，1号主变第二套保护动作跳开901开关，保护动作正确。

3.3  应对措施

为了抑制谐振过电压和稳定系统的中性点电压，在10kV母线PT二次开口三角处接入消谐装置，但此种方式不能抑制基频或分频谐振，当XC/XL  0.01时也不能很好抑制过电流，易烧毁PT或使一次高压熔断器熔断[10-11]。为避免类似问题发生，可以采用如下措施：

1）调整220kV月山站10kV出线运行方式，尽可能投入线路，增加系统对地电容，破坏谐振发生条件。

2）使用一次消谐装置，若再次发生谐振，则更换为电容式PT，从根本上消除发生谐振的基础。

4  结论

从以上分析可知，10kV出线两相瞬时故障，导致PT与导线对地电容之间形成谐振回路，致使PT一次侧过电流，铁磁谐振过电压造成相电压升高，导致B相避雷器击穿。为防止谐振再次发生，对10kV系统加装了消弧线圈。同时，调度调整系统运行方式，尽量减少热备用线路运行，降低电感与电容匹配程度，破坏谐振产生的条件。经两年多的运行，未发生谐振现象。

本文编自2021年第11期《电气技术》，论文标题为“10kV不接地系统两相故障导致电压互感器避雷器爆炸事故分析”，作者为万寿雄。

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