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隔離變壓器對(duì)10 kV線路單相接地故障檢測(cè)的影響分析及處理

2022-01-07 16:01張宇
內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2021年6期
關(guān)鍵詞:相電流零序繞組

張宇

(中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司,貴州 興義 562400)

0 引言

在早期的10 kV站用電源設(shè)計(jì)中,為有效減小分布式電源單相出口的短路電流,提高供電可靠性,一般會(huì)在10 kV出線上安裝隔離變壓器[1-3]。然而,這種設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致無法識(shí)別出10 kV線路單相接地故障,存在安全隱患[4-6]。本文以某換流站發(fā)生的10 kV線路故障為例,對(duì)隔離變壓器影響10 kV單相接地故障的檢測(cè)問題進(jìn)行分析,并提出解決措施。

1 某換流站10 kV系統(tǒng)概況

1.1 一次接線概況

某換流站10 kV交流系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),主要為換流變壓器冷卻器、閥廳空調(diào)、閥冷系統(tǒng)等重要負(fù)荷供電,其一次設(shè)備接線圖如圖1所示。站外水泵房由101母線經(jīng)隔離變壓器和10 kV換江線供電,主要為站內(nèi)換流閥冷卻系統(tǒng)提供外冷水源。

1.2 設(shè)備概況

10 kV 101母線裝有母線T15電壓互感器(見圖1),其一次側(cè)中性點(diǎn)接地,二次側(cè)配置3個(gè)繞組,接線方式分別為Y、Y和△;Y接線的繞組用于測(cè)控和計(jì)量,△接線的繞組用于測(cè)控裝置對(duì)零序電壓的監(jiān)視。014DL斷路器保護(hù)裝置型號(hào)為PCS9611N,具有有三段式過流保護(hù)功能;10 kV隔離變壓器聯(lián)接組別為Y△11,電壓比為10 kV/10 kV,短路阻抗百分比為6.92%。

圖1 10 kV系統(tǒng)一次設(shè)備接線圖

2 故障分析

2.1 故障概述

2020-07-09 T 06:14,10 kV換江線發(fā)生短路故障,014DL斷路器過流一段保護(hù)動(dòng)作,跳開014DL斷路器,站內(nèi)運(yùn)維人員對(duì)斷路器、變壓器、電纜線路等站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行了檢查,未發(fā)現(xiàn)異常。08:20和09:30運(yùn)維人員對(duì)換江線進(jìn)行了2次強(qiáng)送電,均不成功。

2.2 過程分析

接地故障發(fā)生后,T15電壓互感器開口△回路產(chǎn)生零序電壓,站用電測(cè)控裝置通過檢測(cè)零序電壓判斷10 kV系統(tǒng)是否發(fā)生單相接地故障,零序電壓測(cè)量原理見圖2。當(dāng)零序電壓大于設(shè)定值(10 V)時(shí),驅(qū)動(dòng)F34電壓型繼電器動(dòng)作,常開觸點(diǎn)11/13閉合后向測(cè)控裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào),測(cè)控裝置將10 kV交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障的告警信息送至運(yùn)行人員工作站。

圖2 零序電壓測(cè)量原理

在故障前后,工作站未收到101母線接地故障的告警信號(hào),可判定母線以及與母線直接相連的電氣部分未發(fā)生不對(duì)稱故障,跳閘后運(yùn)維人員對(duì)站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行了巡視,也未發(fā)現(xiàn)異常?;谝陨戏治?,可排除隔離變壓器以及電纜線路發(fā)生故障的可能,推測(cè)故障發(fā)生在站外10 kV的架空線路上。故障時(shí)刻014DL斷路器保護(hù)內(nèi)部電流波形見圖3(強(qiáng)送時(shí)的故障波形與圖3基本一致)。

圖3 故障時(shí)刻014DL保護(hù)內(nèi)部電流波形

從圖中可以看出,故障時(shí)10 kV隔離變壓器Y側(cè)繞組U相和V相電流大小及相位均相同,W相電流幅值是U相和V相電流的2倍,相位相差180°,用數(shù)學(xué)式表達(dá)即為:

隔離變壓器原副邊繞組電流通過磁通可以線性傳變,故△側(cè)三相繞組中的電流也滿足式(1)的條件,即:

△側(cè)線電流與相電流(繞組電流)關(guān)系如下:

式中:IL1、IL2、IL3—線路L1相、L2相、L3相電流。

將式(2)代入式(3)得到10 kV換江線架空線路的三相電流關(guān)系為:

根據(jù)式(4),故障時(shí)線路三相電流關(guān)系很明顯符合L2和L3相間短路的特征,基本可以確定是架空線路上發(fā)生了L2和L3相間短路故障,故障時(shí)刻電流流向見圖4。

圖4 故障時(shí)刻電流流向

2.3 故障原因

7月9日,工作人員進(jìn)行巡線檢查,發(fā)現(xiàn)4號(hào)桿塔絕緣子邊相和9號(hào)桿塔絕緣子中相絕緣子被擊穿。經(jīng)分析認(rèn)為,L2和L3相絕緣子被擊穿后對(duì)接地引下線放電,兩故障點(diǎn)通過大地形成回路,造成L2和L3相發(fā)生相間短路。4號(hào)和9號(hào)桿塔相距1.5 km,且故障時(shí)天氣良好,因此兩個(gè)桿塔的絕緣子同時(shí)被擊穿的可能性很小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察,4號(hào)桿塔擊穿點(diǎn)較為陳舊(擊穿點(diǎn)內(nèi)部有泥痕),判斷是由單相接地演變成相間短路。4號(hào)桿塔L3相絕緣子被擊穿后發(fā)生接地,但由于是不接地系統(tǒng),L1和L2兩相對(duì)地電壓升高,致使L2相絕緣薄弱處被擊穿,最后發(fā)生相間短路。

3 改進(jìn)措施

由于該換流站10 kV站用電系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng),在單相接地故障期間,L3相僅流過L1和L2兩相的對(duì)地電容電流,該電流極小,較負(fù)荷電流可忽略不計(jì),不會(huì)對(duì)繞組兩端電壓產(chǎn)生影響(見圖5)。盡管接地點(diǎn)電勢(shì)為零,但由于△側(cè)繞組兩端電勢(shì)差不會(huì)發(fā)生變化,Y側(cè)繞組的電壓也不會(huì)發(fā)生變化,所以測(cè)控裝置不會(huì)報(bào)警。當(dāng)發(fā)生單相接地故障后,其他兩相對(duì)地電壓升高3倍,系統(tǒng)中絕緣薄弱點(diǎn)被擊穿,故障可能進(jìn)一步擴(kuò)大成兩點(diǎn)、多點(diǎn)接地短路,因而必須采取措施切除線路,隔離故障點(diǎn)[7-8]。

圖5 L3相單相接地故障電路示意圖

3.1 拆除隔離變壓器,線路直連母線

拆除隔離變壓器之后,10 kV出線發(fā)生接地故障后在母線上產(chǎn)生零序電壓,后臺(tái)會(huì)收到相關(guān)告警信號(hào),提醒運(yùn)維人員采取措施處理[9]。

3.2 在隔離變壓器△側(cè)安裝電壓互感器(TV)

在隔離變壓器△側(cè)安裝TV(見圖6),利用開口三角繞組測(cè)零序電壓的原理對(duì)接地故障進(jìn)行監(jiān)視,這也是目前小電流接地系統(tǒng)檢測(cè)接地故障的主要措施。當(dāng)發(fā)生接地故障后,非故障相電壓升高,開口三角繞組會(huì)產(chǎn)生較高的零序電壓,可以對(duì)接地故障進(jìn)行監(jiān)視和預(yù)警。

圖6 在隔離變壓器△側(cè)安裝TV示意圖

該換流站在建站之初,設(shè)計(jì)人員選擇在10 kV出線側(cè)安裝了隔離變壓器。隔離變壓器是一種特殊的變壓器,因其一次側(cè)和二次側(cè)沒有電的直接聯(lián)系,只存在磁的聯(lián)系,具有較高的安全性[12-13]。若取消隔離變壓器,會(huì)有如下影響。

(1)由于線路較短,線路阻抗較隔離變壓器短路阻抗可忽略不計(jì),014DL斷路器過流保護(hù)經(jīng)過核算后的定值將超過整定范圍上限,給保護(hù)整定和配合帶來困難。

(2)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí),非故障相對(duì)地電壓升高,在超過額定電壓的工況下長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)站內(nèi)10 kV干式變壓器、母線、上一級(jí)站用變壓器低壓側(cè)絕緣產(chǎn)生不可逆的影響,甚至有可能會(huì)造成絕緣擊穿,嚴(yán)重威脅設(shè)備安全[14-15]。

經(jīng)過評(píng)估,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇在隔離變壓器△側(cè)安裝TV,既兼顧了隔離變壓器的作用,又能避免單相接地故障的檢測(cè)死區(qū)。在實(shí)際運(yùn)行中,當(dāng)線路再次發(fā)生單相接地故障后,測(cè)控裝置能夠可靠識(shí)別并發(fā)出告警信號(hào),達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

本文分析了當(dāng)10 kV線路出線側(cè)安裝隔離變壓器時(shí),可能導(dǎo)致單相接地故障檢測(cè)功能存在死區(qū),影響供電可靠性,增加運(yùn)維人員的工作量,提出采取取消隔離變壓器和在隔離變壓器出線側(cè)安裝電壓互感器的兩種方案,并從經(jīng)濟(jì)性、可操作性和安全性角度綜合對(duì)比,選取最合適的解決方案。

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