張宇

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

0 引言

在早期的10 kV站用電源設計中，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，一般會在10 kV出線上安裝隔離變壓器[1-3]。然而，這種設計可能會導致無法識別出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，對隔離變壓器影響10 kV單相接地故障的檢測問題進行分析，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)是中性點不接地系統(tǒng)，主要為換流變壓器冷卻器、閥廳空調、閥冷系統(tǒng)等重要負荷供電，其一次設備接線圖如圖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，主要為站內換流閥冷卻系統(tǒng)提供外冷水源。

1.2 設備概況

10 kV 101母線裝有母線T15電壓互感器（見圖1），其一次側中性點接地，二次側配置3個繞組，接線方式分別為Y、Y和△；Y接線的繞組用于測控和計量，△接線的繞組用于測控裝置對零序電壓的監(jiān)視。014DL斷路器保護裝置型號為PCS9611N，具有有三段式過流保護功能；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動作，跳開014DL斷路器，站內運維人員對斷路器、變壓器、電纜線路等站內設備進行了檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。08：20和09：30運維人員對換江線進行了2次強送電，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△回路產生零序電壓，站用電測控裝置通過檢測零序電壓判斷10 kV系統(tǒng)是否發(fā)生單相接地故障，零序電壓測量原理見圖2。當零序電壓大于設定值（10 V）時，驅動F34電壓型繼電器動作，常開觸點11/13閉合后向測控裝置發(fā)出報警信號，測控裝置將10 kV交流系統(tǒng)發(fā)生接地故障的告警信息送至運行人員工作站。

圖2 零序電壓測量原理

在故障前后，工作站未收到101母線接地故障的告警信號，可判定母線以及與母線直接相連的電氣部分未發(fā)生不對稱故障，跳閘后運維人員對站內設備進行了巡視，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，推測故障發(fā)生在站外10 kV的架空線路上。故障時刻014DL斷路器保護內部電流波形見圖3（強送時的故障波形與圖3基本一致）。

圖3 故障時刻014DL保護內部電流波形

從圖中可以看出，故障時10 kV隔離變壓器Y側繞組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)學式表達即為：

隔離變壓器原副邊繞組電流通過磁通可以線性傳變，故△側三相繞組中的電流也滿足式（1）的條件，即：

△側線電流與相電流（繞組電流）關系如下：

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系為：

根據(jù)式（4），故障時線路三相電流關系很明顯符合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，故障時刻電流流向見圖4。

圖4 故障時刻電流流向

2.3 故障原因

7月9日，工作人員進行巡線檢查，發(fā)現(xiàn)4號桿塔絕緣子邊相和9號桿塔絕緣子中相絕緣子被擊穿。經(jīng)分析認為，L2和L3相絕緣子被擊穿后對接地引下線放電，兩故障點通過大地形成回路，造成L2和L3相發(fā)生相間短路。4號和9號桿塔相距1.5 km，且故障時天氣良好，因此兩個桿塔的絕緣子同時被擊穿的可能性很小。根據(jù)現(xiàn)場觀察，4號桿塔擊穿點較為陳舊（擊穿點內部有泥痕），判斷是由單相接地演變成相間短路。4號桿塔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 改進措施

由于該換流站10 kV站用電系統(tǒng)為中性點不接地系統(tǒng)，在單相接地故障期間，L3相僅流過L1和L2兩相的對地電容電流，該電流極小，較負荷電流可忽略不計，不會對繞組兩端電壓產生影響（見圖5）。盡管接地點電勢為零，但由于△側繞組兩端電勢差不會發(fā)生變化，Y側繞組的電壓也不會發(fā)生變化，所以測控裝置不會報警。當發(fā)生單相接地故障后，其他兩相對地電壓升高3倍，系統(tǒng)中絕緣薄弱點被擊穿，故障可能進一步擴大成兩點、多點接地短路，因而必須采取措施切除線路，隔離故障點[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生零序電壓，后臺會收到相關告警信號，提醒運維人員采取措施處理[9]。

3.2 在隔離變壓器△側安裝電壓互感器（TV）

在隔離變壓器△側安裝TV（見圖6），利用開口三角繞組測零序電壓的原理對接地故障進行監(jiān)視，這也是目前小電流接地系統(tǒng)檢測接地故障的主要措施。當發(fā)生接地故障后，非故障相電壓升高，開口三角繞組會產生較高的零序電壓，可以對接地故障進行監(jiān)視和預警。

圖6 在隔離變壓器△側安裝TV示意圖

該換流站在建站之初，設計人員選擇在10 kV出線側安裝了隔離變壓器。隔離變壓器是一種特殊的變壓器，因其一次側和二次側沒有電的直接聯(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，014DL斷路器過流保護經(jīng)過核算后的定值將超過整定范圍上限，給保護整定和配合帶來困難。

（2）當發(fā)生單相接地故障時，非故障相對地電壓升高，在超過額定電壓的工況下長期運行對站內10 kV干式變壓器、母線、上一級站用變壓器低壓側絕緣產生不可逆的影響，甚至有可能會造成絕緣擊穿，嚴重威脅設備安全[14-15]。

經(jīng)過評估，根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇在隔離變壓器△側安裝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死區(qū)。在實際運行中，當線路再次發(fā)生單相接地故障后，測控裝置能夠可靠識別并發(fā)出告警信號，達到了預期效果。

4 結束語

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