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国网徐州供电公司的研究人员郝宏亮、孙忠文、徐建军等，在2016年第2期《电气技术》杂志上撰文，对某35kV变电站因10kV电压互感器爆炸造成主变高后备保护动作的事故进行细致分析，探讨了主变保护动作过程和压变柜爆炸的原因。根据该变电站运行特点，提出了提高变电站运行可靠性和限制铁磁谐振过电压影响的改进措施。
35kV变电站由于占地面积小、建造工期短、造价低等优点，被大量应用于工业不密集地区和农村地区[1]。因其一次接线方式和保护配置相对简单，站内设备受系统运行方式影响较大[2]。
本文针对某35kV L站10kV母线压变爆炸造成主变保护动作的事故，在故障录波数据丢失的情况下分析保护动作过程和压变柜爆炸原因，提出相应改进措施。
1 事故概况及保护动作情况
35kV L站正常运行方式如图1所示。变电站采用单线单变运行，35kV A线303开关带35kV1号母线，35kV B线305开关为出线线路，1号主变及10kV1号母线运行， 101开关、115开关、113开关、111开关运行；113开关线路为拉手开关，1号站用变103开关带全所站用电，1号主变带10kV全部负荷运行，35kV、10kV无备自投。
图1 L站正常运行方式
2015年4月9日06时15分，35kV L站1号主变高后备保护复合电压过流 I 段1时限、复合电压过流II段1时限保护动作，301、101开关跳闸，35kV 1号母线、10kV 1号母线失电。L站交、直流全部失电，10kV 1号母线1005压变柜爆炸。
2 事故原因分析
2.1 主变高后备保护动作分析
主变高后备保护是主变的后备保护，当主变及系统存在相应故障而差动保护或者低后备保护拒动时，高后备保护经延时跳开主变高、低压侧总开关，切除故障[4]。L站主变为双绕组变压器，未配备低压侧后备保护，仅采用高后备复合电压过流保护作为主变后备保护；复合电压取自10kV母线PT。保护原理如图2所示。
图2 复合电压过流保护原理接线图
当10kV母线压变故障发生PT断线，高后备保护复合电压闭锁退出，仅由过流保护控制。L站高后备保护整定值如表1所示。
表1 1号主变复压过流保护整定值
注：表中为高压侧定值，CT变比300/5。
保护装置显示动作电流1136.4A/18.94a（高压侧），远大于整定值，高后备保护动作，跳开101、301开关，10kV母线失电。
2.2 压变柜爆炸原因分析
2.2.1 电压变化
UPS电源在站用电失电时发生故障，导致故障录波丢失，仅能通过OPEN3000监控系统数据进行事故分析。系统每5分钟采集一次数据，10kV母线电压变化如图3所示。
主变保护动作前10kV系统相电压频繁出现较大波动，线电压波动较小，电压变化具有单相接地特征。
图3 OPEN3000采集的电压幅值变化图
2.2.2 虚幻接地
调出故障前的SOE信息，对10kV母线各相接地信息和告警信息进行整理，得到L站接地信息表，如表2所示。
造成10kV母线接地告警的接地相不是同一相，A、B、C三相在故障前均出现单相接地，接地相具有随机性；06:01:25和06:14:45接地电压幅值比0较大，判断该种接地信息不应为真正单相接地，而为“虚幻接地”[4]。
表2 L站接地信息表
文[5]指出，虚幻接地主要是由电压互感器饱和程度不同引起的，造成中性点电压位移（即中性点电压U0≠0），对外表现为接地现象。
2.2.3 过电流
PT爆炸前，系统电流出现剧烈变化，如图5所示。
图5 OPEN3000采集的电流变化曲线
经检查10kV线路无故障，PT故障对系统出线影响十分剧烈，电流幅值变化明显。
2.2.4 弧光短路
保护动作电流一次值换算成10kV侧为1136.4A×35/10=3788A。L站主变容量为8000kVA，同时系统负荷较小；保护动作电流值远大于10kV母线三相接地短路电流8000kVA/10kV=800A。
技术人员从爆炸后的压变柜发现，互感线圈相间燃烧严重。结合动作情况，判定造成互感器相间燃烧的电流为弧光短路电流。
文[6]总结了由PT饱和发生的铁磁谐振特征，包括：中性点电压偏移；相间或相对地过电压；弧光短路；空载情况下，PT过热等。结合L站故障情况推断：由于10kVPT饱和，系统发生铁磁谐振，中性点电压发生位移，过电流造成PT线圈相间弧光短路，导致压变柜爆炸。
3 改进措施
3.1 提高变电站运行可靠性
1）备用电源
备用电源自动投入装置是保证供电可靠性的重要设备。目前，L站采用35kV单线单变、10kV单母线的经济运行方式，不具备电源备自投条件，在主变高后备保护动作后全站失电。建议L站所属电网对该站进行改造、扩建，引入10kV和35kV备用电源，保障电网运行的可靠性。
2）交、直流电源和自动化装置
L站站用电源来自一台10kV站用变，直流系统采用“一电一充”方式（即一组蓄电池、一台充电机）。故障30分钟后，交、直流电源已全部失电，后台机未保存故障录波数据，严重影响事故处理和分析。
3.2 限制和消除谐振影响
限制和消除系统谐振的措施主要包括：加装零序消谐装置、4PT法、更换高性能PT、在系统中性点加装消弧线圈等[7]。
1）采用零序消谐装置
在PT一次侧零序相和开口三角两端接入消谐器能够根据检测的零序电压大小改变阻尼电阻阻值，释放谐振能量[6]。目前L站采用一次消谐器和二次消谐灯的配置。
零序消谐器对于负荷较大的系统，由单相接地引发的谐振效果较好，而主变负载率低、系统出线较少时消谐效果有限[7]。
2）4PT法
PT高压侧中性点经零序电压互感器接地的方法称为4PT法接线。利用零序PT的非线性感抗消除中性点位移电压U0的影响，从而抑制铁磁谐振[7]。
4PT法改造工程量大，且消谐效果与一次侧加装零序消谐器差别不大，在35kV系统应用较少。
3）采用高特性电压互感器
选用励磁特性较好的电压互感器，可提高激发谐振的阈值，降低电网发生谐振的概率[7]，但无法从形成源头消除铁磁谐振。
4）系统中性点加装消弧线圈
在系统中性点加装消弧线圈，相当于在PT高压绕组上并联一个电感线圈。由于消弧线圈的感抗远小于PT感抗，当系统出现中性点位移电压，零序过电流大部分经消弧线圈回路流入大地，避免PT饱和，从而抑制铁磁谐振发生[7]。
根据L站接线方式和系统运行情况，宜选择在10kV系统中性点加装消弧线圈，限制、消除铁磁谐振，保护电压互感器。
4 结论
本文在35kV L站故障录波数据丢失的情况下，根据保护装置动作电流和OPEN3000系统查询的告警信息对10kV母线压变柜爆炸造成全站失电事故进行分析、还原。
分析发现，由PT饱和引发铁磁谐振，继而引发弧光短路，导致主变高后备保护动作和压变柜爆炸。提出对L站进行运行可靠性改造，并建议在系统中性点加装消弧线圈限制和消除铁磁谐振影响。
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