220 kV线路接地故障引起发变组高压侧断路器误跳闸原因分析及处理

孟庆党，雷春明，李博，戴文华，孙效云

(华能巢湖发电有限责任公司，安徽省巢湖市，238000)

0 引言

华能巢湖电厂2009年220 kV线路发生绝缘子闪络导致单相接地故障，线路保护正确动作跳开开关，与此同时发变组高压侧断路器发生不明原因跳闸。经现场检查，发变组保护没有动作，查不出直接导致发变组高压侧断路器的原因。主变高压侧中性点为直接接地方式，机组故障录波器录波显示故障时流经主变中性点的接地电流约为2 500 A。发变组高压侧断路器跳闸的同时，挂在同一母线处的启备变高压侧开关在机组故障录波器上显示发生变位，变位时间为10 ms左右，启备变高压侧开关实际并未跳闸，据此判断，发变组高压侧断路器跳闸为误动。

经现场检查发现发变组高压侧断路器跳闸回路二次电缆长约 470 m(型号 ZRC-KVVP2，7×2.5 mm2)，对地电容较大。接地故障发生或切除时，高达数MHz的高频分量可以持续时间十几ms［1-10］，因此怀疑是高频分量通过跳闸回路二次电缆分布电容侵入跳闸回路，导致断路器跳闸。

1 原因分析

1．1 模型建立

当线路单相接地故障发生或者切除时，接地电流除了有工频量之外，还包含高达数MHz的高频分量，持续时间达十几ms，一次系统图及等效电路如图1所示。

图1 一次系统及等效电路图Fig.1 Primary system and equivalent circuit

图中Rg为电源中性点接地电阻(中性点直接接地为0)，Rgz为系统接地故障电阻，可得:

Ig和高频分量的能量及变压器中性点电阻、接地故障电阻都有关系，高频电流在大地中流动时，升压站地电网和主厂房地电网空间位置上的差异，根据格林函数的原理，2个地网之间存在电位差ΔU，该电位差的大小正比于Ig。由于ΔU的作用，故障高频分量经过断路器跳闸回路的电容耦合作用在跳闸线圈，模型和等效电路如图2所示。

图2 耦合模型及等效电路Fig.2 Coupling model and equivalent-circuit

由此可知耦合电路中流经断路器跳闸线圈的电流I=KIg，K为关联系数。

当然工频分量也会在2电网之间形成电位差，但是地电网与跳闸回路之间的电容耦合几乎可以忽略不计，所以工频分量作用在跳闸线圈的影响可以忽略。

1．2 参数确定

对发变组高压侧断路器跳闸回路试验测试:跳闸线圈动作电压U=36 V，线圈直阻 RTQ=50 Ω，可得I=U/RTQ=0.72 A。

ΔU为2地网电位差，C1、C2为二次电缆耦合电容，RTQ为断路器跳闸线圈电阻，I为耦合回路电流，由此可得数学模型:

1．2．1 ω 的确定

根据有关资料仿真结果，在单相接地故障发生或切除时，会形成前沿极陡的快速暂态分量，此暂态分量约为2 MHz，持续时间达到10 ms左右。由ω=2π/T，T=1/f(ω为角频率;π为圆周率，取3.14;T为周期;f为暂态分量频率)，得ω=1.256×107。

1．2．2 二次电缆耦合电容 C1、C2的确定

电缆厂家一般不提供百米长控制电缆分布电容数值，查阅有关资料:“根据不同电缆的芯线空间布置结构与分布电容的关系，制定了等效分布电容电路，然后根据等效电路实测了部分电缆的电容，并在此基础上建立软件仿真数学模型进行仿真校对，验证其等效电路及实测方法的可行性，然后用此方法实测了多种控制电缆的分布电容参数，具体情况如表1”。

这里可以认为 C1=C2，查表可知 ZRC-KVVP 2 7×2.5 mm2，单芯分布电容每100 m 为30.63 nF，C1=C2=(4.70×30.63 nF)/2≈72 nF。

将 C1、C2、ω、I、RTQ代入式(2)，可求得 ΔU≥37.6 V，由此可以看出C1、C2相当于短路。

2 事故处理

2．1 降低地电位差ΔU

用120 mm2铜电缆将主厂房等电位网与升压站等电位网连接，如图3所示，并定期对接地电阻进行测试。

表1 保护常用控制电缆综合分布电容数Tab.1 Distributed capacitance parameter of common control cables

图3 等电位网连接图Fig.3 Equipotential net connection diagram

2．2 采用套铁氧体磁环抑制高频干扰

采用套铁氧体磁环抑制高频干扰如图4所示。铁氧体磁环的阻抗随着频率的增高不断增大，当高频信号通过铁氧体时，电磁能量以热的形式耗散掉。T1、T4保护套铁氧体磁环，同时抑制保护装置开入信号误动;T2、T3在断路器就地端子箱保护套铁氧体磁环，抑制高频量入侵。从物理意义上讲，该方案改变了回路参数，降低了跳闸线圈上的压降，建议断路器厂家在开关本体设计抑制高频干扰的措施。

图4 铁氧体磁环布置示意图Fig.4 Layout diagram of ferrite bead

2．3 在开关跳闸线圈回路加串电阻，提高开关跳闸动作电压

现场对分闸电压测试为36 V(Ue=110 V)，根据电力设备高压试验标准对断路器分闸电压不大于65%Ue且30%Ue下可靠不分闸的要求，把分闸电压控制在(55%～60%)Ue是明智之举。本厂在分闸回路中串联陶瓷电阻，以提高断路器的分闸电压。

2．4 改变系统接地方式

经对近年来电力系统类似事故案例调查分析，发生高频干扰跳闸的发电厂及变电站均为变压器为中性点直接接地的运行方式。从等效电路中不难发现:采用小电流或不接地系统提高Rg，可以降低跳闸线圈上的压降。

3 结语

本文通过对华能巢湖电厂220 kV线路接地故障引起发变组高压侧断路器误跳闸的原因分析及处理，提出采取降低地电位差ΔU、采用套铁氧体磁环抑制高频干扰、在开关跳闸线圈回路加串电阻提高开关跳闸动作电压、改变系统接地方式等几种综合措施，可有效防范高频分量通过二次电缆分布电容侵入跳闸回路引起的断路器误跳闸，值得借鉴。

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