20KV多条供电线路同时跳闸事故的分析

20KV多条供电线路同时跳闸事故的分析

殷小荣

（江苏省电力公司金湖县供电公司，江苏淮安211600）

摘要：本文通过对20KV不接地系统铁磁谐振和多条供电线路同时跳闸的定性分析，剖析了我县一起20KV多条供电线路同时跳闸和设备损坏事故的起因，阐述了防止系统铁磁谐振的措施和解决多条供电线路同时跳闸解决方案。

关键词：配电系统；铁磁谐振；激磁电流

前言

在中性点不接地的电力系统中，由于倒闸操作、系统接地、单相断线等原因诱发线路与电压互感器的铁磁谐振，可产生高达3～3.5倍的额定相电压的系统过电压，使电压互感器严重饱和，激磁电流猛然增加十数倍，引起电压互感器高压熔断器熔断、电压互感器放炮烧毁等事故。我市各县20KV配电系统接地方式在2009年前多为小电阻接地方式，2009年后为消弧线圈接地或不接地方式，由于系统接地方式不同，设备绝缘选择也不同，在20KV配电系统接地方式发生变化时设备改造更换不彻底，造成我市各县多次出现多条20KV供电线路同时跳闸事故。2013年10月21日，我县110KV新民变电所20KVⅠ段A相电压互感器的烧毁同时多条20KV供电线路同时跳闸就是一个典型的事例。

1系统运行方式简介

我县110KV新民变电所110KV单母线接线，110KV主变一台，20KV单母线分段接线（单母线运行），20KV系统经消弧线圈接地（运行时消弧线圈未投），20KV母线共有20KV电缆、架空混合线路7条，其中20KV新塘线与110KV官塘变电所手拉手相连；20KV新湾线、新发线、北兴线与110KV黎城变电所手拉手相连。事故发生时110KV黎城变电所改造其20KV线路负荷调由新民变电所供电，110KV新民变电所20KV母线供电线路总长78km。

2事故发生经过

2013年10月21日15时02分，110KV新民变电所发生20KV系统谐振（开口三角电压17HZ-23V，25HZ-25V，50HZ-6V，150HZ-1.2V）和20KV系统接地（开口三角电压17HZ-20V，25HZ-11V，50HZ-49V，150HZ-4.5V）；15时03分，110KV新民变电所20KVⅠ段A相爆炸，其高压熔断器熔断，20KV楼庄线、新湾线、新发线同时保护动作，开关跳闸。

3系统铁磁谐振理论分析

在中性点不接地系统中运行中的电压互感器出现高压熔断器突然熔断、电压互感器烧毁；在送电操作和系统接地时，有时发现母线电压指示异常同时出现接地信号，又无明显的事故迹象，这往往就是系统发生了铁磁共振。以单相交流电路分析铁磁共振的原因如下：

3.1电压铁磁共振（串联谐振）

电压铁磁共振，如图1（a）为铁磁线圈和电容串联电路。在电源ù作用下，电流ī流过铁芯线圈，在电感L上的压降ùL，流过电容在电容C上的压降ùC，ùL与ùC相位相反如图1（b），ù=ùC-ùL，在数值上U=UL-UC。电容器端电压和电流相位相同为线性关系，如图2曲线1，在一定频率的情况下，容抗为一常数；铁芯线圈端电压和电流的关系受铁芯磁化状态影响，铁芯会饱和，线圈电感会有变化，为此电压和电流为一曲线，如图2曲线2。图2曲线3为曲线1+曲线2，当电流小于I/时，ùL＞ùC，ī滞后ù，呈感性。当电流大于I/时，ùL＜ùC，ī超前ù，呈容性。电流等于I/时，ùL=ùC，I=0，曲线3和横坐标的交点d叫做共振点。这时产生的共振叫电压共振。

当电压逐步升高时电流同步慢慢增长，当增长到a点时，电流发生跃变数值突增（在a点跃到b点，其相位翻转180°）。当电压再往上升时，电流又平缓上升。在电流跃变时，电流相位发生了变化，电流会增加很多倍，这时电容和电感线圈上的电压也会增加，为此，出现过电压和过电流，这种现象就是铁磁共振时产生的过电流和过电压。

3.2并联谐振（电流铁磁共振）

并联谐振也称电流铁磁共振，如图3（a）为电容和铁芯线圈并联电路，其向量关系如图3（b），把电压U与电流īCīLī的关系曲线分别画来如图4，曲线1为U=f（IC），曲线2为U=f（IL），曲线3为U=f（I）。曲线3与纵坐标的交点d就是共振点，ī=īC+īL=0，这时产生的共振叫电流共振。电压低于d点时，电流呈容性，电压高于d点时，电流呈感性。Oa段是稳定区，ad段是不稳定区，电流增加到a点，电压有“跃变”现象，由a点跃到b点，I的相位也翻转180°。所以并联共振也会出现过电流和过电压现象。

以上分析，忽略了线圈电阻、铁芯损耗、高次谐波等因素，从物理意义上来说，产生这种“跃变”的原因是铁芯饱和的缘故。所以产生共振的根本原因在于线圈的铁芯饱和。

4系统铁磁共振的主要原因

4.1接线方式：（1）电源中性点不接地；（2）有星形接线的中性点接地的电压互感器；（3）母线及其有电的联系的系统有一定数值的电容。

4.2电路中必须具有的条件：（1）铁芯线圈电感的起始值和等值电容组成的自振频率小于并接近共振频率；（2）电路中电阻应小于某临界值；（3）非线性电感的变化范围应足够大。

4.3具体设备方面：（1）电压互感器的伏安特性不好，铁芯过早饱和；（2）母线上接有空载架空线路；（3）开关检修质量不良，特别是三相不同期。

4.4激发原因：（1）倒闸操作；（2）系统发生故障，如单相接地，单相断线等。

5我县20KV系统铁磁共振（电压互感器烧毁）原因分析

我县110KV新民变电所20KV系统为不接地系统，而电压互感器的高压中性点是接地的，20KV系统对地电容电流经计算为10.5A，系统如图5（a）。

当C相在K点发生接地时，系统等值电路如图5（b），因为CC和LC被短路，失去作用。就LA和CA来看，它两组成一并联回路，两端作用着电压UCA=√3UX，由于电压互感器的线圈是个铁芯线圈且与电容并联，就可能产生铁磁共振。在单相良好接地瞬间，非相对地电压会升高√3倍，使电容电流增加，总电流也起了变化，这就可能引起共振，尤其电网在低频谐振时，电压互感器铁芯高度饱和，铁芯高度饱和后极易出现尖顶波，损坏电压互感器绝缘（以上装置测量数据含丰富的17HZ谐波原因就是如此）。这种并联电路的电流铁磁共振有可能使铁芯线圈的电流增大十几倍，使电压互感器的高压熔断器熔断。由于电压互感器的高压熔断器的选择受其机械强度的限制，最小为0.5A，比电压互感器的额定电流大很多倍，如高压侧电流未达到能熔断熔断器的情况，但又超过了额定电流时，则长时间过流使电压互感器烧毁。

6我县20KV多条供电线路同时跳闸原因分析

我县20KV配电系统始建于2008年，根据江苏省电力公司2007年10月颁布的《20KV配电系统技术导则》的要求：（1）20KV系统接地方式选为20KV中性点采用低电阻接地方式，接地电阻值为20Ω，保证系统发生单相接地时能可靠跳开故障线路。（2）在10kV供电向20KV供电的过渡期间，存在对原10KV供电的客户结合其设备更新改造，升压为20KV供电方式。（3）在规划的20KV供电区域配网未建成前，对新增客户的变电所设备按20KV电压等级进线设计，先期考虑选择降压运行（高压电缆开关、电流互感器设备按20KV选择，电压互感器、避雷器设备按10KV选择，配电变压器带抽头能满足10KV供电）。为此，在当时的系统接地方式下20KV电力电缆普遍选用的型号为：YJV22-12/20；避雷器选用的型号：10KV电压系统运行时选用HY5WZ-17/45，20KV电压系统运行时选用HY5WZ-34/85。

2009年我县110KV新民变电所投入运行，2011年110KV官塘变电所投入运行，110KV新民变电所和110KV官塘变电所20KV系统接地方式为不接地系统，110KV黎城变电所20KV系统接地方式为小电阻接地系统。根据交流系统中电力电缆与绝缘屏蔽或金属套之间额定电压的选择规定：（1）中性点直接接地或小电阻接地的系统，当接地保护动作不超过1min切除故障时，应按100%的使用回路工作相电压。（2）中性点不接地和消弧线圈接地的系统，不宜低于133%的使用回路工作相电压，实际为150%，在单相故障可能持续8h以上，宜采用173%的使用回路工作相电压。在20KV中性点为不接地系统中，20KV电力电缆应采用YJV22-18/20型，20KV避雷器应采用HY5WZ-34/85。为此，2010年我县根据20KV供电系统接地方式的变化，对不满足系统要求的电气设备和电缆进线了改造和更换，但还存在部分用电客户改造不彻底的情况，在110KV黎城变电所其20KV线路负荷调由新民变电所供电期间，110KV新民变电所20KV供电系统中存在YJV22-12/20电力电缆和个别HY5WZ-17/45避雷器在系统中运行的情况。

不接地的20kV系统在单相接地故障情况下，非故障相电压会升高到线电压，系统谐振时各相电压变化会更大。2013年10月21日15时02分，110KV新民变电所报20KV楼庄线上*****客户由于超负荷，变压器损坏，造成A相接地，根据上述故障情况，20KV系统发生谐振，造成系统电压异常，110KV新民变电所20KVⅠ段A相爆炸，其高压熔断器熔断；同时由于20KV楼庄线、新湾线、新发线上一些YJV22-12/20电力电缆和HY5WZ-17/45避雷器在系统中运行，其相对地绝缘低于相对地的运行电压（21KV），造成绝缘损坏、放电现象，形成不同相多点接地的情况，由于20KV出线保护整定时间相同，出现20KV楼庄线、新湾线、新发线同时保护动作，开关跳闸的情况。

7防止铁磁共振的措施

根据系统运行方式和系统具体参数的具体情况，防止铁磁共振可采取以下措施：

7.1电压互感器加装一次和二次消谐器；

7.2电压互感器开口三角形侧接一个几十欧电阻（数值小于0.45Xj归算到低压侧的工频激磁电抗）；

7.3在母线上接入一定大小的电容器，使比值XL/XC＞0.01；采用质量好、铁芯不易饱和的电压互感器或改变电压互感器的接线；

7.4改变可能产生铁磁共振的操作程序；提高开关检修质量，保证三相同期好；

7.5系统充电过程中发生铁磁共振时，可迅速投入空载线路。

8结语

通过以上分析，我县20KV多条供电线路同时跳闸的根本原因为系统中存在个别供电设备对地绝缘性能较低，在系统接地和谐振时非接地相对地电压升高，造成设备对地绝缘损坏或放电的情况，出现了不同相多点接地的现象，防止多条供电线路同时跳闸可采取以下措施：

8.1对供用电设备进线普查和改造，更换绝缘性能不满足系统运行方式要求的电力电缆和避雷器；

8.2对不直接接地的20KV系统采取同上述防止铁磁谐振的措施，当系统电容电流大于10A时，及时投入消弧线圈装置；

8.3根据用电客户的性质，调整用户供电电源，将含有大型电机的用电客户调为中性点经小电阻接地的电网供电，将混供电路调为经消弧线圈接地的电网供电；

8.4将线路小电流接地选线投入跳闸。

参考文献：

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