第五章互感器爆炸及二次回路故障.docx
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第五章互感器爆炸及二次回路故障
第五章互感器爆炸及二次回路故障及
异常运行的典型案例分析
第一节500kV线路电流互感器爆炸造成
多条220kV线路跳闸事故分析
电流互感器爆炸事故在变电站一次设备事故中是非常严重的,在某一段时间内,系统内同一型号的电流互感器在不同地区发生了多支充油式电流互感器爆炸事故,爆炸后对变电站其他设备的损坏是严重的,有的爆炸故障甚至波及到其他线路。
本案例选取了某500kV变电站FN线Fl2断路器电流互感器（A相）爆炸事故,希望能通过本案例分析,使现场运行
人员掌握对案例中涉及的知识点。
本案例分析的知识点:
（1）保护的配置及基本原理。
（2）允许式保护的概念。
（3）区内、外的故障分析。
（4）3/2断路器接线方式线路断路器优先重合的概念。
（5）故障录波图的识图及信息分析。
（6）扩大事故处理方法。
（7）电流互感器二次接线存在问题对保护的影响。
一、事故涉及线路
事故涉及线路如图5-1所示。
二、事故前的运行情况
事故前，本站500、220、35kV系统均为正常运行方式，其中500kVYF线有功功率为了490MW，无功功率为—39Mvar;GF线有功功率为—643MW，有功功率为—8Mvar；FN线有功功率为114MW，无功功率为—69Mvar（上述负荷均为18:
00时报）。
FN线为该站扩建新设备，并于2000年10月29日11时15分送电试运行，此扩建工程所使用的电流互感器为充油式电流互感器。
事故前本地区500、220kV电网运行正常，系统无任何操作和扰动，18时15分运行人员巡视时未发现异常。
跳闸前主要负荷如表5-1所示。
表5-1跳闸前主要负荷表
线路名称
电流（A）
有功功率（MW）
无功功率（Mvar）
FN线
160
114
—69
GF线
732
—643
8
YF线
568
—490
—36
FH二回
250
100
—10
FQ二回
295
114
16
FX一回
340
113
14
三、跳闸过程
（1）18时30分55秒，500kVFN线F12断路器A相电流互感器爆炸接地，F12、F11断路器相继跳闸，968ms后F12断路器A相重合于故障，500ms后F12断路器三相跳闸。
由于F12断路器优先重合，F12断路器重合不成功时，F11断路器重合闸闭锁，直接三相跳闸。
（2）故障同时跳闸线路还有：
1）GF线G侧保护动作，A相跳闸，A相重合不成功转三相跳闸（负荷转移后，YF线最大潮流为—850MW）。
2）220kVFX一回线两侧高频零序保护动作，A相断路器跳闸，重合成功。
3）220kVFQ二回线两侧高频零序保护动作，A相断路器跳闸，重合成功。
4）220kVFH二回线F侧高频零序保护动作，F33A相断路器跳闸，重合成功；H侧高频零序保护动作，A相断路器跳闸，重合后又三相跳闸。
（3）跳闸对系统的影响。
1）跳闸未造成该地区电网少供电或拉闸限电。
2）故障时造成与之相联的另一电网一台300MW发电机跳闸，电网发生局部振荡并与主网解列。
四、F12电流互感器爆炸后的情况
1、负荷
FN线：
0MW
GF线：
0MW（送电后为480MW左右）
YF线：
—850MW（GF线送电后为—330MW左右）
FH二回：
0MW（送电后为—84MW左右）
FQ二回：
无明显变化
FX一回：
无明显变化
2.主控制室主要信号
FH二回微机重合闸动作
FH二回CCH-2重合闸动作
FX一回微机保护动作
FX一回微机重合闸动作
FX一回CCH-2重合闸动作
FH二回CKJ高频保护动作
FQ二回902A重合闸动作
FQ二回WXH-11重合闸动作
FQ二回跳闸出口
FQ二回WXH-11保护动作
F12断路器LFP-921保护动作
F11断路器LFP-921第二套保护动作
FN线第二套保护跳闸
FN线第一套保护动作
FN线第一套保护告警
220kV所有线路微机呼唤值班员
220kV所有线路收发信机动作
本站所有录波器动作
3.继电保护屏保护信号
（1）500kV部分。
1）FN线：
CSL101A（微机保护）：
A跳，B跳，C跳，永久跳闸（红灯）；LFP—901B（微机保护）：
Ta，Tb，TC（红灯）
电抗器：
JCDK-119：
差动信号I、II段（红灯）；
过电流信号II、III段（红灯）。
2）F11断路器：
CZX-22A：
Ta，Tb，TC（红灯）
LFP-921：
Ta，Tb，TC（红灯）
3）F12断路器：
CZX-22A：
Ta，Tb，TC，CH，Ta（红灯）
LFP-921：
Ta，Tb，TC，CH（红灯）
4）GF线电抗器：
中性点过流（红牌），匝间（黄，红牌）。
5）GF线复用载波机：
18时30分#17（RAZFE距离保护）RX1收信一次；
18时30分#18（LFP-901A距离保护）RX1收信一次；
19时04分TX1发信一次
（2）220kV部分。
1）FQ二回：
WXH-11C/X微机保护：
跳A，重合，呼唤（红灯）；LFP-902A（微机保护）：
CH（红灯）；操作箱：
2TXJa，TXJa，ZXJ（红牌）。
2）FH二回：
SWXB-11微机保护：
A跳，重合，呼唤（红灯），停信3（录灯）；CCH—2重合（红灯）；操作箱：
TXJa（红牌）。
3）FX一回：
WXH-11X：
跳A，重合，呼唤（红灯）；CKJ—1：
CCH—2重合（红灯）；操作箱：
TXJa。
（3）微机打印报告。
1）FN线：
第一套CSL101A：
CPQD高频启动
CPJLTX高频距离停信
CPJLCK高频距离出口
GJJSCK高频保护瞬时距离加速出口
1ZKJCK距离I段出口
I01CK零序I段出口
CPJLCK高频距离出口
XXJCK阻抗相近加速出口
CJL=0.17AN测距
收发信各2次
第二套LFP-901B：
DZ突变量距离元件动作
Z1距离I段元件
CF2合闸于永久故障加速
发信2次，无收信
2）GF线：
第一套901B：
保护：
无，收信2次
第二套RAZFE：
（距离保护）保护：
无，收信2次。
3）FH二回线：
SWXB—11：
GBI0CK高频零序出口
CHCK重合出口
CCH-2CCH—2重合闸动作
4）FQ二回线：
WXH-11：
GBI0CK高频零序出口
CHCK重合出口
LFP-902（A）：
CH重合
5）FX一回线：
WXH-11：
GBI0CK高频零序出口
CHCK重合出口
CCH-2CCH-2重合闸动作
五、3/2断路器接线方式线路断路器优先重合的概念
在3/2断路器接线方式线路中,重合闸-般都采用优先重合方式,并且都先重合边断路器，后重合中断路器,主要考虑当发生单相永久性故障时,边断路器重合于永久故障,边断路器和中断路器立即三相跳闸。
如果发生单相瞬时性故障,边断路器重合成功,再经△t时间重合中断路器,并不影响线路运行。
在本案例中F12断路器电流互感器爆炸并接地，F12断路器重合闸动作出口中，重合于永久故障F12、F11断路器三相跳闸。
六、现场事故处理
18时30分，FN线FN12电流互感器A相爆炸，现场起火。
18时35分：
组织灭火，同时拉于F12断路器两侧隔离开关，推上F128接地开关。
19时00分：
大火第一次熄灭。
19时12分：
第二次起火，19时20分熄灭。
19时28分：
第三次起火，19时40分彻底熄灭。
七、事故分析
此次事故涉及到500Kv2条线路，220kV3条线路，其分析如下。
（一）爆炸线路FN线跳闸分析
1、FN线保护形式
FN线保护采用允许式保护，允许式保护就是在系统故障时，收到对侧信号（区内故障时）保护将动作跳闸，收不到对侧的信号（区外故障时）保护将被闭锁。
其特点是：
（1）线路每端仅装设跳闸元件
（2）跳闸元件动作，控制发送器将监视频率改为跳闸频率，发送至对端。
（3）跳闸元件动作，同时收到对端跳闸信号，就起动跳闸出口中。
任何一端跳闸出口，必须两端跳闸元件都动作，即任一端MT拒动，两端皆拒动。
（4）保护动作时间：
取t1=tL与t2=tR+tCH之间的较慢者。
式中：
tL为本端跳闸元件动作时间：
tR为远端跳闸元件动作时间；tCH为通道时间。
（5）配中速的移频式通道。
（6）内部故障,跳闸信号可能通过故障点,要求采用相一相耦合通道。
（7）通道平时可以得到监视,作为整个保护逻辑的一部分,较为安全。
通道有问题,外部故障时不会误动,内部故障时将引起拒动。
允许式保护简化逻辑图如图5-2所示。
2.第一套CSI7101A保护动作情况分析
（1）CSL101A保护的功能。
CSL101A保护由高频距离保护（CPUl）、距离保护（CPU2）、零序保护（CPU3）和故障录波器（CPU6）构成,其中高频距离保护包括高频相间距离保护和高频接地保护,以高频零序保护作为对高频接地距离保护的补充。
高频距离保护作为全线速动的主保护,瞬时切除全线路各种类型的故障。
（2）保护动作分析。
图5-3是CSL101A保护在K点单相接地故障的分析图,在故障时两侧的载波机均收、发2次,可看出PN线两侧保护均判断为正向故障,其分析如表5-2所示。
表5-2FN线保护动作情况
变电站
FHS
NC
距离
出口（近端）
末端（远端）
方向
+F（正向）
+F（正向）
跳闸时间
保护动作时间
保护动作时间+通道时间
因故障点在F侧出口处,所以CSL101A保护有距离T段出口（1ZKJCK）、零序I段出口（I01CK）和高频距离出口（GPJLCK）。
但从理论上分析,高频距离出口跳闸必须要收到对侧的高频信号,其时间比距离I段和零序I段时间长,因此在故障时从理论上应是F侧先跳,而N侧后跳。
由上分析可知,F侧主保护和后备保护动作正确。
3.第二套LFP-901B保护动作情况分析
（1）LFP-901B保护的功能。
LFP-901B保护由3个CPU组成。
CPUl为装置的主保护,由工频变化量方向继电器和零序方向继电器配合通道构成全线路快速跳闸保护（跳闸时间小于25ms）,采用欠范围允许式,其高频通道采用复用载波通道。
由I段工频变化量距离继电器构成快速独立跳闸段（近端故障跳闸时间小于10ms,中间故障跳闸时间小于l5ms）;由II、III、Ⅳ零序方向过流段构成接地后备保护。
CPU2为三段式相间和接地距离保护,以及重合闸逻辑。
CPU3为启动和管理机,内设整机总启动元件,该启动元件与方向和距离保护在电子电路上完全独立,动作后开放保护出口电源。
另外,CPU3还作为人际对话的通信接口,保护整组复归,CPUS接受并整理、显示、打印CPU2传来的电压、电流信号,进行测距计算。
（2）保护动作分析。
图5-4是LFP-901B保护在K点单相接地故障的分析图,在故障时,F侧载波机发信2次,无收信信号,因此,F侧主保护中的高频保护不应动作,CPU1中的“DZ”（近距离故障）动作及后备保护动作（Z1、CF2）正确。
（二）GF线跳闸分析
1.CF线保护形式
GF线第一套采用LFP-901A保护,第二套采用RAZFE保护,保护通道采用允许式通道。
2.第一套LFP-901A保护动作情况分析
（1）LFP-901A保护的功能。
CPU1与LFP-901B基本相同,其零序为三段。
CPU2、CPU3功能同LFP-901B保护。
（2）保护动作分析。
如图5-5所示,FN线K点单相接地故障,GF线F侧方向元件判断为反向,F侧的方向元件不动作;而G侧判断为正向,方向元件动作,发信,F侧收信,两侧保护不动作,保护判断正确。
3.第二套RAZFE保护动作情况分析
（1）保护功能。
RAZFE保护为三段三相式方向距离保护,在本线路与高频通道配合构成欠范围允许式保护。
当线路三相短路、两相短路和单相接地短路时,分别采用四边形特性、方向圆特性和四边形与圆弧切割后组合形特性进行判断选择;两相接地短路则由两相短路和单相接地短路特性共同判断选择。
（2）保护动作分析。
如图5-5所示,FN线K点单相接地故障,GF线F侧方向元件判断为反向,F侧的方向元件不动作,保护不动作属正确。
因故障在区外,G侧保护也不应动作,但实际上GF线G侧在FN线断路器切除故障时动作。
G侧A相断路器跳闸,并且Fl2断路器重合后重合不成功而三相跳闸。
G侧RAZFE保护动作属误动。
（三）220kV线路跳闸分析
220kVFH二回线F33、FQ二回线F37、FX一回线F39在跳闸前均接在22kV#5母线上。
从录波图和微机保护的采样报告分析,上述3条220kV线路感受的故障电流均超过定值,如表5-3所示。
表5-3220kV跳闸线路3I0定值表（变比1200/1）
断路器编号
3I0整定值（A）
3I0故障量（A）
F33
0.5
0.82
F37
0.2
0.52
F39
0.25
0.63
同时220kV#5母线的电压互感器二次接线存在问题,在区外故障时零序电压相位发生偏移,造成FH二回F33断路器、FX一回F39断路器、FQ二回F37断路器在反向故障零序功率方向元件动作,高频零序保护误动跳闸。
三条线路的对侧断路器因是正方向（同时未收到闭锁信号）,也相继跳闸。
八、电流互感器爆炸原因
Fl2断路器电流互感器型号为LB3-500W2型,系沈阳变压器厂生产,爆炸的原因系产品质量问题,爆炸的直径约为16m,在本地区另外一座500kV变电站在同一年也发生一支电流互感器爆炸事故,其爆炸的直径约为116m,爆炸碎片将临近设备损坏严重。
九、故障录波分析
故障录波如图5-6所示。
FN线:
（1）故障相:
A相。
（2）A相跳闸时间:
28ms。
（3）重合闸时间:
978ms。
（4）1043ms三相跳闸,三相跳闸时间为57ms。
（5）最大故障电流（电流互感器变比:
3000/1）3000×3.01（A）。
（6）最大零序电流（电流互感器变比:
3000/1）3000×3.01（八）。
（7）故障录波器接线原因使在波形图上的IA与3I0。
反相。
（8）故障前A相电压超前电流72.8°。
（9）故障后,C相电压有高频寄生振荡现象。
（10）A相电压迅速为零,属于是近区金属性故障。
（11）故障性质:
A相永久性故障（A相电流互感器爆炸接地）,Fl2断路器重合不成功,F11、F22断路器三相跳闸。
第二节电容式电压互感器局部电容击穿
造成二次电压异常升高故障分析
电容式电压互感器是在20世纪80年代开始用于我国电力系统高压或超高压电网,电容式电压互感器与电磁式电压互感器相比有很多优点,运行维护也较方便,但在运行中也发生过电容式电压互感器爆炸及其他故障的现象。
本案例分析的是某变电站由于电容式电压互感器局部电容击穿造成二次电压异常升高。
本案例分析的知识点:
（1）电容式电压互感器结构、特点和原理。
（2）电压互感器故障的分析。
（3）电压互感器故障的处理。
一、电容式电压互感器的结构、特点和原理
1.结构和特点
电容式电压互感器是由串联电容器抽取电压,再经过变压器变压作为测量、继电保护等
电压源的电压互感器。
电容式电压互感器还可以将载波频率耦合到输电线路用于长途通信、
远方测量、选择性的线路高频保护、遥控、电传打字等。
因此,与常规的电磁式电压互感器
相比,电容式电压互感器除可防止因电压互感器铁芯饱和引起铁磁谐振外,在经济和安全上还有很多优越之处。
电容式电压互感器主要由电容分压器（CVD）和中压变压器（IVT）组成,如图5-7所示。
电容分压器（CVD）由瓷套和装在其中的若干串联电容器组成,瓷套内充满持0.1MPa正压的绝缘油,并用钢制波纹管平衡不同环境温度以保持油压。
电容分压器可用作耦合电容器连接载波装置。
中间变压器（IVT）由装在密封油箱内的变压器、补偿电抗和阻尼装置组成,油箱顶部的空间冲氮。
一次绕组分为主绕组和微调绕组,一次侧和一次绕组间串联一个低损耗电抗器。
由于电容式电压互感器的非线性阻抗和固有的电容有时会在电容式电压互感器内引起铁磁谐振,因而用阻尼装置抑制谐振。
阻尼装置由电阻和饱和电抗器串联组成,跨接在二次绕组上。
正常情况下阻尼装置有很高的阻抗,当铁磁谐振引起过电压,在中压变压器受到影响前,电抗器已饱和了,只剩电阻负载,使振荡能量很快被降低。
与电磁式电压互感器相比,它具有以下特点:
（l）电容式电压互感器除具有互感器的作用外,分压电容还可兼作高频载波通信的耦合 电容。
（2）电容式电压互感器的击穿绝缘强度比电磁式高。
（3）误差特性和暂态特性比电磁式互感器差,输出容量较小。
2.原理
电容式电压互感器原理接线如图5-8所示,包括了两个大部分组成即电容分压器和磁装置。
（1）电容分压器包括高压电容C1（或称主电容器）与串联电容器C2（分压电容器）,有三个接线端,被测的高电压U1接在第一接线端（一次）与接地端之间,中压接线端与接地端之间为中间电压U2,而电磁式电压互感器感器YH的一次侧接电压U2。
（2）电磁装置实际上是一台将中压电压降低到所需要的二次电压值的互感器和电抗器L所组成。
电抗器的作用是:
由于分压电容上的电压会随负荷变化而变化,如果在分压回路串人一个电感以补偿电容的内阻抗,可以使电压稳定。
又因为在二次回路中电压较低,电流较大,阻抗电压将影响其标准度,所以电容分压器的输出端不能直接与测量仪表相接,而要经过电磁式电压互感器降压后再接仪表。
（3）保护装置包括两个火花间隙Pl与P2用来限制补偿电抗器和电磁式电压互感器与分压器可能出现的高电压,阻尼电阻Rd,是用来防止持续的铁磁谐振。
（4）载波耦合装置（结合滤波器）是一种接通载波信号的线路元件。
它接到电容式分压器接地端与地之间。
其阻抗在工频电压下很小,完全可以忽略,但在载波频率下数值却很可观。
不接载波耦合装置时,接地开关J应合上。
二、故障的基本情况
1995年8月26日21时,500kVLT变电站运行人员在抄表时发现500kV#1母线（500kV采用3/2断路器接线方式）电压读数比#2号母线高17kV,该变电站500kV系统为正常运行方式（合环运行）,#1号和#2号母线上装设的是单相电压互感器,作为断路器合闸时同期电压和仪表测量用。
互感器的型号为TEHM-500SA,由加拿大引进,于1992年12月27日投产运行。
当值值班员对现场设备进行了检查,未发现异常。
三、故障分析
上述现象可从以下几个方面分析:
（1）表计误差（这种现象在实际运行当中可能会碰到）。
（2）互感器本体故障。
（3）二次回路存在问题。
1.对表计误差的检查
为了对表计进行检验,专业人员分别对500kV#1、#2母线和相临的500kV线路的BN线电压互感器二次端子箱内的端子上的二次电压进行了测量,所测各二次电压数据如表5-4所示。
表5-4二次电压测量结果（单位：
V）
设备名称
500kV#1母线
500kV#2母线
BN线
二次电压
61
59
58.9
由表5-4可知，二次测量结果相差2V，该型号互感器的变比为：
500/
/0.1/
，则二次电压折算到一次为：
2V×500/
/0.1/
≈10kV，因表计指示的是线电压，故应乘以
；
10kV×
=17.3kV应为当时表计所指示的值。
由以上分析可知,从电压互感器端子箱内二次端子上所测量的电压通过计算后与表计指示电压相同,从而排除了表计误差的可能。
2.对二次回路故障的分析
专业人员分析,电压互感器二次回路故障不大可能会使电压互感器二次电压升高,只会引起电压下降,因此,应排除二次回路故障的可能。
3.互感器本体故障
引起电压升高的可能是电压互感器有故障,如图5-9所示。
由电容C1及C2上组成分压,在C2上获得的分压比为K=C1/（C1+C2）,其中电容C1由C12、C11、C10组成,Cl2及C11为电压互感器的上两节电容,C10与C2组成第三节电容。
在C10与C2之间抽出一头供电磁式变压器,变换成所需的二次电压。
电压互感器故障的可能有：
（1）如果在C12、C11、C10。
电容中有部分电容击穿,则根据分压原理会导致二次电压升高。
（2）C2电容因渗油,使介质常数变小,引起电容值变小,导致容抗增大,也会引起二次电压升高。
（3）电磁式变压器一次侧匝间短路,使匝/伏数减小,也会引起二次电压升高,但这种升高与前两种电压升高的情况完全不同:
前两种是一次电压被升高而引起对应的二次电压升高,后一种则是在一次电压不变的情况下因电磁变压器变比改变而导致二次电压升高。
针对以上分析,对该互感器进行了停电检查和测试。
当测第3节电容时,其电容值已明 显增大,而根据分析当时电压升高的现象,认为是C10电容值增大所致。
同时,检修人员也发现第3节电容的顶部膨胀器处已有部分油向外渗出。
由于C10。
电容的内部部分串联电容被击穿,故导致C10。
电容值升高,容抗下降,改变了电容C1与C2的分压比,使电磁变压器的一次电压升高而导致二次电压升高。
同时,由于C10,内部部分串联电容的击穿,使第3节电容顶部的膨胀器因内压增大而使绝缘油外溢,如果不及时发现,继续发展下去,将会因串联电容局部击穿而使电压互感器能承受耐压的总体水平下降,从而又会导致其他电容发生击穿。
这样恶性循环的最终结果,将可能发生电容式电压互感器因承受不了工频电压的冲击而爆炸。
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