白蓮河抽水蓄能電站廠用10 kV設(shè)備遭雷擊事故分析

陳 秋，楊洪濤，劉 英

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600）

0 引 言

白蓮河抽水蓄能電站裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的單級(jí)混流可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，平均年發(fā)電量9.67億kW·h，年抽水耗用低谷電量12.89億kW·h，屬日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。電站以一回500 kV出線接入黃岡變，在華中電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用及黑起動(dòng)的任務(wù)。電站主體工程于2005年8月1日正式開(kāi)工，機(jī)電設(shè)備安裝于2006年10月正式開(kāi)始，首臺(tái)機(jī)組于2009年5月22日首次啟動(dòng)，11月21日完成30 d考核試運(yùn)行，最后一臺(tái)機(jī)于2010年12月27日完成30 d考核試運(yùn)行。

電站廠用電采用10 kV和0.4 kV兩級(jí)供電方式。廠用電電源由每臺(tái)發(fā)電電動(dòng)機(jī)端引接一回，并從白蓮河水電廠引接一回10 kV作為廠用電備用電源，1臺(tái)10 kV柴油發(fā)電機(jī)組作為電站的保安電源，同時(shí)增加1回引自地方10 kV農(nóng)網(wǎng)外來(lái)電源，接至地下廠房10 kVⅠ段母線。

1 廠用電1 0 kV運(yùn)行方式

2、3、4號(hào)主變帶電運(yùn)行，2號(hào)廠高變由4號(hào)主變低壓側(cè)廠高開(kāi)關(guān)204帶電運(yùn)行。10 kV I段母線由101開(kāi)關(guān)供電處于熱備用狀態(tài) （調(diào)試期間，101開(kāi)關(guān)由外來(lái)10 kV供電，因受其容量1 000 kV·A限制，當(dāng)時(shí)僅作為備用電源），10 kV II段由102開(kāi)關(guān)供電運(yùn)行；10 kV I、II段備自投退出。電站10 kV系統(tǒng)運(yùn)行方式見(jiàn)圖1。

圖1 10 kV廠用電運(yùn)行方式

3、4號(hào)機(jī)組停備，2號(hào)機(jī)組處于分部調(diào)試階段，1號(hào)機(jī)組處于安裝階段。

2 事故經(jīng)過(guò)

2010年7月19日18:53分開(kāi)始，白蓮河地區(qū)突下短時(shí)大到暴雨，并伴有強(qiáng)雷電發(fā)生，出現(xiàn)極端惡劣天氣，地面副廠房及設(shè)備倉(cāng)庫(kù)門窗有明顯可見(jiàn)的放電現(xiàn)象，室外部分照明燈具損壞。19:16:20，2號(hào)廠高變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，廠用Ⅱ段10 kV進(jìn)線102開(kāi)關(guān)跳閘，同時(shí)聽(tīng)見(jiàn)10 kV開(kāi)關(guān)室有爆炸聲，全廠工作照明消失，事故照明投入工作。運(yùn)行值班人員立即到10 kV開(kāi)關(guān)室進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)10 kV開(kāi)關(guān)室有濃煙冒出伴有火光，19:18:06，4號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，蓮5003開(kāi)關(guān)跳閘。

3 事故原因分析

3.1 雷電侵入分析

事故發(fā)生后，在湖北雷電定位系統(tǒng)上及時(shí)查詢事故發(fā)生時(shí)前后1 min、距電站2 km范圍內(nèi)雷電分布圖 （見(jiàn)圖2），從圖中可知，當(dāng)時(shí)最大的落雷為3號(hào)雷，雷電電流為77.8 kA，時(shí)間為19:16:16，距電站500 kV出線1號(hào)塔1 813 m，距中控樓約1 700 m。10kV絕緣架空線 （從開(kāi)關(guān)站至上庫(kù)配電房）平均高度約為7 m，400 V照明線高度5 m。經(jīng)簡(jiǎn)化計(jì)算：由500 kV導(dǎo)線感應(yīng)的最大侵入204開(kāi)關(guān)的雷電沖擊電壓幅值約為34 kV；由10 kV架空導(dǎo)線感應(yīng)的最大侵入204開(kāi)關(guān)的雷電沖擊電壓幅值約為27 kV；由400 V照明線路最大入侵204開(kāi)關(guān)的雷電沖擊電壓幅值約5.4 kV。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，500 kV戶外避雷器及地下GIS避雷器均無(wú)動(dòng)作記錄；對(duì)10 kV母線避雷器及上庫(kù)架空線路避雷器 （型號(hào)為HY5WS2-17/50）進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，3組避雷器均正常無(wú)損壞。

從上述計(jì)算看出，雷電侵入電壓均低于低壓電氣設(shè)備的雷電沖擊水平，因此保護(hù)范圍內(nèi)的避雷器均未動(dòng)作，也未受損壞，這與現(xiàn)場(chǎng)查看及試驗(yàn)結(jié)果吻合。

3.2 10 kV開(kāi)關(guān)起火原因分析

電站10 kV廠用開(kāi)關(guān)拒型號(hào)為8BK88-12金屬封閉鎧裝中置柜，柜內(nèi)配3AH5404型真空斷路器。開(kāi)關(guān)出廠配置的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備選用的是自動(dòng)脫離式、大容量、免維護(hù)三相組合式過(guò)電壓保護(hù)BOD裝置，該產(chǎn)品主要功能是為保護(hù)高壓負(fù)載 （電動(dòng)機(jī)），電站選用的BOD型號(hào)為BOD-Z-10/29.8。經(jīng)查廠家該型號(hào)BOD技術(shù)參數(shù)，工頻放電電壓和雷電沖擊電流下殘壓分別為21.1 kV和29.9 kV。

在電站范圍內(nèi)遭受強(qiáng)雷侵襲時(shí)，無(wú)論是通過(guò)500 kV導(dǎo)線還是10 kV架空導(dǎo)線感應(yīng)的最大雷電沖擊侵入電壓幅值均達(dá)到或接近BOD動(dòng)作電壓值，10 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的BOD會(huì)動(dòng)作。但如果BOD動(dòng)作后，其脫離裝置不能自動(dòng)脫離或被擊穿，則會(huì)造成兩相或三相短路，導(dǎo)致BOD爆炸。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)10 kV II段開(kāi)關(guān)柜內(nèi)BOD勘查，發(fā)現(xiàn)僅102開(kāi)關(guān)柜內(nèi)BOD完全爆裂，因此判斷10 kV開(kāi)關(guān)柜著火原因是因102開(kāi)關(guān)柜內(nèi)BOD爆炸引起。

圖2 電站7月19日19：16：20前后1 min雷電分布

3.3 廠高變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因

電站廠高變?yōu)楦墒阶儔浩?，額定容量為6 300 kV·A， 額定電壓為 15.75±2×2.5%/10.5 kV。 廠高變配有差動(dòng)保護(hù)和繞組溫度保護(hù)。廠高開(kāi)關(guān)為SF6斷路器，從廠高開(kāi)關(guān)204 CT配置接線及10 kV開(kāi)關(guān)柜布置圖 （見(jiàn)圖3）可知，10 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)BOD裝在CT下端，廠高變差動(dòng)保護(hù)范圍為102開(kāi)關(guān)進(jìn)線CT至204開(kāi)關(guān)進(jìn)線CT，保護(hù)范圍包括204開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)內(nèi)避雷器、出線電纜、廠高變、102開(kāi)關(guān)進(jìn)線電纜及BOD。當(dāng)102開(kāi)關(guān)柜內(nèi)BOD爆炸時(shí)，造成102開(kāi)關(guān)柜內(nèi)短路 （過(guò)電壓保護(hù)裝置相間短路）引起廠高變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

圖3 2號(hào)廠高變差動(dòng)保護(hù)配置

3.4 204開(kāi)關(guān)拒跳原因分析

事故發(fā)生時(shí)，廠高變保護(hù)裝置及時(shí)動(dòng)作，10 kV102開(kāi)關(guān)及時(shí)跳閘，10 kVⅡ段電源消失，但204開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，204開(kāi)關(guān)接線原理簡(jiǎn)圖如圖4，該開(kāi)關(guān)配一個(gè)跳閘線圈，且有跳閘監(jiān)視回路至全廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。從監(jiān)控事件邏輯以及廠高變保護(hù)裝置內(nèi)部記錄顯示，從19:16:20.728至故障切除，廠高變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作次數(shù)多達(dá)到41次，溫度過(guò)高保護(hù)動(dòng)作次數(shù)也多達(dá)20次，至到保護(hù)裝置電源消失，204開(kāi)關(guān)均未跳閘。后查204開(kāi)關(guān)跳閘回路外部接線正確，但查開(kāi)關(guān)內(nèi)部回路時(shí)發(fā)現(xiàn)204開(kāi)關(guān)跳閘線圈燒損，導(dǎo)致204開(kāi)關(guān)拒跳。同時(shí)對(duì)跳閘回路監(jiān)視進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)出口至監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警回路不通，因開(kāi)關(guān)合閘輔助接點(diǎn)CZ6-CZ46內(nèi)部線接錯(cuò)，誤接成CZ6-CZ16，因此跳閘線圈斷線功能一直未能正常投運(yùn)，導(dǎo)致運(yùn)行人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)跳閘回路已斷線。

3.5 2號(hào)廠高變受損原因分析

因204開(kāi)關(guān)拒跳，故障點(diǎn)未能及時(shí)切除，從主變高壓側(cè)電流及電壓錄波可以看出，在19:16:20至19:18:06之間，主變壓器高壓側(cè)三相電流一直保持在70 A左右，由此計(jì)算出廠高變高壓側(cè)電流約為2 333 A，持續(xù)時(shí)間約為106 s，后因過(guò)熱致使廠高變受損。

3.6 4號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作原因

從圖3可知，廠高開(kāi)關(guān)204出線CT分別接入主變差動(dòng)保護(hù)A、B套，保護(hù)范圍包括了主變高壓側(cè)至204開(kāi)關(guān)下端。因204開(kāi)關(guān)拒跳，故障點(diǎn)未能及時(shí)切除，在19:18:06左右，主變壓器高壓側(cè)三相電流突然增大，500 kV母線電壓降低，事后查看原因是因204開(kāi)關(guān)進(jìn)線電纜C相接頭被燒損接地，同時(shí)廠高變受損，廠高變高壓側(cè)短路，主變差動(dòng)保護(hù)A、B套同時(shí)動(dòng)作，主變高壓側(cè)斷路器5003開(kāi)關(guān)跳閘 （跳閘時(shí)故障錄波圖如圖5），短路電源被切除，故障點(diǎn)被切除。

4 問(wèn)題分析

從上面事故原因分析可知，在電站設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及安裝、調(diào)試、試運(yùn)行過(guò)程中主要存在以下幾個(gè)方面問(wèn)題。

（1）設(shè)計(jì)對(duì)雷電波通過(guò)戶外設(shè)備及線路侵入地下廠房設(shè)備系統(tǒng)重視不夠。電站為雷電多發(fā)山區(qū)，未考慮針對(duì)性的重點(diǎn)防范保護(hù)措施。

（2）10 kV開(kāi)關(guān)柜配置的過(guò)電壓保護(hù)裝置BOD不太適合有較高防雷要求的多雷區(qū)電站廠用電系統(tǒng)。

本文通過(guò)引入二極管—電感并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[15-16],構(gòu)建了一個(gè)新型的改進(jìn)型文氏橋混沌振蕩器,簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度[12]。

（3）廠高204開(kāi)關(guān)可靠性較低。作為電站重要負(fù)荷開(kāi)關(guān)未設(shè)置雙跳閘線圈 （盡管合同中明確要雙線圈），跳/合閘線圈在調(diào)試過(guò)程中曾出現(xiàn)過(guò)線圈受損，說(shuō)明該線圈存在一定的質(zhì)量缺陷。且該開(kāi)關(guān)在出廠時(shí)開(kāi)關(guān)合閘位置輔助接點(diǎn)接錯(cuò)，暴露出開(kāi)關(guān)在出廠試驗(yàn)及出廠驗(yàn)收時(shí)不嚴(yán)格。

圖4 204開(kāi)關(guān)接線原理示意

圖5 主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)機(jī)組故障錄波

（4）在設(shè)備安裝調(diào)試階段，對(duì)一些重要輔助回路和功能檢查不嚴(yán)，模擬試驗(yàn)不到位，導(dǎo)致設(shè)備存在出廠缺陷時(shí)未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除。

（5）廠用10 kV開(kāi)關(guān)室的設(shè)備布置不盡合理，電纜橋架布置在10 kV開(kāi)關(guān)柜上部，在開(kāi)關(guān)柜與橋架之間未采取防火隔離措施，一旦10 kV開(kāi)關(guān)爆炸，會(huì)引起電纜著火。

（6）在機(jī)組調(diào)試階段，對(duì)電站廠用電系統(tǒng)運(yùn)行安全問(wèn)題未引起足夠重視，10 kV系統(tǒng)運(yùn)行方式不夠合理，未能根據(jù)機(jī)組投運(yùn)及時(shí)對(duì)廠用電運(yùn)行方式作出調(diào)整，對(duì)全廠失電風(fēng)險(xiǎn)分析不夠，預(yù)控措施不嚴(yán)。

（7）電站運(yùn)行維護(hù)人員對(duì)代管的設(shè)備，特別是10 kV開(kāi)關(guān)柜配置的BOD未引起足夠的重視，對(duì)該設(shè)備的作用、性能、原理缺乏深入的了解，運(yùn)行維護(hù)中維護(hù)檢查不到位。

（8）基建與生產(chǎn)過(guò)渡期的生產(chǎn)技術(shù)管理未能及時(shí)跟上?；A段在部分設(shè)備投運(yùn)后，未按生產(chǎn)管理要求及時(shí)進(jìn)行相關(guān)設(shè)備預(yù)試；相關(guān)生產(chǎn)人員對(duì)新投產(chǎn)設(shè)備未能全面了解，未能及時(shí)建立10 kV、400 V避雷器及過(guò)壓保護(hù)裝置臺(tái)帳。

5 改進(jìn)及防范措施

（2）將10 kV真空開(kāi)關(guān)過(guò)電壓保護(hù)裝置BOD改為氧化鋅避雷器，徹底消除BOD危險(xiǎn)源。

（3）加強(qiáng)對(duì)204開(kāi)關(guān)跳合閘線圈檢查預(yù)試力度，將單跳閘線圈改為雙跳閘線圈。同時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)的輔助接點(diǎn)及跳閘回路進(jìn)行全面檢查整改，加強(qiáng)對(duì)跳閘回路的檢查維護(hù)力度。

（4）全面檢查梳理完善電站電纜及盤柜的防火封堵。完善廠用10 kV開(kāi)關(guān)室的防火隔離措施，在開(kāi)關(guān)柜與上部的電纜橋架之間加裝防火隔板。

（5）加強(qiáng)生產(chǎn)人員的技術(shù)培訓(xùn)工作，特別是有針對(duì)性的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備培訓(xùn)，提高生產(chǎn)人員的業(yè)務(wù)技能水平和現(xiàn)場(chǎng)處置能力。

（6）加強(qiáng)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)和巡視；加強(qiáng)設(shè)備安裝、機(jī)組調(diào)試質(zhì)量控制，嚴(yán)把工程驗(yàn)收和交接驗(yàn)收關(guān)；加強(qiáng)技術(shù)資料管理，健全設(shè)備技術(shù)檔案。

6 結(jié) 語(yǔ)

由于抽水蓄能電站地下廠房的特殊性，電站廠用電系統(tǒng)的安全直接關(guān)系到廠房設(shè)備的安全，因此對(duì)電站廠用電系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、設(shè)備選型到出廠驗(yàn)收、安裝調(diào)試各個(gè)階段均應(yīng)引起足夠的重視，特別是對(duì)多雷區(qū)電站，應(yīng)充分考慮電站廠用電系統(tǒng)防雷的特殊要求，任何細(xì)微的錯(cuò)誤或不足，均可能對(duì)電站安全帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，在抽水蓄能電站工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，無(wú)論是在基建階段，還是在基建轉(zhuǎn)生產(chǎn)階段，甚至是在電站完全投運(yùn)后，電站廠用電系統(tǒng)運(yùn)行方式應(yīng)根據(jù)機(jī)組的投運(yùn) （或檢修）做出及時(shí)調(diào)整，電站廠用電系統(tǒng)的安全是確保電站工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全的最基本保障。