110 kV變電站直流電源系統(tǒng)事故分析

敖非，李輝

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

110 kV變電站直流電源系統(tǒng)事故分析

敖非，李輝

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

某110 kV變電站蓄電池存在隱患情況下，監(jiān)控裝置突發(fā)故障失控，最終導(dǎo)致蓄電池起火，燒毀整個(gè)保護(hù)室。分析調(diào)查該事故指出，變電站直流電源系統(tǒng)存在潛在的安全隱患、并作出相應(yīng)的改進(jìn)與預(yù)防措施，進(jìn)而避免安全事故的發(fā)生、提高系統(tǒng)工作的可靠性。

蓄電池；直流系統(tǒng)；事故；改進(jìn)

直流電源的故障會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置無(wú)法動(dòng)作，進(jìn)而在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)引起保護(hù)裝置越級(jí)跳閘，擴(kuò)大事故范圍。變電站的保護(hù)、自動(dòng)裝置及其控制回路、信號(hào)回路都需要直流電源穩(wěn)定可靠的工作，因此，直流電源在變電站中有著舉足輕重的地位，確保直流電源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是變電站安全運(yùn)行面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

文中介紹了1例110 kV變電站直流電源系統(tǒng)事故及調(diào)查分析過(guò)程，并提出相關(guān)建議，供今后處理類似問(wèn)題參考。

1 事故概況

1.1 運(yùn)行方式

該110 kV變電站簡(jiǎn)化電氣主接線如圖1所示。110 kV A線帶3號(hào)變，B線帶2號(hào)變，母聯(lián)500斷路器熱備用；2號(hào)變帶10 kVⅡ母，3號(hào)變帶10 kVⅢ母，母聯(lián)300斷路器熱備用。10 kV出線共22條，其中19條運(yùn)行，3條冷備用。故障前A線2號(hào)變負(fù)荷6.7 MW；3號(hào)變負(fù)荷6.9 MW。

圖1 站內(nèi)一次接線示意圖

站內(nèi)配置1套充電裝置和1組固定型閥控式鉛酸蓄電池，電池組容量為200 Ah，浮充時(shí)的蓄電池單只電壓為2.25 V左右，共配有103只，組屏安裝，于2010年11月投運(yùn)。

1.2 事故經(jīng)過(guò)

2014年5月2日15時(shí)47分起，某供電公司調(diào)控中心頻繁收到事故變公用測(cè)控蓄電池 “總保險(xiǎn)熔斷”、 “直流屏通信告警”、 “直流屏母線告警”等告警信號(hào)，通知檢修人員前往處理。檢修人員于18時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)事故變對(duì)直流系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，檢查結(jié)果及結(jié)論如下:

1)檢查直流系統(tǒng)電壓。直流正、負(fù)極之間電壓為233 V，正對(duì)地＋119 V，負(fù)對(duì)地－112 V，直流正負(fù)保險(xiǎn)上下端頭之間無(wú)壓差，保險(xiǎn)外觀完好，直流保險(xiǎn)頂針未觸發(fā)，19時(shí)蓄電池總保險(xiǎn)熔斷信號(hào)自動(dòng)復(fù)歸，直到20時(shí)離開(kāi)時(shí)，也無(wú)其他異常信號(hào)發(fā)出。

2)檢查監(jiān)控裝置歷史記錄。從5月2日下午15時(shí)17分開(kāi)始，該裝置頻繁發(fā)出模塊故障、過(guò)壓、欠壓、交流故障、通訊異常、熔斷器熔斷等信號(hào)20多條，均持續(xù)短至數(shù)秒，長(zhǎng)至數(shù)分后自動(dòng)復(fù)歸。

3)檢查直流系統(tǒng)運(yùn)行情況。整站負(fù)荷為6.3 A，其中蓄電池充電電流為0.2 A，浮充狀態(tài)，4個(gè)充電模塊輸出電流均在1.6～1.9 A之間。

直流系統(tǒng)正、負(fù)壓差正常，各模塊輸出正常，負(fù)荷電流正常，無(wú)異?，F(xiàn)象，并確認(rèn)公用測(cè)控屏已收到監(jiān)控模塊所發(fā)異常信號(hào)，故檢修人員判斷為直流監(jiān)控裝置誤發(fā)信號(hào)，通知廠家前來(lái)處理，同時(shí)屏蔽了后臺(tái)相關(guān)直流電源系統(tǒng)告警信號(hào)，告警信息傳輸路徑示意圖如圖2所示。

圖2 告警信息傳輸路徑示意圖

2014年5月3日6時(shí)14分，該供電公司監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)事故變電站遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)全部中斷；6時(shí)45分事故變電站內(nèi)值守人員發(fā)現(xiàn)保護(hù)室內(nèi)起火；6時(shí)48分調(diào)控中心拉開(kāi)對(duì)側(cè)變電站A線526，B線528斷路器；7時(shí)30分拉開(kāi)事故變3號(hào)變330，2號(hào)變320斷路器；7時(shí)50分至10時(shí)47分進(jìn)行10 kV負(fù)荷轉(zhuǎn)供操作，所有負(fù)荷全部恢復(fù)。

1.3 事故調(diào)查

事故發(fā)生后，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)保護(hù)室內(nèi)蓄電池屏燒毀最為嚴(yán)重，懷疑為蓄電池起火導(dǎo)致保護(hù)室火災(zāi)。恢復(fù)站內(nèi)監(jiān)控視頻，從視頻中確認(rèn)5月3日6時(shí)8分40秒左右蓄電池組Ⅲ屏最上一層在事故時(shí)刻先有2次電弧閃爍 (每個(gè)蓄電池屏共分3層，蓄電池組Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ同層之間直接連通，無(wú)隔斷，如圖3所示)，隨即起火，火勢(shì)逐漸蔓延至蓄電池組Ⅱ屏、蓄電池組Ⅰ屏、充電屏及其他屏柜，最終導(dǎo)致保護(hù)室內(nèi)二次設(shè)備基本損毀。

圖3 蓄電池組及充電屏排列位置示意圖

2 事故原因分析

2.1 監(jiān)控裝置頻發(fā)告警分析

火災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)對(duì)蓄電池組總?cè)蹟嗥鬟M(jìn)行了檢查(安裝在充電屏最底層，未燒毀)，直流保險(xiǎn)頂針確未觸發(fā)，說(shuō)明熔斷器熔斷信號(hào)并未發(fā)給直流電源系統(tǒng)監(jiān)控裝置，公用測(cè)控和后臺(tái)收到的熔斷器熔斷信號(hào)，應(yīng)是直流監(jiān)控裝置誤發(fā)信號(hào)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查勘情況，基本可判定事故前運(yùn)行中監(jiān)控裝置內(nèi)部模塊已損壞，導(dǎo)致裝置頻繁誤發(fā)告警信息。同時(shí)由于監(jiān)控裝置告警與控制功能共用同一塊CPU，CPU模塊損壞后將導(dǎo)致監(jiān)控裝置限流、恒壓等控制功能喪失，極有可能使蓄電池過(guò)充電，發(fā)生熱失控。

2.2 熱失控產(chǎn)生的原因

閥控密封鉛酸蓄電池在充電將完成的時(shí)候，正極會(huì)析出氧氣并逐漸擴(kuò)散到負(fù)極，進(jìn)而生成水，此過(guò)程構(gòu)成了閉合氧循環(huán)并散發(fā)熱量。此充電過(guò)程中輸入的電能大部分作為化學(xué)能得到存儲(chǔ)，小部分則直接或間接地轉(zhuǎn)化為熱能，使電池溫度升高。充電過(guò)程中電池溫度隨時(shí)間的變化而升高，當(dāng)電池散熱不良時(shí)，電池溫度上升過(guò)快導(dǎo)致發(fā)熱積累，進(jìn)而惡性循環(huán)，電池溫度將急劇上升，此即所謂熱失控現(xiàn)象。

事故站內(nèi)閥控密封鉛酸蓄電池為組屏安裝，蓄電池間隙緊密，熱容小，未考慮電池?zé)崾Э貢r(shí)的散熱。如果站內(nèi)監(jiān)控裝置失控，出現(xiàn)充電電壓過(guò)高，充電電流過(guò)大，造成氧的大量析出，加速了負(fù)極去極化作用，必然產(chǎn)生過(guò)多的熱量，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高，內(nèi)阻下降；內(nèi)阻下降又加大了充電電流，相互作用，溫升進(jìn)一步加劇，最終不可控制，極有可能導(dǎo)致電池因過(guò)熱而槽體變形、膨脹、開(kāi)裂〔1〕。

2.3 蓄電池起火原因分析

正常情況下，鉛酸蓄電池的全部材料和物質(zhì)成分都不是易燃物，不會(huì)發(fā)生自燃、引燃。但由于蓄電池組在運(yùn)行中存在電流，因電流的持續(xù)能量供給，如果形成了回路或接觸電阻很大就有可能發(fā)生過(guò)熱，最終釀成火災(zāi)。可能的原因主要有2種:

1)電池端連線松動(dòng)。電池端子、連線、連條均為良好的導(dǎo)熱體。如果連接螺栓松動(dòng)，在松動(dòng)處接觸電阻很大，接觸點(diǎn)發(fā)熱，并持續(xù)向兩側(cè)擴(kuò)散。高溫軟化端子封膠、電池蓋及電池殼體，烤焦連線絕緣層，發(fā)展到嚴(yán)重程度時(shí)就會(huì)冒煙著火。

2)電池?fù)p傷或電解液漏出形成電流回路。電池內(nèi)部的電解液是優(yōu)良的電導(dǎo)體，若外力、撞擊、碰傷、膨脹、裂紋等使某個(gè)電池破裂，電解液滲出、漏出，同時(shí)2只或多只蓄電池的漏液腐蝕柜底漆層形成導(dǎo)電回路，這時(shí)由于蓄電池內(nèi)阻很小，會(huì)產(chǎn)生很大短路電流，在漏點(diǎn)處會(huì)形成火星、火花。漏點(diǎn)逐漸擴(kuò)大，電流更大，火花更多，從而引起火災(zāi)〔2〕。

結(jié)合事故變復(fù)原視頻，可推斷在事故時(shí)刻2次電弧閃爍應(yīng)是蓄電池漏液短路產(chǎn)生。

2.4 事故原因

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)事故調(diào)查，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合分析，可推斷此次事故應(yīng)是由于監(jiān)控裝置突發(fā)故障失控，使得蓄電池長(zhǎng)時(shí)間過(guò)充電，蓄電池組熱失控漏液引起短路起火，火勢(shì)蔓延最終導(dǎo)致保護(hù)室內(nèi)二次設(shè)備燒毀。監(jiān)控裝置突發(fā)故障失控，是最終引發(fā)火災(zāi)的間接原因，蓄電池漏液引起短路，是最終引發(fā)火災(zāi)的直接原因。

3 改進(jìn)措施及建議

目前110 kV變電站典型設(shè)計(jì)普遍采用單電單充直流電源系統(tǒng)供電模式。直流電源系統(tǒng)故障極有可能導(dǎo)致整個(gè)變電站失去直流電源，使得全站保護(hù)失去作用，擴(kuò)大事故停電范圍。為解決這一問(wèn)題，可以采取以下3方面措施來(lái)提高其可靠性。

3.1 加強(qiáng)變電站直流電源系統(tǒng)運(yùn)檢管理

1)電池組安裝前應(yīng)用橡膠板墊底，避震且防短路，安裝過(guò)程中要輕拿輕放防止碰傷電池，安裝完畢后要用1 000 V搖表檢查整組蓄電池正、負(fù)極分別對(duì)地絕緣，絕緣電阻均不應(yīng)小于0.2 MΩ，使用前3天重點(diǎn)觀察是否存在漏液現(xiàn)象。

2)工作人員應(yīng)嚴(yán)格巡視并檢查蓄電池的狀態(tài)，對(duì)存在隱患的電池及時(shí)更換。

3)定期開(kāi)展對(duì)蓄電池的校驗(yàn)。新安裝的閥控蓄電池在驗(yàn)收時(shí)應(yīng)進(jìn)行核對(duì)性充放電試驗(yàn)，以后每2年應(yīng)進(jìn)行1次核對(duì)性充放電，運(yùn)行了4年以后的閥控蓄電池，每年進(jìn)行1次核對(duì)性充放電試驗(yàn)，僅配置1組蓄電池時(shí)宜用備用蓄電池組臨時(shí)代替，進(jìn)行全核對(duì)性放電試驗(yàn)；對(duì)蓄電池組所有單體內(nèi)阻的測(cè)量，投運(yùn)后必須每年至少1次；對(duì)蓄電池所有的單體浮充端電壓，應(yīng)每個(gè)月至少記錄1次；每3年開(kāi)展1次對(duì)直流屏的設(shè)備試驗(yàn)。設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)若不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換和維修〔3〕。

3.2 蓄電池獨(dú)立成室

目前大量110 kV及以下變電站蓄電池均采取集中組屏和與二次設(shè)備共室布置的方式，此方式存在以下風(fēng)險(xiǎn):

1)蓄電池與保護(hù)測(cè)控裝置共室和組屏安裝方式存在一定的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)蓄電池發(fā)生故障時(shí)易造成主控室 “火燒連營(yíng)”，如此次事故，損毀共室二次設(shè)備，危害電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2)蓄電池采用組屏安裝方式時(shí)，蓄電池組散熱效果不佳，屏柜內(nèi)溫度普遍超過(guò)35℃，不利于蓄電池長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3)組屏安裝方式下屏柜內(nèi)空間狹小，不便于開(kāi)展蓄電池端電壓測(cè)試、內(nèi)阻測(cè)試等常規(guī)試驗(yàn)，造成了部分蓄電池試驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展不全，而這些試驗(yàn)是對(duì)蓄電池組的容量是否正常、是否存在開(kāi)路、短路等現(xiàn)象的重要判斷依據(jù)。同時(shí)組屏安裝方式下屏柜內(nèi)不能直觀觀測(cè)到每只蓄電池是否存在漏液，外觀有無(wú)異常變形；不便于檢測(cè)接線螺栓有無(wú)發(fā)熱現(xiàn)象，螺栓是否松動(dòng)或腐蝕污染，造成部分缺陷和隱患不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

故有條件的已投運(yùn)變電站應(yīng)逐步將蓄電池組移出保護(hù)室，存放于獨(dú)立的蓄電池室內(nèi)。對(duì)110 kV及以下新改擴(kuò)建變電站應(yīng)考慮設(shè)計(jì)單獨(dú)的蓄電池室或采取與其他設(shè)備防火防爆有效隔離方式。

3.3 規(guī)范直流電源系統(tǒng)告警信息處理流程

1)監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)異常、故障或事故等告警信號(hào)后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析判斷，并通知現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員。條件具備時(shí)監(jiān)控中心應(yīng)通過(guò)工業(yè)視頻系統(tǒng)開(kāi)展直流電源系統(tǒng)遠(yuǎn)程核查。

2)在未對(duì)信息進(jìn)行分析判斷前，監(jiān)控中心和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員嚴(yán)禁采取任何措施屏蔽信號(hào)。若確認(rèn)所發(fā)信息為誤發(fā)信息，需采取臨時(shí)屏蔽措施時(shí)必須經(jīng)相關(guān)分管領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)〔4〕。

3)缺陷未消除前，運(yùn)維人員應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視設(shè)備缺陷的發(fā)展趨勢(shì)，并通知調(diào)控中心對(duì)危急、嚴(yán)重缺陷設(shè)備加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視。

4)對(duì)于蓄電池出口熔斷器熔斷等一些重要的硬接點(diǎn)信號(hào)可直接接至公用測(cè)控屏，減少中間環(huán)節(jié)，降低誤告警的概率〔5〕。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)110 kV變電站直流電源系統(tǒng)火災(zāi)事故的調(diào)查與分析，從運(yùn)檢管理、安裝設(shè)計(jì)、告警處理3方面提出改進(jìn)措施以避免此類安全事故的發(fā)生。運(yùn)行實(shí)踐證明這3方面改進(jìn)措施能有效降低變電站內(nèi)直流電源系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，保證繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置的可靠運(yùn)行。

〔1〕中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).DL/T 5044—2004電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程 〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

〔2〕國(guó)網(wǎng)公司直流電源系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范 〔S〕.國(guó)家電網(wǎng)生計(jì) 〔2005〕172號(hào).

〔3〕黃森炯，王曉，王晴.一起因蓄電池故障造成繼電保護(hù)越級(jí)跳閘事故的分析 〔J〕.電氣自動(dòng)化，2012，34(6):39-41.

〔4〕趙軍，石光，黃小川，等.一起變電站直流母線失電原因分析及解決方案 〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(23): 122-124.

〔5〕徐凱.對(duì)110 kV變電站直流系統(tǒng)改造方案的探討 〔J〕.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(7):116-118，123.

Analysis of DC system faults for a 110 kV substation

AO Fei，LI Hui

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In the case of batteries failures in a certain 110 kV substation，the monitoring device was out of control，eventually led to the battery fire，and burned the whole substation relay room.By incident analysis，the paper points out the existent hidden danger and proposes the corresponding improvement measure to avoid the similar incident and improve power supply reliability.

batteries；DC system；fault；improvement

TM732

B

1008-0198(2015)05-0051-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.015

敖非(1983)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化技術(shù)，直流電源系統(tǒng)技術(shù)。

2014-12-10 改回日期:2015-05-13

李輝(1983)，男，博士，工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊?、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化技術(shù)。