東堂變35 kV母線短路故障原因分析

唐軍，段明才，周宇，何昌雄

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司郴州供電公司，湖南郴州423000；2.華南理工大學(xué)，廣東廣州510640)

東堂變35 kV母線短路故障原因分析

Fault causes analysis of 35 kV busbar short-circuit for Dongtang substation

唐軍1，段明才1，周宇2，何昌雄1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司郴州供電公司，湖南郴州423000；2.華南理工大學(xué)，廣東廣州510640)

通過分析一例35 kV母線短路故障發(fā)案例及其設(shè)備損壞情況，梳理了故障產(chǎn)生原因。中、低壓電網(wǎng)面臨著短路電流水平不斷增大、35 kV線路未配置快速保護(hù)、間歇性弧光接地過電壓、腐蝕性物質(zhì)污染嚴(yán)重的地區(qū)絕緣配置不當(dāng)?shù)葐栴}，增大了母線發(fā)生短路的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生短路故障后對電網(wǎng)及設(shè)備的危害趨于嚴(yán)重，提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施。

35 kV母線；復(fù)合套管；污閃；母差保護(hù)；弧光接地過電壓；中性點(diǎn)不接地；擊穿；兩相接地短路

35 kV配電線路具有投資成本低、輸送容量大的特點(diǎn)，適用于用戶較為分散的廣大農(nóng)村地區(qū)的電力輸送任務(wù)〔1-5〕。隨著國內(nèi)電網(wǎng)裝機(jī)容量在不斷增大、跨區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)程度在不斷加強(qiáng)，35 kV系統(tǒng)的短路電流值也在不斷提高，發(fā)生短路故障時(shí)，對電網(wǎng)和設(shè)備產(chǎn)生了更大的危害〔6〕。

為提高供電可靠性，國內(nèi)35 kV系統(tǒng)中性點(diǎn)一般采用經(jīng)消弧線圈的非有效接地方式，單相接地故障時(shí)，非故障相電壓升高為線電壓，特別是發(fā)生間歇性弧光接地情況下，非故障相電壓最高可達(dá)3.5倍相電壓，很容易造成系統(tǒng)中的絕緣薄弱點(diǎn)發(fā)生擊穿，引起相間短路事故〔7-10〕。此外，對降壓變電站的35 kV母線側(cè)一般不配置母差保護(hù)，采用主變后備保護(hù)延時(shí)Δt切除母線故障，在母線短路電流值不斷增大的前提下，延時(shí)越長，危害越大〔11〕。

某些變電站母線大量采用復(fù)合絕緣子、出線電纜頭等設(shè)備老化，絕緣性能降低，成為系統(tǒng)中的絕緣薄弱點(diǎn)，母線短路故障風(fēng)險(xiǎn)不斷增大〔12〕。一旦發(fā)生短路，強(qiáng)大的短路電流將在系統(tǒng)中持續(xù)時(shí)間長達(dá)Δt。文中以某110 kV變電站35 kV母線故障為例，分析故障過程、原因以及對電網(wǎng)和設(shè)備造成的危害，提出了相應(yīng)的限制短路措施。

1 東堂變簡介

圖1 東堂變35 kV系統(tǒng)一次接線圖

110 kV東堂變處于e級污區(qū)，附近約300 m有一家化工企業(yè)，主要產(chǎn)品有燒堿、氯化石蠟、鹽酸、液氯等，東堂變受粉塵、酸性氣體污染嚴(yán)重。事故當(dāng)天有小雨，空氣濕度超過80%。

圖1為東堂變35 kV系統(tǒng)一次接線圖，東堂變35 kV出線5回，其中東洞線、東九線、東街線、東許線為直饋線路，板東線為垃圾電廠并網(wǎng)線路。正常方式下，東堂變2臺主變并列運(yùn)行供35 kV負(fù)荷，1號主變中性點(diǎn)5×16隔離開關(guān)合，35 kV消弧線圈投1號主變。

2 事故經(jīng)過

10月1日9時(shí)38分，監(jiān)控中心匯報(bào)東堂變2號主變中后備保護(hù)動(dòng)作，跳開母聯(lián)400斷路器、2號主變420斷路器，跳閘前有接地現(xiàn)象；

9時(shí)40分，用戶華湘化工反應(yīng)東許線停電，東堂變內(nèi)有劇烈爆炸聲；

10時(shí)30分，運(yùn)維人員到達(dá)現(xiàn)場檢查設(shè)備，匯報(bào)東堂變設(shè)備情況:①4002-4003隔離開關(guān)之間導(dǎo)線靠母聯(lián)400斷路器側(cè) B相套管炸裂；②4002-4003隔離開關(guān)之間導(dǎo)線靠母聯(lián)400斷路器側(cè)C相懸式瓷瓶炸裂；③2號主變與2號主變420斷路器之間C相導(dǎo)線斷線懸空；④東街線408斷路器與4083隔離開關(guān)之間套管有放電痕跡，東街線408線路B相出線線夾脫落。

表1 東堂變35 kV母線故障保護(hù)及預(yù)告信號明細(xì)表

事故前板子樓電廠內(nèi)消弧消諧裝置監(jiān)測到板東線B相有弧光接地信號。事故后監(jiān)控中心匯報(bào)220 kV塘溪變高壓側(cè)610，620斷路器有沖擊電流、用戶華磊光電反應(yīng)站內(nèi)電流有沖擊，對正常生產(chǎn)造成了影響。35 kV街洞變匯報(bào)東街線402線路電壓互感器熔斷器接觸不良，有放電痕跡。

3 設(shè)備損壞情況

現(xiàn)場檢查結(jié)果，本次跳閘事故造成的故障點(diǎn)有3處:東街線408斷路器室外穿墻套管處，母聯(lián)4002隔離開關(guān)室外穿墻套管處，2號主變4023隔離開關(guān)靠主變側(cè)。

3.1 東街線408斷路器室外穿墻套管

408室外穿墻套管有明顯燒蝕痕跡，上方墻上約4 cm2面積被濃煙熏過，B，C相穿墻套管固定板有放電痕跡，有濃黑煙塵，其上方有明顯放電痕跡，放電點(diǎn)面積大，有數(shù)個(gè)圓珠結(jié)晶球，最嚴(yán)重點(diǎn)處墻已被擊約5 mm深的洞，洞面積約為1 cm2。B相室外穿墻套管法蘭處絕緣積污嚴(yán)重，并存在電弧灼燒放電痕跡。C相室外穿墻套管絕緣已被完全擊穿，擊穿點(diǎn)直徑約Φ3 cm，瓷裙上有濃黑煙塵，外絕緣有多處開裂，裂縫最長有2 cm左右。

3.2 母聯(lián)4002室外穿墻套管

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)母聯(lián)4002室外穿墻套管有明顯燒蝕痕跡，其上方墻面與下方接地扁鐵有濃黑煙塵，三相導(dǎo)線多處有明顯放電點(diǎn)。穿墻套管固定鐵板尖角處及上方墻面有明顯放電痕跡，放電點(diǎn)成淡黃色，有數(shù)個(gè)結(jié)晶球。B相室外穿墻套管從卡福處到固定板外絕緣均開裂，外絕緣破壞嚴(yán)重，卡福處法蘭已開裂，燒蝕嚴(yán)重，有白色碳灰，接線板處燒蝕嚴(yán)重。B相引下線燒蝕最為嚴(yán)重，其中一處已燒至直徑的2/3，斷裂可能性極大。4002，420穿墻套管等2處接地扁鐵均已銹斷，穿墻套管已無接地點(diǎn)。穿墻套管上方懸式絕緣子B相炸裂1片，C相炸裂2片。

3.3 2號主變4203隔離開關(guān)

2號主變4203隔離開關(guān)C相靠2號主變側(cè)卡福燒斷導(dǎo)致引線斷脫，線夾也有輕微燒傷。4203隔離開關(guān)A相2個(gè)線夾均燒蝕嚴(yán)重，靠主變側(cè)線夾緊固螺栓燒蝕嚴(yán)重，螺絲擰不開。其他線夾均有燒蝕，接線座導(dǎo)電桿燒蝕嚴(yán)重。

4 事故原因分析

110 kV東堂變處于e級污區(qū)，絕緣子、套管受污穢、腐蝕性物質(zhì)的污染和腐蝕，絕緣性能嚴(yán)重降低。按照發(fā)展過程，分析東堂變母線短路事故:

1)在濕潤的氣象條件下，東街線408斷路器室外B相穿墻套管發(fā)生污穢閃絡(luò):①東堂變35 kV母線 “接地”信號發(fā)信；②板子樓電廠消弧消諧柜 “B相弧光接地”信號發(fā)信。35 kV母線A，C相電壓升高為相電壓，同時(shí)，由于B相弧光接地，A，C相產(chǎn)生弧光接地過電壓，圖2所示為建立東堂變35 kV系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真模型得到的A，C相電壓波形。

圖2 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相弧光接地非故障相電壓仿真圖

2)東街線408斷路器C相室外穿墻套管受腐蝕性氣體影響，絕緣劣化，日積月累其絕緣性能大幅度下降，部分絕緣筒已碳化而開裂。在工頻和弧光接地過電壓的共同作用下發(fā)生絕緣擊穿，造成C相接地，與B相穿墻套管對地污閃形成相間接地短路故障，形成強(qiáng)大的短路電流。

3)東街線408斷路器B，C相穿墻套管相間接地短路故障電流通道有2條，1條是由2號主變經(jīng)420斷路器流入故障點(diǎn)，另1條是由1號主變、板東線經(jīng) 410斷路器、母聯(lián) 400斷路器、4003、4002隔離開關(guān)流入故障點(diǎn)。由1號主變經(jīng)410斷路器、母聯(lián)400斷路器、4003、4002隔離開關(guān)流入故障點(diǎn)的短路電流發(fā)熱，引起受污染和腐蝕的母聯(lián)4002隔離開關(guān)室外B相穿墻套管復(fù)合絕緣筒爆裂，B，C相引下線燒蝕嚴(yán)重，B，C相線夾燒蝕嚴(yán)重，產(chǎn)生放電痕跡，強(qiáng)大的短路電流引起機(jī)械振動(dòng)使母聯(lián)4002隔離開關(guān)室外母線連接線B相耐張絕緣子串炸裂1片，C相耐張絕緣子串炸裂2片。由2號主變經(jīng)420斷路器流入故障點(diǎn)的短路電流使2號主變4203隔離開關(guān)C相靠2號主變側(cè)卡福燒斷導(dǎo)致引線斷脫，線夾有放電痕跡。

4)由于故障點(diǎn)位于東街線408斷路器TA靠母線側(cè)，408斷路器TA無法檢測故障電流，保護(hù)不動(dòng)作。短路電流超過7 000 A，2號主變中壓側(cè)后備保護(hù)動(dòng)作，1.6 s后跳開母聯(lián)400斷路器，2.0 s后跳開2號主變420斷路器，切斷故障電流。

5 事故反思

本次跳閘事故造成了東堂變設(shè)備損壞多達(dá)9處，也對整個(gè)電網(wǎng)產(chǎn)生了重大影響，跳閘事故暴露出以下幾方面的問題:

1)東堂變35 kV母線短路電流增大

板子樓電廠1G裝機(jī)容量為12 MW，并入東堂變35 kV系統(tǒng)后，東街線408斷路器發(fā)生相間接地短路故障時(shí)，短路電流由3部分組成:一是東堂變110 kV系統(tǒng)經(jīng)1號主變410斷路器—35 kVⅠ母—母聯(lián)400斷路器—母聯(lián)4001隔離開關(guān)—母聯(lián)4002隔離開關(guān)流入故障點(diǎn)；二是東堂變110 kV系統(tǒng)經(jīng)2號主變420斷路器—35 kVⅡ母流入故障點(diǎn)；三是板子樓1G經(jīng)板東線—東堂變35 kVⅠ母—母聯(lián)400斷路器—母聯(lián)4001隔離開關(guān)—母聯(lián)4002隔離開關(guān)流入故障點(diǎn)。故障點(diǎn)東街線408斷路器B，C相套管處故障電流最大，設(shè)備損壞最嚴(yán)重，其次是母聯(lián)4002隔離開關(guān)B，C相套管處短路電流較大，設(shè)備損壞程度次之；短路電流最小的2號主變420斷路器靠主變側(cè)C相卡福燒斷，設(shè)備損壞程度最小。經(jīng)計(jì)算，東堂變35 kV母線最大短路電流超過7 000 A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了室外穿墻套管的額定電流值，造成了設(shè)備損壞。針對東堂變結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式情況，應(yīng)采取相應(yīng)措施，限制短路電流，例如:停運(yùn)東堂變1號主變，由2號主變單供35 kV負(fù)荷；在板子樓電廠35 kV出線端增加限流電抗器。對于東堂變內(nèi)某些不能滿足短路水平要求的設(shè)備，應(yīng)及時(shí)更換。

2)重腐蝕性物質(zhì)污染地區(qū)變電站不宜采用復(fù)合絕緣子

相對于玻璃絕緣子和瓷絕緣子，復(fù)合絕緣子在耐受污性能和憎水性能方面具備較大優(yōu)勢，已成為重污區(qū)絕緣子的首選。但其缺點(diǎn)為穩(wěn)定性差，易老化，特別是在酸性、堿性物質(zhì)和電磁環(huán)境下老化速度加快〔14-15〕。 東堂變東街線 408斷路器、 母聯(lián)4002隔離開關(guān)室外穿墻套管均采用復(fù)合材料絕緣套管，在東堂變所處地區(qū)腐蝕性物質(zhì)污染嚴(yán)重的情況下，已嚴(yán)重老化，耐污性能降低、絕緣性能降低，成為系統(tǒng)中的絕緣薄弱點(diǎn)。東街線408斷路器B相穿墻套管外絕緣已碳化開裂，手捏即成粉末狀。

因此對于腐蝕性物質(zhì)污染較重的地區(qū)，不宜采用復(fù)合材料的絕緣子，應(yīng)采用玻璃材質(zhì)或者瓷質(zhì)絕緣子。

3)35 kV母線故障無快速保護(hù)

國內(nèi)110 kV變電站的中、低壓側(cè)母線一般不配置母差保護(hù)，采用主變后備保護(hù)切除母線故障。一般情況下，中、低壓側(cè)母線遠(yuǎn)離電源點(diǎn)，短路電流小，同時(shí)發(fā)生母線故障的概率也較低，不配置母差保護(hù)能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)性的要求〔16〕。但隨著電力系統(tǒng)電壓等級的不斷升高和接入系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大，使系統(tǒng)短路電流水平不斷增大，電網(wǎng)中的部分設(shè)備將有可能不能滿足短路電流水平的要求，若發(fā)生母線短路故障，將對整個(gè)系統(tǒng)造成重大影響〔17〕。例如某公司曾發(fā)生因35 kV母線故障引起特高壓直流輸電線路閉鎖的事件。東堂變35 kV母線接入板子樓電廠后，短路電流水平明顯增大，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了絕緣套管的額定電流值。此次事故由2號主變中后備保護(hù)延時(shí)2 s完全切除短路故障，系統(tǒng)短路事故持續(xù)時(shí)間在2 s以上，不僅造成了東堂變站內(nèi)設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞，也造成了220 kV塘溪變1號、2號主變高壓側(cè)存在明顯的電流突然增大現(xiàn)象，用戶華磊光電反應(yīng)站內(nèi)電流有沖擊，對正常生產(chǎn)造成了影響，沖擊設(shè)備范圍廣、強(qiáng)度大，損壞嚴(yán)重。因此，對于短路電流水平大的母線，應(yīng)配置母差保護(hù)，快速切除故障，確保電網(wǎng)安全，110 kV東堂變35 kV母線應(yīng)配置母差保護(hù)。

4)中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)弧光接地過電壓

對于中性點(diǎn)非有效接地的系統(tǒng)，發(fā)生單相弧光接地故障時(shí)，電弧的時(shí)燃時(shí)滅引起了電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的改變，電弧燃燒時(shí)非故障相電壓突然升高而電弧熄滅時(shí)電壓又會降低，非故障相的對地電容和線路電感之間存在一個(gè)充放電過程，從而在非故障相一級故障相中產(chǎn)生遍及全系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓，稱為弧光接地過電壓。理論分析及實(shí)測數(shù)據(jù)表明，中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)發(fā)生間歇性弧光接地故障時(shí)，非故障相的過電壓幅值最高可達(dá)3.5倍的相電壓。

由圖2可知，由于故障相電弧的時(shí)燃時(shí)滅特性，非故障相的電壓由工頻分量和高頻分量兩部分組成，幅值超過線電壓。在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，電弧發(fā)展過程還受到電弧部位的介質(zhì)及大氣條件的影響，東街線408斷路器B相套管表面積污嚴(yán)重，在陰雨東氣下發(fā)生閃絡(luò)引起弧光過電壓，導(dǎo)致A，C相電壓升高且高于線電壓是引起C相套管擊穿的重要原因。因此，對于中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，防止弧光接地過電壓的措施應(yīng)從兩方面入手，一是減小故障電流，從而增加電弧重燃的難度，例如配置消弧線圈等；二是防止系統(tǒng)發(fā)生弧光接地，例如及時(shí)清除絕緣子串表面的污穢，防止陰雨條件下發(fā)生污閃。

6 結(jié)論

1)東堂變35 kV母線短路故障的原因?yàn)闁|街線408斷路器室外B相穿墻套管受污、受潮情況下發(fā)生閃絡(luò)，引起間歇性弧光接地，C相穿墻套管電壓升高而發(fā)生擊穿，導(dǎo)致兩相接地短路故障，強(qiáng)大的短路電流流經(jīng)故障點(diǎn)，延時(shí)2 s后切除，對電網(wǎng)和設(shè)備產(chǎn)生了極大的危害。

2)針對短路電流水平不斷增大的電網(wǎng)，采取措施減小因短路而產(chǎn)生的危害，一是采取措施限制短路電流，二是采用快速保護(hù)，縮短故障時(shí)間。

3)相對于低壓配電系統(tǒng)，35 kV系統(tǒng)發(fā)生間歇性弧光接地對電網(wǎng)的安全威脅更大，間歇性弧光接地不僅與入地電流的大小有關(guān)，還與介質(zhì)有關(guān)。

4)設(shè)備絕緣配置的選型應(yīng)考慮所處環(huán)境的影響，重腐蝕性污染、重污穢程度的地區(qū)選擇復(fù)合絕緣子容易加速絕緣子老化，使絕緣性能迅速降低，成為絕緣薄弱點(diǎn)。

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TM63

B

1008-0198(2016)04-0055-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.014

2016-01-15