一起線路跳閘引起35 kV變電站失壓的故障分析

徐興發(fā)

(廣東電網有限責任公司韶關供電局，廣東 韶關 512026)

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一起線路跳閘引起35 kV變電站失壓的故障分析

徐興發(fā)

(廣東電網有限責任公司韶關供電局，廣東 韶關 512026)

針對雷擊過電壓引起35 kV架空線路絕緣子閃絡，導致L1、L2相間接地短路、35 kV變電站全站失壓及其電纜損壞的狀況進行調查和分析，說明故障前電力系統(tǒng)的運行方式與35 kV南紅線保護裝置動作行為正確的同時，分析導致線路跳閘與電纜井電纜損壞的故障原因；針對35 kV及以上容易遭受雷電過電壓影響引起跳閘的輸電線路及紅嶺變電站一次接線現(xiàn)狀，提出一系列針對性的整改措施，從而可大大提高變電站供電可靠性及其設備的安全性。

35 kV線路；跳閘；變電站；故障分析；整改措施

2016年4月12日14時18分0.118秒，35 kV南紅線41號桿塔發(fā)生雷擊過電壓，引起L2相絕緣子串閃絡，系統(tǒng)電源南龍側線路保護裝置U、V相發(fā)生過流II段保護動作，跳開斷路器QF311；負荷紅嶺側線路保護裝置啟動，沒有保護裝置動作出口跳閘。雷擊過電壓沿線至35 kV高壓室，引起鋁排對墻體、隔離網、電纜井放電，導致電纜井內二次電纜損壞。本文對故障情況進行深入分析并制定一系列針對性的防范整改措施，可大大提高變電站供電可靠性及其設備的安全性。

1 事故前運行方式

1.1 110 kV南龍變電站事故前運行狀態(tài)

110 kV南龍變電站110 kV翁南線在運行狀態(tài)，110 kV 1號母線W1與2號母線W2互聯(lián)運行，110 kV田南線在熱備用狀態(tài)；1號主變壓器高壓側QF1101、中壓側QF301、低壓側QF501均在合閘狀態(tài)；2號主變壓器高壓側QF1102、中壓側QF302、低壓側QF502均在合閘狀態(tài)；35 kV分段QF300在合閘狀態(tài)，35 kV南紅線QF311、35 kV南巖線QF312、35 kV南黃線QF321均在合閘狀態(tài)，電壓互感器(voltage transformer, VT)VT31與VT 32均在合閘位置；10 kV W1與W2分段QF500在合閘狀態(tài)。110 kV W1和W2之間沒有專用的分段斷路器，只有分段隔離開關，并且隔離開關在合閘位置。南龍變電站主接線如圖1所示。

圖1 110 kV南龍變電站的主接線

1.2 35 kV紅嶺變電站事故前運行狀態(tài)

35 kV紅嶺變電站南紅線在運行狀態(tài)、VT 31在檢修狀態(tài)，避雷器已退出運行； 1號主變壓器高壓側QF301、低壓側QF501均在合閘狀態(tài)；2號主變壓器高壓側、中壓側QF302、低壓側QF502均在合閘狀態(tài)；10 kV W1與W2分段QF500在分閘位置。35 kV紅嶺變電站主接線如圖2所示。

圖2 35 kV紅嶺變電站的主接線

2 跳閘過程分析

35 kV南紅線L1、L2相接地故障保護動作時序見表1。

表1 保護裝置動作時序情況

分析保護裝置的動作報文可知，南龍變電站側過流II段保護動作，跳開故障線路斷路器，而紅嶺側保護裝置未動作出口，只有啟動量。

3 保護動作行為分析

3.1 南龍變電站35 kV南紅線故障電流、母線電壓分析

110 kV南龍變電站35 kV線路采用國電南瑞NSR 612RF保護裝置，查詢監(jiān)控后臺故障事件記錄與保護裝置報文一致。

故障時，35 kV母線W1與W2的三相電壓降低，產生零序電壓，判斷發(fā)生U、V相接地故障。U相故障接地二次過電流16.70 A，V相故障接地二次過電流17.15 A，電流互感器(current transformer, CT)變比為400/5，即故障U相一次電流1 372 A，V相一次電流1 336 A，過流保護定值見表2。

表2 南紅線QF311保護裝置過流定值

序號名稱狀態(tài)及定值1過流I段保護投入過流I段保護電流定值/A20過流I段保護時限定值/s02過流II段保護投入過流II段保護電流定值/A10過流II段保護時限定值/s0.303過流III段保護投入過流III段保護電流定值/A6.50過流III段保護時限定值/s0.60

現(xiàn)場檢查保護裝置，14時17分59.817秒時過流II段保護裝置啟動(故障電流16.70 A，大于過流II段保護電流定值10 A)，故障持續(xù)301 ms，保護裝置動作出口跳閘，經過56 ms斷路器跳開后QF311沒有重合閘，原因是35 kV南紅線QF311投閉鎖重合閘壓板1LP5已投入。綜上所述，故障中南龍側35 kV南紅線保護正確動作。

3.2 紅嶺變電站35 kV南紅線故障分析

紅嶺變電站只有一條35 kV紅嶺線與系統(tǒng)側110 kV南龍變電站聯(lián)系，屬于負荷側。35 kV線路采用北京四方CSL-216E保護裝置，CT變比為100/1，其配置的保護過流定值見表3。

表3 35 kV南紅線保護過流定值

序號名稱定值1過流I段保護電流定值/A122過流I段保護時限定值/s03過流II段保護電流定值/A1.304過流II段保護時限定值/s1.205加速過流定值/A2.306過流加速時間/s0.20

檢查35 kV紅嶺線保護裝置，只有過流II段保護裝置啟動，但是未動作出口跳閘。U、V相接地故障時，電源側南龍變電站過流II段啟動后經301 ms，QF311跳閘，而負荷側紅嶺站提供的故障電流無法滿足過流I及過流II保護定值，因此，線路保護裝置未能出口跳閘，實屬正確行為。

4 故障原因分析

4.1 一次設備故障分析

故障線路跳閘后，經現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)41號桿塔線路上的L2相玻璃絕緣子串(3片)過電壓全部閃絡，掉落到橫擔上，導致L2相接地故障，同時引起L1相接地。

2016 年 4月13日14時18分左右，南龍變電站及其周邊區(qū)域為雷雨天氣，分析絕緣子閃絡的故障現(xiàn)象，本次跳閘事故的直接原因為雷擊過電流導致41號桿塔線路上L2相玻璃絕緣子串閃絡而造成L2相接地短路。

雷擊過電壓沿線侵入至35 kV紅嶺變電站高壓室(VT31在檢修狀態(tài)，母線避雷器退出運行)，35 kV線路及母線失去防雷保護，導致35 kV高壓室進線南紅線L1相穿墻套管與線路側隔離開關QS3114連接的鋁排對樓頂、隔離網、電纜井外殼有長時間明顯的電弧放電痕跡，釋放能量，從而損壞35 kV主控室電纜井內電纜、網線。由于雷電過電壓作用在鋁排上，隔離網、樓頂、電纜井外殼對地電位為零，形成電位差，空氣被擊穿從而產生間隙放電，進一步發(fā)展成為電弧放電，持續(xù)時間長。電弧放電產生的熱量，導致墻體上主控室的電纜井電纜在各種因素的作用下，電纜受到嚴重損壞，同時鋁排在劇烈電弧放電中灼燒損壞。

電弧在QS3114靠線路側連接的鋁排放電，引起旁邊墻體上主控室的二次電纜井電纜、網線被電弧損壞。檢查后發(fā)現(xiàn)2號主變壓器低壓側QF502后備保護電流電纜、QF502保護測控電流電纜、站用變壓器低壓側電纜、部分通信電纜損壞。檢查站內南紅線QF311、1號主變壓器保護裝置無異常[1]。檢查避雷器動作情況：1號主變壓器中性點4次，變壓器低壓側U相1次、V相2次、W相1次，VT51 W相2次。因此，進一步認定是雷電過電壓導致的故障。

4.2 雷電過電壓的原因分析

對事故現(xiàn)場進行調研、分析，總結引起設備損壞的原因有以下幾點：

a) 架空線路受雷電過電壓影響，容易引起線路絕緣子串閃絡、線路跳閘。

b) 紅嶺變電站35 kV母線失去防雷保護。事故發(fā)生前，35 kV紅嶺變電站VT31故障在檢修狀態(tài)，變電運行人員將VT31的隔離開關斷開，引起與VT31并聯(lián)的避雷器退出運行，導致35 kV室內母線失去防雷保護。當雷電形成過電壓沿線傳輸?shù)?5 kV紅嶺變電站高壓母線上，無法從避雷器流入大地，導致35 kV高壓室進線南紅線L1相穿墻套管與線路側QS3114連接的鋁排對樓頂、隔離網、電纜井外殼長時間電弧放電，從而導致35 kV主控室電纜井內電纜、網線損壞。

c) 變電站進出線的1至2號基桿塔未安裝避雷器，導致雷電過電壓沿線路一直侵入到35 kV高壓室母線。

d) 站內避雷針接地存在不規(guī)范設計，避雷針接地直接接入站內地網，共用接地網。

5 防護(整改)措施

分析事故原因是雷擊過電壓引起絕緣子閃絡，線路跳閘，導致35 kV紅嶺變電站全站失壓以及35 kV母線失去防雷保護，為此，提出一些有建設意義的防護措施[2-5]。

5.1 安裝避雷器或避雷線

具體做法有以下幾點：

a) 將35 kV紅嶺變電站故障VT31退出運行， VT31隔離開關與VT的保險斷開后，投入VT31隔離開關，保障避雷器在運行狀態(tài)，實現(xiàn)對35 kV母線保護。

b) 靠近變電站1 km的桿塔上全線安裝避雷線，并且在變電站進出線的1至2基桿塔安裝避雷器，其結構如圖3所示。

注：虛線框內為斷路器及隔離開關；HY5Wz為母線隔離開關及避雷器型號；GJ-35為避雷線型號；GB1、GB2為桿塔上安裝的線路型避雷器。圖3 35 kV 變電站簡易保護的接線

c) 采用環(huán)形電極帶外串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。當感應雷或直擊雷產生的高幅值過電壓作用時，引流環(huán)與導線之間形成的串聯(lián)間隙被擊穿，避雷器以非線性電阻特性釋放雷電能量。在避雷器動作瞬間，工頻續(xù)流亦沿該雷電流通道入地，在經過環(huán)形電極外串間隙避雷時，非線性電阻限流元件利用其電壓高時阻值小、電壓低時阻值大的非線性特性，將正弦波形的工頻續(xù)流轉變成為尖頂波。尖頂波電流在過零前在相當長的時間內電流幅值較小，同時，限流元件的殘壓削減放電電壓，使電弧瞬間熄滅，阻斷工頻續(xù)流，此時串聯(lián)間隙起隔離作用，保護限流元件耐受較高的過電壓而不損壞。因此，在雷擊架空線路后，雷電流通過引流環(huán)與導線之間形成的串聯(lián)間隙流過非線性電阻限流元件，工頻續(xù)流及時被切斷，避免發(fā)生絕緣子閃絡或擊穿、架空導線路斷線的事故[6-8]。

d) 停電檢修時，應加強對避雷器及其接地引下線裝置進行專項檢測。

5.2 校核耐雷水平與接地電阻

依據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》第6.1.3條規(guī)定：有避雷線的線路，在一般土壤電阻率地區(qū)，其耐雷水平不宜低于表4所列數(shù)值。

表4 有避雷線線路的耐雷水平

標稱電壓/kV耐雷水平電壓/kA變電所進線保護段電流/kA3520～30306630～606011040～757522075～110110330100～150150500125～175175

定期對架空線路絕緣子串的耐雷水平進行電測校核，更換存在風險隱患的桿塔絕緣子，保障線路的耐雷水平符合表3數(shù)值，對架空線路絕緣子進行以下維護管理：

a)及早發(fā)現(xiàn)與更換劣質絕緣子。運行線路上的絕緣子因長期處在交變電場中，絕緣性能逐漸下降，在受到雷擊大氣過電壓或操作過電壓時會發(fā)生閃烙、擊穿，絕緣性能為零。

b) 增加易擊地區(qū)桿塔絕緣子片數(shù)，提高桿塔絕緣子電氣絕緣強度，提高耐雷水平，降低雷擊跳閘率。

c) 新建、技改規(guī)劃設計應采用絕緣性能較好的鋼化玻璃絕緣子。

d) 執(zhí)行DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》第6.1.4規(guī)定：有避雷線的線路，每基桿塔不連避雷線的工頻接地電阻，在雷季干燥時，不宜超過表5所列數(shù)值。雷電過電壓產生機理，接地電阻直接影響直擊雷過電壓與感應雷過電壓。針對雷電活動強烈的地方和經常發(fā)生雷擊故障的桿塔和線段，應改善接地裝置，架設避雷線,適當加強絕緣或架設耦合地線。

表5 有避雷線的線路桿塔的工頻接地電阻

土壤電阻率/Ωm接地電阻/Ω≤10010100～50015500～1000201000～200025>200030

e) 加強對線路的專項巡視，重點檢查接地引下線是否銹蝕，避免失去接地點，同時對接地電阻進行校驗，對不滿足要求的接地電阻進行整改。降低接地電阻可以有效地減小塔頂電位，提高線路的耐雷水平，減少絕緣子串閃絡故障率。

5.3 站內避雷針接地方式的整改

執(zhí)行DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》第7.1.6規(guī)定：獨立避雷針宜設獨立的接地裝置。在非高土壤電阻率電阻地區(qū)，其接地電阻不宜超過10 Ω；在高土壤電阻率地區(qū)，如接地電阻難以降到10 Ω，允許采用較高的電阻值，但空氣中距離與地中距離必須符合要求。當有困難時，避雷針接地裝置可與主接地網連接，但避雷針與主接地網的地下連接點至35 kV及以下設備與主接地網的地下連接點之間，沿接地體的長度不得小于15 m。因此，紅嶺站內避雷針接地不能直接接入站內地網，需要整改。

5.4 完善相關設備接地信號

41號桿線路上L2相掉在橫擔上，導致L2相接地，由于VT31退出，無接地信號發(fā)出，因此，需要完善線路接地信號及其監(jiān)控系統(tǒng)，保障接地故障能夠快速、準確地發(fā)出相關信號。

5.5 測量相對橫梁距離

線路上L1相對橫梁放電，說明在無避雷器保護的情況下，在極端時，L1相對橫梁距離不夠，參考過電壓規(guī)程，要滿足450 mm(戶外線路距離)，否則不應該發(fā)生放電。因此，務必測量L1相對橫梁距離，對不滿足規(guī)程要求的線路進行整改。

5.6 紅嶺變電站基建整改

35 kV紅嶺變電站與系統(tǒng)只有一條35 kV南紅線連接，當線路故障跳閘，將導致全站失壓。現(xiàn)結合翁源地區(qū)電網結構，提出1套整改方案，如圖4所示。

圖4 紅嶺變電站整改簡化后的主接線

整改的具體方案如下:

a) 增加一條35 kV線路，實現(xiàn)雙端電源供電;新建一條從110 kV銅鑼變電站35 kV側到紅嶺變電站的線路。

b) 紅嶺變電站35 kV單母接線方式整改為35 kV單母分段，增加QF300及其兩側隔離開關。

c) 整改接線方式。1號主變壓器高壓側接35 kV W1上，2號主變壓器高壓側接35 kV W2上，35 kV南紅線、35 kV銅紅線分別接在35 kV W1、35 kV W2上。

d) 增加1套QF300分段備用自動投入設備(以下簡稱“備自投”)。當其中一條35 kV線路故障跳閘后，備自投正確動作合上QF300，保障全站2臺主變壓器及其10 kV線路穩(wěn)定運行，保障供電可靠性。

e) 增加35 kV母線VT，對原35 kV VT31進行檢修，升壓測試，保障VT質量滿足要求。

6 結束語

本文對故障狀況進行調研分析，得出雷擊過電壓引起35 kV架空線路絕緣子閃絡，導致L1、L2兩相接地短路，35 kV變電站全站失壓及其電纜損壞的結論。為此，針對35 kV及以上輸電線路容易遭受雷電過電壓影響引起跳閘的故障及紅嶺站一次接線的現(xiàn)狀，提出了一系列針對性的整改措施，從而保障全站供電可靠性及其設備安全。

[1] 尹迪迪.220 kV桂湘線跳閘故障原因分析及建議 [J]. 廣西電力，2011, 34 (5): 25-30.

YIN Didi. Analysis and Suggestion on Tripping Fault of 220 kV Xianggui Transmission Line[J]. Guangxi Electric Power，2011, 34(5):25-30.

[2] 劉建明. 一起線路跳閘造成500kV變電站交流系統(tǒng)失壓事故的分析[J]. 電力科學與技術學報, 2013，28 (4): 78-82.

LIU Jianming. Research of a 500 kV Substation-used AC System Voltage-loss Caused by Transmission Line Trip-out[J].Journal of Electric Power Science and Technology, 2013, 28(4): 78-82.

[3] 尹創(chuàng)榮, 徐征. 110 kV景沙甲乙線雙地線斷落原因分析及對策[J]. 廣東電力，2015，28(1): 72-76.

YIN Chuangrong, XU Zheng. Analysis on Reasons for Fragmentation of Double Ground Wires of 110 kV Jingsha AB Line and Countermeasures[J]. Guangdong Electric Power, 2015, 28(1): 72-76.

[4] 陳維江, 孫昭英, 王獻麗, 等. 35 kV架空送電線路防雷用并聯(lián)間隙研究[J]. 電網技術, 2007，31(2)：61-65.

CHEN Weijiang, SUN Zhaoying, WANG Xianli, et al. Study on Shunt Gap Lightning Protection for 35 kV Overhead Transmission Lines[J]. Power System Technology , 2007，31(2)：61-65.

[5] 陳智, 陶鳳源, 周鋒, 等. 某35 kV配電架空線路防雷保護裝置應用研究[J]. 電瓷避雷器, 2011, 6(244): 46-49.

CHEN Zhi,TAO Fengyuan, ZHOU Feng, et al. Study on the Lightning Protection of 35 kV Transmission and Distribution Line[J]. Insulators and Surge Arresters, 2011, 6(244): 46-49.

[6] 徐興發(fā)，聶一雄，徐亮，等. 10 kV架空絕緣導線雷擊斷線原因分析與解決對策[J]. 廣東電力，2012，25(12)：110-114.

XU Xingfa, NIE Yixiong, XU Liang, et al. Reason Analysis on Broken Line Caused by Lightning Stroke of 10 kV Overhead Insulated Conductor and Solutions[J]. Guangdong Electric Power, 2012，25(12)：110-114.

[7] 宰紅斌. 35 kV輸電線路差異化防雷治理措施的研究與應用[J]. 山西電力, 2015, 3(192): 45-48.

ZAI Hongbin. Research and Application of 35 kV Transmission Line Differentiation Lightning Protection Measures[J]. Shanxi Electric Power , 2015, 3(192): 45-48..

[8] 趙浩波, 弓建新, 劉愈倬. 35 kV及以下電纜損壞原因分析及防范措施[J]. 山西電力, 2013, 2(179):34-36.

ZHAO Haobo, GONG Jianxin, LIU Yuzhuo. The Cause Analysis and Prevention Measures of No-higher-than 35 kV Cable Damage[J]. Shanxi Electric Power , 2013, 2(179): 34-36.

(編輯 王夏慧)

Fault Analysis for Voltage-loss in 35 kV Substation due to Line Tripping

XU Xingfa

(Shaoguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Shaoguan, Guangdong 512026, China)

This paper investigates and analyzes faults of L1 and L2 phase grounding short-circuit, voltage-loss in one 35 kV substation and damages of cables on account of lightning over-voltage causing insulator flashover on 35 kV overhead lines. It expounds that both operation mode of the power system and protection devices of 35 kV Nanhong line are in correct operation, meanwhile, it analyzes reasons for causing line tripping and cable damages. In allusion to problems of 35 kV and the above power transmission line tripping caused by lightning over-voltage and status quo of the primary connection in Hongling substation, a series pointed rectification measures are proposed to greatly improve power supply reliability and security of equipment.Key words： 35 kV line; tripping; substation; fault analysis; rectification measure

2016-05-17

2016-06-28

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.014

TM755

A

1007-290X(2016)10-0079-06

徐興發(fā)(1986)，男，廣東韶關人。工程師，工學碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護與自動化技術工作。