雷擊引起的變電站直流系統(tǒng)故障分析及處理

陳達文，胡敏

（國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410015)

雷擊引起的變電站直流系統(tǒng)故障分析及處理

陳達文，胡敏

（國網(wǎng)湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410015)

介紹某110 kV變電站發(fā)生頻繁雷擊后直流系統(tǒng)充電裝置失電的故障及應(yīng)急處理過程，分析了故障發(fā)生的主要原因及直流系統(tǒng)的潛在安全隱患，并針對此類故障提出了相應(yīng)的反事故措施，以進一步提高變電站設(shè)備的可靠運行水平。

直流系統(tǒng)；充電裝置；故障分析；應(yīng)急處理；反事故

變電站的直流系統(tǒng)承擔了為保護、自動裝置及其控制、信號回路提供穩(wěn)定可靠電源的職責，直流母線失壓會導(dǎo)致繼電保護及安全自動裝置無法正確動作，進而在系統(tǒng)發(fā)生故障時保護將越級跳閘，帶來停電事故，造成經(jīng)濟損失〔1－2〕。故障變電站地處亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季雷雨天氣較多，城區(qū)變電站雷擊密度高，電力設(shè)備防雷壓力大，采取可靠的防雷措施對保證電網(wǎng)的安全運行具有重要意義〔3〕。

1 故障概況

1.1 設(shè)備運行方式

該站直流系統(tǒng)配有1塊直流充電屏，屏內(nèi)設(shè)4個艾默生HD22010－2型高頻開關(guān)充電模塊和1套艾默生PSM－E10型直流電源監(jiān)控裝置，1塊直流饋電屏，1組深圳華達GFMH200型閥控式鉛酸密封蓄電池(容量為200 Ah，共103個，2013年5月12日投運)。該站直流系統(tǒng)正常運行時，兩路交流電源(其中1路常供，2路備用，二者可自動切換互為備用)通過交流饋電屏的 “充電Ⅰ回”、“充電Ⅱ回”空氣開關(guān)分別接直流充電屏 “1路交流進線”、“2路交流進線”2個空氣開關(guān)，然后經(jīng)互鎖交流接觸器為充電模塊提供進線電源。兩路交流輸入空氣開關(guān)具備自動切換功能，交流接觸器通過機械聯(lián)鎖和電氣閉鎖防止兩路交流電源同時輸入，以保證交流供電的可靠運行，正常僅一路交流電源供整流充電模塊。在交流線路上設(shè)有防雷裝置以防止過電壓對充電模塊的沖擊。充電模塊經(jīng)降壓單元向直流母線送電及為蓄電池組充電。交流進線空開、交流接觸器和防雷裝置等各部分的告警信號經(jīng)監(jiān)控裝置和站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)交換機上傳至監(jiān)控中心和后臺機。正常運行狀態(tài)下控制母線電壓在222 V，合閘母線電壓在232 V，蓄電池端電壓為230 V。直流系統(tǒng)簡化接線原理如圖1所示。

圖1 110 kV某變電站直流系統(tǒng)接線原理

1.2 故障經(jīng)過

在110 kV某變電站開展例行巡視時發(fā)現(xiàn):該站直流充電屏交流電源指示燈滅，“系統(tǒng)故障”指示燈亮，直流電源監(jiān)控裝置告警燈亮，4個充電模塊全部失壓，直流母線電壓降低，直流屏后1，2路交流進線空氣開關(guān)跳閘，現(xiàn)場簡化示意如圖2所示。交流饋電屏直流充電Ⅰ回、充電Ⅱ回空氣開關(guān)跳閘。直流監(jiān)控裝置顯示合閘母線電壓已降低至186.2 V，控制母線電壓已降低至166.6 V。監(jiān)控后臺機顯示直流母線及蓄電池電壓為230 V，調(diào)控中心監(jiān)控端直流母線電壓為231 V，均顯示正常未降低，且無任何直流系統(tǒng)異?；蚋婢畔⑸蟼鳌y量蓄電池組端電壓已降低至186 V。

圖2 故障后現(xiàn)場直流充電屏指示簡化示意

2 故障原因分析

2.1 故障調(diào)查

在檢查過程中對地量取直流電壓存在電壓浮動，現(xiàn)場直流充電屏內(nèi)1路、2路進線交流接觸器已明顯燒損，同屏內(nèi)防雷接地單元避雷器A相外絕緣有裂痕，量取A該相避雷器電阻為0，絕緣已擊穿，B，C相電阻為58 MΩ，且屏內(nèi)避雷器未裝設(shè)控制空開。屏內(nèi)各充電模塊電源空開均在合位。站內(nèi)單個蓄電池無明顯異常，單體電壓均已降至1.8 V左右。通信屏內(nèi)規(guī)約轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)絡(luò)交換機有明顯焦味。故障初步判斷為交流進線電源失電，全站直流系統(tǒng)由蓄電池組供電。通訊設(shè)備損壞導(dǎo)致站內(nèi)設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)及告警信號沒有及時刷新并發(fā)出。

2.2 防雷裝置故障原因分析

變電站遭直接雷擊時流過大電流，同時引起高達幾千伏的過電壓直接加載于線路裝置和電源設(shè)備上，持續(xù)時間達若干微秒。在全站防雷措施的基礎(chǔ)上，該站直流電源系統(tǒng)采用在交流配電部分安裝一組三相陶瓷氧化鋅避雷器的單級防雷方式(如圖1所示)。避雷器接于交流進線電源與充電模塊之間，以限制雷電侵入過電壓對充電模塊的沖擊。故障前該避雷器運行時間較長，接近全壽命的中后期，站內(nèi)未敷設(shè)等電位接地網(wǎng)，避雷器長期運行在接地泄壓通道不完整的惡劣工況下，閥片性能逐漸劣化，抗沖擊能力降低。在遭受頻繁雷擊過程中，閥片頻繁動作，急劇加速了閥片的劣化，進一步導(dǎo)致避雷器內(nèi)部阻性電流和功率損耗增大，內(nèi)部壓力和溫度升高的同時導(dǎo)致外瓷套絕緣性能降低，最終該相避雷器絕緣被直接擊穿，引發(fā)交流短路。

2.3 直流充電裝置失壓原因分析

安裝于交流接觸器之后的三相避雷器并沒有按照設(shè)計單獨配置空氣開關(guān)，當A相避雷器直接接地后為短路過電流提供了通路。A相短路電流通過互鎖交流接觸器時，接觸器主觸點不斷燒弧導(dǎo)致熔焊損毀，同時產(chǎn)生大量熱量導(dǎo)致接觸器線圈過溫燒損。接觸器上級的1路交流進線空開中通過的短路電流達到電流起跳值而引發(fā)跳閘，由于1路交流進線開關(guān)與上一級交流饋線柜內(nèi)的充電Ⅰ回開關(guān)極差配合不當(均為40A)，充電Ⅰ回開關(guān)也一并跳閘。在1路交流電源跳開后，備用2路交流電源自動投入，由于故障避雷器接地點仍然存在于接觸器與充電模塊之間，導(dǎo)致2路接觸器同樣過熱燒損，2路交流進線開關(guān)與同級配置的充電Ⅱ回開關(guān)亦跳閘，充電模塊失電退出運行，蓄電池供全站直流負荷。

2.4 后臺及監(jiān)控無信號上傳原因分析

故障時頻繁雷擊引發(fā)的直接接地及站內(nèi)接地網(wǎng)的不完善同時導(dǎo)致直流充電屏與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊的通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器和通訊網(wǎng)關(guān)損毀，直流遙信、遙測及告警等異常信息不能上傳至后臺及調(diào)度端。同時由于該直流系統(tǒng)在安裝調(diào)試時未考慮制作規(guī)約轉(zhuǎn)換器和通訊網(wǎng)關(guān)失電的告警信號點表，以致故障發(fā)生后監(jiān)控中心不能及時發(fā)現(xiàn)故障，只能通過運維人員的例行巡視發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致蓄電池長時間帶全站直流負荷，端電壓低于198 V告警值運行，相應(yīng)增大了此次故障的風險。

綜合現(xiàn)場故障檢查情況及天氣、工況的分析，初步判斷此次故障的主要原因為直流充電屏內(nèi)A相避雷器頻繁遭受雷擊后絕緣擊穿直接接地，且未安裝空開，交流短路致1路、2路進線交流接觸器損毀，電源進線空開跳閘，進而直流充電裝置失電。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備同時損毀，故障信號未及時上傳，未能及時監(jiān)視到故障發(fā)生。

3 處理及反事故措施

3.1 故障處理過程

1)現(xiàn)場運維人員通知檢修人員故障詳細情況后，隨即向調(diào)控中心各級值班調(diào)度員申請該站禁止進行斷路器操作，以控制直流系統(tǒng)故障影響，并與調(diào)控人員核對現(xiàn)場和監(jiān)控中心信號的一致性，隨后對單個蓄電池進行了普測，監(jiān)測蓄電池的狀態(tài)。

2)由于充電Ⅰ，Ⅱ回空開跳閘，運維人員對充電模塊進行初步排查:退出全部充電模塊，通過外接電源對充電模塊逐個試送電，判斷是否為充電模塊故障，若是則退出故障充電模塊，投入正常充電模塊，恢復(fù)直流系統(tǒng)供電。實際試送后排除了充電模塊故障的可能。

3)由于蓄電池端電壓已降至186 V，為防止故障排查、事故處理時間較長而導(dǎo)致蓄電池電壓降低過多，全站失去直流電源。檢修人員到達事故現(xiàn)場后立即外接入臨時充電模塊充電恢復(fù)直流系統(tǒng)供電，對蓄電池充電，制定消缺方案并做好全站失壓預(yù)控措施，并監(jiān)視蓄電池的運行狀態(tài)。

4)檢修人員逐段進行排查，發(fā)現(xiàn)直流充電屏內(nèi)A相避雷器絕緣降低，1，2路交流接觸器損壞，測量A相避雷器絕緣電阻為0，為直接接地，隨后將屏內(nèi)防雷接地單元三相交流避雷器更換為同型號成熟可靠產(chǎn)品，并更換了符合交直流上、下級空開級差要求的2個交流接觸器。

5)對1，2路交流進線開關(guān)進行互投試驗驗證自動投切正確。各新設(shè)備部件試驗合格后，用直流屏對蓄電池組進行充電，控母電壓恢復(fù)至225.6 V。單個蓄電池電壓恢復(fù)至2.18～2.22 V之間。

6)退出臨時備用充電機，逐個投入充電屏充電模塊。為防止切換時蓄電池充電電流過大，充電回路空開跳閘，需待蓄電池充電電流降低到一定值后再切換。

7)經(jīng)自動化專業(yè)排查，監(jiān)控信號不上傳為通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器和通訊網(wǎng)關(guān)故障，廠家更換該轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)關(guān)后通訊恢復(fù)正常，并與監(jiān)控中心監(jiān)控員核對遙信、遙測信號無誤。

3.2 反事故措施

1)完善等電位接地網(wǎng)。故障檢查中發(fā)現(xiàn)，對地量取直流電壓存在電壓浮動問題，該站全站未敷設(shè)等電位接地網(wǎng)，對避雷器絕緣降低被擊穿和通訊設(shè)備的損毀存在影響?！秶译娋W(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》(2012版)15.7.3條規(guī)定:宜根據(jù)開關(guān)場和一次設(shè)備安裝的實際情況，敷設(shè)與廠、站主接地網(wǎng)緊密連接的等電位接地網(wǎng)〔4〕。該變電站2007年進行綜自改造時還沒有反措要求設(shè)置專門的等電位接地網(wǎng)。直流系統(tǒng)恢復(fù)后，二次專業(yè)檢修人員對該站內(nèi)主控室二次屏柜與主接地網(wǎng)的連接情況開展排查，確保屏柜與主接地網(wǎng)接觸良好。

2)加強空氣開關(guān)的上、下級的級差配合管理。嚴格開展空氣開關(guān)容量和級差配合排查，結(jié)合停電計劃按級差要求逐步更換。保證所有空氣開關(guān)的特性、質(zhì)量滿足 《家用及類似場所用過電流保護斷路器 第2部分:用于交流和直流的斷路器》(GB10963.2—2008)的相關(guān)要求，避免1路空氣開關(guān)故障時再次出現(xiàn)越級跳閘和接觸器損壞的情況。

3)針對此次異常舉一反三，加強雷雨等惡劣天氣后的設(shè)備特巡力度。同時結(jié)合巡視和檢修嚴格參照 《站用直流電源系統(tǒng)全過程管理重點措施》(湘電公司運檢[2015]259號)中直流充電屏的“所有防雷器都配置了符合要求的空開”的要求，對同型號防雷器的運行狀況開展細致清查。若存在防雷器未配置符合級差要求的空開情況，立即加裝或更換符合要求的空開。

4)完善直流系統(tǒng)的監(jiān)控。故障發(fā)生后，相關(guān)遙信信號和直流電壓遙測信號沒有上傳至調(diào)控主站，除網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備損壞外，調(diào)控主站部分點表信號(如此次網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備故障告警)的缺失也是原因之一。針對該公司 《110 kV變電站典型監(jiān)控信息表》中關(guān)于直流屏信號未作要求但影響直流系統(tǒng)運行的信號，將與上級部門進行匯報溝通，將影響直流系統(tǒng)運行的信號納入調(diào)控端監(jiān)控范圍，并逐步完成信號添加和核對工作。

5)后續(xù)需對該變電站蓄電池組進行核對性放電試驗以及直流充電屏特性試驗，檢驗站內(nèi)蓄電池的工作狀態(tài)和直流電源系統(tǒng)設(shè)備性能，充分保證直流系統(tǒng)功能正常。設(shè)備試驗數(shù)據(jù)若不符合相關(guān)標準要求，應(yīng)及時進行更換和維修〔5〕。惡劣天氣或雷電活動頻繁的時期，結(jié)合帶電檢測的開展，加強對各變電站的巡視、監(jiān)視。

4 結(jié)論

例行巡視過程發(fā)現(xiàn)此起變電站雷擊導(dǎo)致的直流系統(tǒng)故障，仔細排查和分析確定了故障發(fā)生的主要原因，妥善處置后消除了隱患。此類故障是直流屏柜內(nèi)防雷裝置異常導(dǎo)致變電站重要的直流系統(tǒng)發(fā)生故障的一個典型事例，同時接地網(wǎng)、空開的配置、通訊設(shè)備等方面的不利因素大大增加了此次故障的后果和風險等級，重者可能導(dǎo)致全站直流失壓、無保護運行發(fā)生越級跳閘，嚴重影響電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。結(jié)合此次故障，分別從設(shè)備隱患排查、設(shè)備運行維護以及加強設(shè)備特性試驗和帶電檢測等方面提出了預(yù)防和反事故措施，以確保變電站直流系統(tǒng)的可靠運行。

〔1〕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)保護與控制，2009，37(23): 122-124.

〔2〕敖非，李輝.110 kV變電站直流電源系統(tǒng)故障分析 〔J〕.湖南電力，2015，35(5):51-53，56.

〔3〕國家電網(wǎng)公司電力生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程 〔S〕.北京:中國電力出版社，2005.

〔4〕國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施 〔S〕.北京:中國電力出版社，2012.

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

Analysis and Treatment of Lighting Fault in DC System of Substation

CHEN Dawen，HU Min
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)

This paper introduces the accident and emergency treatment process of a certain substation.In order to improve the operation reliability of substation equipment，the main causes of the failure and the incipient fault of the DC system are analyzed，and some anti-accident measures against this type of fault are proposed in order to farther improve the reliable operation level of substation equipments.

DC system；charging device；fault analysis；emergency treatment；anti-accident

TM732

B

1008-0198(2017)04-0065-04

陳達文(1986)，男，工程師，工學(xué)碩士，研究方向為智能變電站運維、直流電源系統(tǒng)技術(shù)。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.019

2017-01-22 改回日期:2017-05-10

胡敏(1984)，女，工程師，工學(xué)碩士，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護及自動化技術(shù)、直流電源系統(tǒng)技術(shù)。