35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故分析

胡 越，陳嘉豪

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司天門市供電公司，湖北 天門 431700）

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，對于保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行具有重要作用。35kV 變電站接地變壓器在電力系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，其正常運(yùn)行直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。然而，在實(shí)際運(yùn)行中，由于各種原因，接地變壓器故障燒損事故時有發(fā)生，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來一定威脅。為深入了解和分析35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故，需要研究事故原因，找到問題的癥結(jié)所在，并提出相應(yīng)的解決方案，以防范未來類似的事故。

1 35kV 變電站事故前的運(yùn)行方式

在事故前的運(yùn)行方式中，1 號主變已經(jīng)完成投運(yùn)，主變壓器是電力系統(tǒng)中能量傳遞的核心設(shè)備，其正常運(yùn)行對電網(wǎng)的穩(wěn)定性會產(chǎn)生直接影響，1 號主變投運(yùn)意味著系統(tǒng)有了更多的傳輸能力和備用能力；35kV 變電站采用兩段10kV 母線并列運(yùn)行的方式，使得系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)備用互換，提高了系統(tǒng)的可靠性，母線并列運(yùn)行也為系統(tǒng)提供了更好的靈活性，方便對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和檢修；在正常運(yùn)行狀態(tài)下，35kV變電站有6 條10kV 出線同時運(yùn)行，出線負(fù)責(zé)將電能傳輸?shù)较掠斡脩艋蚱渌冸娬?，確保電力系統(tǒng)的供需平衡，通過多條出線的運(yùn)行，系統(tǒng)不僅能夠滿足不同負(fù)荷需求，還提高了系統(tǒng)的容錯性；在事故前，35kV 變電站正常運(yùn)行時帶有4000kW 的負(fù)荷，表示系統(tǒng)在事故前處于一種正常運(yùn)行狀態(tài)，能夠滿足相應(yīng)的用電需求，負(fù)荷的變化會直接影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性，而在事故前的運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)負(fù)荷處于合理范圍內(nèi)[1]。

事故發(fā)生后，仔細(xì)檢查接地選線裝置柜內(nèi)情況，發(fā)現(xiàn)除了干式接地變壓器外殼存在放電痕跡外，柜內(nèi)還有3 根熔斷器熔斷，接地變壓器中性點(diǎn)避雷器擊穿，選線裝置控制器僅有熔絲熔斷告警，沒有其他接地故障記錄。

2 35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故經(jīng)過

事故發(fā)生時間為2021 年4 月25 日12 時13 分15秒至18 秒左右，系統(tǒng)發(fā)生了一次間歇性的U 相弧光接地故障，并伴隨著極高弧光過電壓，通過對I 段電壓互感器柜控制器接地故障錄波的詳細(xì)分析，能夠更清晰地了解事故的經(jīng)過。在事故發(fā)生的瞬間，系統(tǒng)中U相發(fā)生了間歇性的弧光接地故障，該類型的故障通常由于設(shè)備老化、絕緣損壞或操作不當(dāng)?shù)仍蛞穑琔 相弧光接地導(dǎo)致電流異常升高，產(chǎn)生了大量的高次諧波；通過I 段電壓互感器柜控制器接地故障錄波分析，觀察到系統(tǒng)在故障期間伴隨著大量的高次諧波，是由于弧光的高溫和電弧振蕩所引起，高次諧波的產(chǎn)生加劇了電網(wǎng)中的電壓畸變，對設(shè)備和系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了嚴(yán)重影響；由于故障引起的弧光過電壓，使得電壓互感器零序電壓輸出呈現(xiàn)平頂波的異常波形，情況表明系統(tǒng)中出現(xiàn)了過高的零序電壓，導(dǎo)致設(shè)備的絕緣擊穿，對電網(wǎng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不可忽視的威脅。

異常的零序電壓直接影響了接地變壓器中性點(diǎn)保護(hù)系統(tǒng)，引起了其中的可控硅避雷器反復(fù)動作，由于零序電壓過高，避雷器受到不斷的沖擊，反復(fù)觸發(fā)并逐漸受損；避雷器和連接銅排在故障期間受到了巨大的電流沖擊，留下了明顯的放電痕跡，表明避雷器在保護(hù)系統(tǒng)的過程中受到了嚴(yán)重的擊穿和損壞；經(jīng)過實(shí)際測量，發(fā)現(xiàn)3 只串聯(lián)避雷器中存在明顯的異常，其中1 只避雷器完全被擊穿，阻抗為零，另外2 只避雷器阻抗降低，閥片損壞，進(jìn)一步證實(shí)了避雷器在事故中的關(guān)鍵作用，并顯示出在電弧接地故障下的嚴(yán)重受損程度[2]。

3 35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故原因分析

事故中最直接的原因在于接地變壓器中性點(diǎn)避雷器的設(shè)計(jì)動作值偏低，在事故中，避雷器的設(shè)計(jì)動作值并未能有效地抵御弧光接地情況下的高電壓，導(dǎo)致其發(fā)生擊穿，設(shè)計(jì)動作值過低使得避雷器在事故發(fā)生時無法提供足夠的防護(hù)，從而直接導(dǎo)致了事故的發(fā)生；弧光接地是導(dǎo)致事故的另一個重要因素，在系統(tǒng)中當(dāng)出現(xiàn)弧光接地情況時，電壓會突然升高，對各個設(shè)備都帶來了巨大的電壓沖擊，在本次事故中，弧光接地導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓升高，避雷器在高電壓的作用下失效。

在事故前，系統(tǒng)的最高電壓為12kV，根據(jù)中性點(diǎn)計(jì)算值（12kV÷3≈6.93kV），避雷器直流1mA 值不低于12.3kV，但是接地變壓器中性點(diǎn)避雷器的設(shè)計(jì)動作值為12.6kV，說明其設(shè)計(jì)值偏低，而線路避雷器額定電壓為17kV，折算到中性點(diǎn)的電壓值為9.82kV，氧化鋅閥片直流1mA 動作值不低于13.9kV，事故中避雷器的性能與電壓計(jì)算值不匹配，進(jìn)一步加劇了其在弧光接地情況下的失效。事故中避雷器不僅用于過電壓的保護(hù)，還作為并聯(lián)在高壓可控硅兩端的保護(hù)元件，然而由于避雷器設(shè)計(jì)動作值偏低，其在可控硅不同期導(dǎo)通時并未起到作用；因?yàn)楸芾灼髟O(shè)計(jì)動作值偏低，使得在弧光接地情況下避雷器反復(fù)動作，導(dǎo)致避雷器不僅要承受弧光接地帶來的高電壓，還需要反復(fù)忍受工頻放電能量，增大了避雷器損壞的風(fēng)險，反復(fù)動作與工頻放電能量的結(jié)合，使得避雷器在事故中扮演了不良的角色。

在事故分析的初期，對避雷器進(jìn)行解剖是關(guān)鍵的步驟，而解剖過程中的發(fā)現(xiàn)揭示了制作工藝上的明顯瑕疵，瑕疵是導(dǎo)致事故中發(fā)生的重要因素，促成了避雷器的失效；事故中解剖發(fā)現(xiàn)，該型號避雷器采用了環(huán)氧筒套裝結(jié)構(gòu)，但是該結(jié)構(gòu)相對簡單，很難保證閥片側(cè)面的爬電安全，閥片側(cè)面的爬電安全對于避雷器的正常運(yùn)行具有重要作用，而制作工藝簡單的結(jié)構(gòu)存在缺陷，增加了閥片爬電的風(fēng)險；在制作過程中，硅橡膠壓模封裝是常見的工藝，然而解剖庫存避雷器時發(fā)現(xiàn)，閥片表面存在殘留的硅橡膠，殘留導(dǎo)致閥片與其他部件之間的不良接觸，影響避雷器的正常運(yùn)行，進(jìn)而對系統(tǒng)的安全性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[3]。

在事故中，保護(hù)熔斷器未能快速開斷是造成接地變壓器故障燒損的重要原因，故障點(diǎn)的接地阻抗突然下降主要是由于設(shè)備故障、絕緣損壞或其他因素引起，導(dǎo)致故障電流的急劇增加，使得熔斷器需要迅速響應(yīng)，然而如果熔斷器設(shè)計(jì)不當(dāng)或存在故障，就無法在短時間內(nèi)完成快速開斷；單相短路電流的劇增表明系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的電氣故障，熔斷器應(yīng)當(dāng)能夠迅速斷開電路，防止進(jìn)一步的損壞，但是熔斷器的額定電流或快速開斷特性不符合實(shí)際需求，導(dǎo)致在高電流條件下無法快速開斷；熔斷器在流經(jīng)大電流時會產(chǎn)生熱量，熱量無法迅速散失或熔斷器設(shè)計(jì)存在缺陷，就導(dǎo)致繞組的過熱，最終導(dǎo)致開裂和噴弧，造成熔斷器動作的延遲，失去快速開斷的效果。此外，單相短路電流的異常增加是事故的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，短時間內(nèi)無法迅速切斷高電流導(dǎo)致設(shè)備過載和燒損。

4 35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故處理措施

4.1 優(yōu)化避雷器選型

在重新選型避雷器之前，首先需要全面評估35kV變電站的電氣系統(tǒng)參數(shù)，包括系統(tǒng)電壓、電流特性、接地變壓器的額定電流和額定電壓等，通過對參數(shù)的詳細(xì)了解，可以為選型提供準(zhǔn)確的依據(jù)，確保新避雷器符合系統(tǒng)實(shí)際需求；重新選型避雷器時，要考慮35kV 變電站的電氣系統(tǒng)頻率與波形，不同系統(tǒng)頻率和波形對避雷器的性能有不同的要求，需要確保選擇的避雷器在實(shí)際運(yùn)行中能夠有效工作，防范因頻率和波形變化導(dǎo)致的問題。在遭受接地變壓器故障燒損事故后，需要對系統(tǒng)故障模式進(jìn)行深入分析，了解故障模式有助于確定新避雷器的性能需求，不同的故障模式對避雷器的選擇產(chǎn)生不同的影響，因此需要有針對性地進(jìn)行選型；重新選型避雷器時，需注意技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化選擇，包括擊穿電壓、動作電流、動作時間等，優(yōu)化參數(shù)可以提高避雷器在系統(tǒng)中的適應(yīng)性和響應(yīng)速度，從而更好地保護(hù)電氣設(shè)備免受過電壓的影響。根據(jù)35kV 變電站的實(shí)際需求，需要選擇合適的避雷器類型，常見的避雷器類型包括氧化鋅避雷器、鋇鎢避雷器等，不同類型的避雷器具有不同的特性，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇，以確保其在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)揮最佳作用；在確定了新的避雷器選型方案后，需要進(jìn)行全面的試驗(yàn)與驗(yàn)證，包括在實(shí)驗(yàn)室條件下對避雷器進(jìn)行性能測試，以及在35kV 變電站實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證，通過試驗(yàn)與驗(yàn)證可以確保新選型的避雷器能夠穩(wěn)定可靠地工作[4]。

4.2 優(yōu)化熔斷器選型

熔斷器在電氣系統(tǒng)中擔(dān)任著過電流保護(hù)的關(guān)鍵角色，合理選擇熔斷器可以更有效地隔離故障、保護(hù)設(shè)備、減小事故影響范圍，而在35kV 變電站接地變壓器的故障處理中，優(yōu)化熔斷器選型顯得尤為重要。在優(yōu)化熔斷器選型時，需要充分考慮接地變壓器的負(fù)載特性，不同的負(fù)載情況導(dǎo)致過電流的幅度和持續(xù)時間不同，因此應(yīng)選擇熔斷器具有較寬的過載容量范圍，以適應(yīng)不同負(fù)載條件；瞬時過載和熱過載是熔斷器需要考慮的兩個主要因素，瞬時過載是由于短路等突發(fā)事件引起的，而熱過載則是由長時間的過載引起，熔斷器的選型應(yīng)兼顧兩個方面，確保在短時間內(nèi)迅速動作，同時能夠承受一定時間的額定負(fù)載；根據(jù)35kV 變電站接地變壓器的具體情況，選擇適用的熔斷器類型也是優(yōu)化選型的關(guān)鍵，常見的熔斷器類型包括高壓熔斷器、熔斷開關(guān)等，其工作原理和適用場景有所不同，需根據(jù)變電站的實(shí)際需求和設(shè)備特性進(jìn)行選擇；35kV 變電站通常處于惡劣的環(huán)境中，例如高溫、高濕等，在熔斷器選型時需要考慮環(huán)境因素對設(shè)備的影響，選擇具有良好環(huán)境適應(yīng)性的熔斷器，確保其穩(wěn)定可靠運(yùn)行；在確定熔斷器選型之前，可以通過系統(tǒng)仿真和實(shí)際試驗(yàn)來驗(yàn)證所選熔斷器的性能，通過模擬不同故障情況，檢驗(yàn)熔斷器的動作時間、動作特性等，以確保其能夠在實(shí)際故障發(fā)生時快速而可靠地動作。

4.3 構(gòu)建故障信息收集系統(tǒng)

在接地變壓器的關(guān)鍵位置部署各類傳感器，包括溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等，傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化，一旦發(fā)生異常，即可產(chǎn)生報(bào)警信號，通過信息收集系統(tǒng)傳送到監(jiān)控中心；引入智能監(jiān)測裝置，通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對接地變壓器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，裝置能夠通過網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑹占到y(tǒng)，形成完整的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。對35kV 變電站的遙測遙控系統(tǒng)進(jìn)行升級，使其具備更強(qiáng)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性，通過遙測遙控系統(tǒng)，可以實(shí)時獲取接地變壓器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時可以對設(shè)備進(jìn)行遙控，提高設(shè)備運(yùn)行的可控性；采用紅外熱像技術(shù)，對接地變壓器的熱情況進(jìn)行監(jiān)測，通過紅外熱像技術(shù)可以直觀地觀察設(shè)備的熱分布情況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障點(diǎn)，為故障的提前預(yù)警提供可靠依據(jù)。在關(guān)鍵的設(shè)備位置安裝攝像頭，建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的外部情況，如果發(fā)生異常，能夠通過圖像傳輸迅速反饋到信息收集系統(tǒng)；利用先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，對接地變壓器的故障信息進(jìn)行深度分析，通過故障診斷技術(shù)，可以精準(zhǔn)地判斷故障的類型、位置以及可能的原因，為事故處理提供有力支持[5]。

4.4 及時更換裝置損壞元器件

接地變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其元器件的正常運(yùn)行直接關(guān)系到電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性，發(fā)生元器件損壞后，如果不能及時更換將導(dǎo)致設(shè)備進(jìn)一步損壞，甚至引發(fā)事故，所以需要及時更換裝置損壞元器件。為了及時發(fā)現(xiàn)裝置元器件的潛在故障，需要建立定期的巡檢和監(jiān)測機(jī)制，通過使用先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備，包括紅外熱像儀、振動傳感器等，對接地變壓器的元器件進(jìn)行全面、細(xì)致的監(jiān)測，以提前發(fā)現(xiàn)元器件的異常情況；根據(jù)巡檢和監(jiān)測的結(jié)果以及維護(hù)記錄，制定科學(xué)合理的元器件更換計(jì)劃，該計(jì)劃應(yīng)包括元器件更換的時機(jī)、更換的具體步驟、更換所需的時間等詳細(xì)信息，從而可以有序地進(jìn)行元器件更換工作，最大限度地減小對電網(wǎng)的影響；建立完善的備件管理體系，確保所需的元器件備件能夠隨時準(zhǔn)備就緒，備件儲備應(yīng)充足，并進(jìn)行分類管理，以便在發(fā)生故障時能夠迅速調(diào)配，并確保更換元器件的高效進(jìn)行。

5 結(jié)語

35kV 變電站事故前的運(yùn)行方式表明系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下，設(shè)備分布合理，供電能力充足，事故后的分析顯示出一些潛在的問題，如干式接地變壓器絕緣老化、熔斷器熔斷、避雷器擊穿等。為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，建議優(yōu)化避雷器與熔斷器選型，并對設(shè)備進(jìn)行定期檢測與維護(hù)，加強(qiáng)對監(jiān)測設(shè)備的功能評估，以及強(qiáng)化事故發(fā)生后的詳細(xì)記錄與分析。