一起電纜頭故障引起的孤網(wǎng)運(yùn)行事故的分析和探討

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一起電纜頭故障引起的孤網(wǎng)運(yùn)行事故的分析和探討

曾文清

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司能源總廠，安徽馬鞍山243000）

【摘要】介紹了一起220 kV主變35 kV側(cè)電纜頭故障的情況，分析了事故原因和防范措施，并對此起事故引起的孤網(wǎng)運(yùn)行事故進(jìn)行了分析和探討，提出了企業(yè)供電系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行的控制措施和應(yīng)對原則。

【關(guān)鍵詞】電纜頭；故障；孤網(wǎng)運(yùn)行；分析；應(yīng)對措施

1　概述

某鋼廠220 kV變電站由于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要（節(jié)省一臺主變的需量費(fèi)用），長期只有一臺220 kV的主變運(yùn)行。該變電站主要為煉鋼、熱軋、冷軋系統(tǒng)供電，自備電廠的3臺發(fā)電機(jī)組（153 MW CCPP發(fā)電機(jī)、135 MW燃煤發(fā)電機(jī)、60 MW全燒高爐煤氣發(fā)電機(jī)）通過2條110 kV的聯(lián)絡(luò)線在該變電站110 kV母線并網(wǎng)。

2　事故經(jīng)過

2015年3月4日1:40分，調(diào)度人員發(fā)現(xiàn)該變電站35 kV III段母線C相電壓為零，AB兩相電壓升高為線電壓，立即通知巡檢人員到現(xiàn)場進(jìn)行檢查，并聯(lián)系鋼軋廠停2250、1580熱軋主傳動（35 kV）負(fù)荷。

2：08分，自備電廠一臺CCPP發(fā)電機(jī)組跳機(jī)，隨后，自備電廠3條110 kV供電線路低周減載動作跳閘。此后，孤網(wǎng)系統(tǒng)開始進(jìn)入相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2：19分，孤網(wǎng)系統(tǒng)并入外網(wǎng)大系統(tǒng)，鋼軋區(qū)110 kV系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行。孤網(wǎng)運(yùn)行時間持續(xù)15 min。

3　事故原因分析

3.1事故還原和動作順序

根據(jù)現(xiàn)場檢查，故障點(diǎn)有兩處：分別是主變35 kV側(cè)引下線C相電纜頭、35 kV II段母線進(jìn)線柜302開關(guān)電纜頭（主變35 kV側(cè)是通過電纜連接進(jìn)入35 kV高壓開關(guān)柜）。根據(jù)現(xiàn)場情況和故障錄波曲線分析，故障的發(fā)生順序應(yīng)是1：40分主變35 kV側(cè)引下線C相電纜頭絕緣擊穿接地，2：04分35 kV II段母線進(jìn)線柜302開關(guān)A相電纜頭由于電壓升高擊穿造成三相弧光接地短路，導(dǎo)致主變差動保護(hù)動作跳閘。

故障錄波曲線如圖1、圖2所示。

3.2電纜頭故障點(diǎn)檢查和分析

（1）主變側(cè)故障點(diǎn)

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如圖3所示，該處為電纜屏蔽線連接和緊固金屬環(huán)下絕緣層破壞導(dǎo)致電纜通過屏蔽接地線接地引起單相接地故障。故障的原因是由于屏蔽接地線焊接不牢、松動，再加上電纜兩端屏蔽線直接接地形成環(huán)流等因素造成銅屏蔽層局部發(fā)熱，使電纜主絕緣老化擊穿。

圖1　1：40分電纜單相接地故障錄波曲線（持續(xù)時間23 min）

圖2　2：04分電纜三相弧光短路故障錄波曲線（故障持續(xù)時間50 ms左右）

圖3　主變35 kV側(cè)引下線C相電纜頭故障情況

（2）開關(guān)側(cè)故障點(diǎn)

如圖4所示，該處電纜頭制作工藝粗糙，在剝切半導(dǎo)電層時，刀頭插入電纜主絕緣形成了劃痕，部分半導(dǎo)電層碎片也會同時嵌入電纜主絕緣層，造成電纜主絕緣下降，在C相電纜發(fā)生單相接地后，由于A相電壓升高，導(dǎo)致電纜擊穿。

圖4　開關(guān)側(cè)A相電纜頭故障情況

4　應(yīng)對措施

（1）對220 kV主變系統(tǒng)35 kV電纜及電纜頭進(jìn)行了全面檢查和試驗(yàn)，鑒于電纜頭制作上存在問題以及電纜運(yùn)行時間已超過8年，對此段20 m左右的35 kV連接電纜進(jìn)行了更換，對所有電纜頭全部進(jìn)行了更換和重新制作，制作過程嚴(yán)格把關(guān)，保證電纜頭的制作質(zhì)量。

（2）對電纜兩端屏蔽線的接地方式進(jìn)行了改造，其中一端仍然采用直接接地，另外一端通過過電壓保護(hù)器接地，防止屏蔽線產(chǎn)生過大的環(huán)流，減少接地線連接處發(fā)熱的幾率。

（3）對主變套管、接頭以及35 kV電纜頭等開展紅外測溫工作。通過加強(qiáng)設(shè)備的點(diǎn)檢巡視工作，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀況和發(fā)熱缺陷，提前對設(shè)備缺陷進(jìn)行處理，有效防止事故的發(fā)生。

（4）加強(qiáng)運(yùn)行和調(diào)度管理，提高運(yùn)行和調(diào)度人員的素質(zhì)，強(qiáng)化事故演練，提高緊急狀況下的應(yīng)對能力。

5　系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行狀況分析

主變跳閘前從外系統(tǒng)吸入的負(fù)荷在64 MW左右，如圖5所示，2：04：00，主變跳閘后孤網(wǎng)系統(tǒng)的頻率立即下降到46.2 Hz，由于此時受系統(tǒng)短路和電壓、頻率波動影響，制氧機(jī)、冷軋多條產(chǎn)線跳機(jī)，系統(tǒng)頻率突升至53 Hz以上；2：08：00，CCPP發(fā)電機(jī)組由于系統(tǒng)頻率高跳機(jī)，系統(tǒng)頻率再次跌落到43.5 Hz；2：08分21秒，110 kV線路塘原761、塘原762低周減載動作跳閘；2：09分39秒，塘煉764線路低周減載動作跳閘。隨后，系統(tǒng)頻率在2臺發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)作用下，逐步上升。可見，線路低周減載對小系統(tǒng)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行具有較大的作用。由于受發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)性能影響，自2：12：30～2：19：00，發(fā)電機(jī)組發(fā)生振蕩，孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率波動范圍:47.2 Hz~54.2 Hz。2：19：00孤網(wǎng)系統(tǒng)并入外網(wǎng)大系統(tǒng)后，頻率開始穩(wěn)定。

圖5　孤網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行頻率趨勢曲線圖

從本次孤網(wǎng)運(yùn)行過程分析來看，制氧機(jī)、冷軋鍍鋅、酸軋、酸洗、連退等產(chǎn)線受系統(tǒng)電壓和頻率波動的影響大，無法正常生產(chǎn)；CCPP機(jī)組無法適應(yīng)孤網(wǎng)運(yùn)行要求發(fā)生跳機(jī)，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率過低，3條110 kV線路低周減載動作，甩掉了大量負(fù)荷。60 MW、135 MW發(fā)電機(jī)雖然維持住系統(tǒng)的孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，但機(jī)組發(fā)生振蕩，調(diào)速系統(tǒng)適應(yīng)孤網(wǎng)運(yùn)行的性能還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

6　系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行的控制措施和應(yīng)對原則

6.1根據(jù)運(yùn)行方式需要及時調(diào)整負(fù)荷

當(dāng)自備電廠和企業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)的2條聯(lián)絡(luò)線或其上級變電所和系統(tǒng)的2條聯(lián)絡(luò)線有1條處于檢修狀態(tài)等運(yùn)行方式下，自備電廠和系統(tǒng)的聯(lián)系變得薄弱。在出現(xiàn)這些運(yùn)行方式時，要提前調(diào)整系統(tǒng)負(fù)荷，盡量使正常運(yùn)行的單一聯(lián)絡(luò)線的負(fù)荷趨近于零，這時即使出現(xiàn)聯(lián)絡(luò)線跳閘，自備電廠帶部分負(fù)荷孤網(wǎng)運(yùn)行的情況，孤網(wǎng)系統(tǒng)的頻率和電壓波動也不會太大，容易維持孤網(wǎng)運(yùn)行。

6.2科學(xué)合理的調(diào)度指揮

（1）調(diào)度人員對孤網(wǎng)運(yùn)行應(yīng)該有相應(yīng)的事故預(yù)案并進(jìn)行定期的演練，當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行時，才能夠從容對待和調(diào)度處理。

（2）發(fā)生孤網(wǎng)運(yùn)行后，應(yīng)及時通知用戶盡量保持負(fù)荷穩(wěn)定，不要啟用沖擊性的負(fù)荷。

（3）如果煉鋼LF爐和熱軋等沖擊負(fù)荷正在生產(chǎn)，并且對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅時，要求其先后逐步停止生產(chǎn)，并且在條件允許時盡可能逐步降低負(fù)荷，以免對電網(wǎng)造成沖擊。

6.3合理設(shè)置線路低頻減載

對自備電廠升壓站及與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)的變電站的110 kV部分線路設(shè)置低頻減載功能，這些線路可以在系統(tǒng)低頻運(yùn)行時按整定值以一定的順序先后切除。低頻減載裝置是孤網(wǎng)系統(tǒng)維持孤網(wǎng)運(yùn)行的有利條件和控制措施之一，當(dāng)孤網(wǎng)系統(tǒng)頻率偏低時可以自動切除部分負(fù)荷，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6.4發(fā)電機(jī)維持孤網(wǎng)運(yùn)行的優(yōu)化措施

最關(guān)鍵的維持孤網(wǎng)運(yùn)行的措施是對機(jī)組的DEH調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改造。可以考慮采取以下優(yōu)化措施：

（1）在汽輪機(jī)數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)（以下簡稱DEH）并網(wǎng)前具有轉(zhuǎn)速自動控制和并網(wǎng)后具有有功負(fù)荷自動控制功能的基礎(chǔ)上，增加孤網(wǎng)運(yùn)行后頻率自動控制功能，并設(shè)置孤網(wǎng)運(yùn)行DEH按頻率自動調(diào)節(jié)判據(jù)。判據(jù)的設(shè)立可以考慮選擇發(fā)電機(jī)并網(wǎng)開關(guān)位置信號以及與系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的開關(guān)位置信號，當(dāng)發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)發(fā)電的狀態(tài)下，如果發(fā)生唯一的聯(lián)絡(luò)線開關(guān)跳閘的情況，通過相應(yīng)的開關(guān)位置信號判斷回路，自動將DEH調(diào)速系統(tǒng)切換至自動調(diào)頻狀態(tài)，以適應(yīng)孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)維持孤網(wǎng)運(yùn)行的可能性。

（2）對機(jī)組的一次調(diào)頻的上下限等參數(shù)進(jìn)行研究和調(diào)整，使其適應(yīng)孤網(wǎng)運(yùn)行后頻率波動較大的工況。

（3）對出現(xiàn)孤網(wǎng)運(yùn)行后的DEH控制方式進(jìn)行及時調(diào)整，考慮選用“閥控”方式，并采用“單閥”方式運(yùn)行等措施來提高調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)能力。

6.5孤網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)和恢復(fù)

當(dāng)自備電廠帶著部分系統(tǒng)負(fù)荷維持住孤網(wǎng)運(yùn)行的狀態(tài)時，就必須考慮整個孤網(wǎng)系統(tǒng)重新并入電網(wǎng)的問題，也即聯(lián)絡(luò)線路必須具有同期并網(wǎng)功能。一般情況，自備電廠都有同期并網(wǎng)裝置，在設(shè)計時，要將電廠和系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線開關(guān)納入同期裝置。另外，如果自備電廠升壓站通過企業(yè)內(nèi)部樞紐變電所和外部電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)時，樞紐變電所和外部電網(wǎng)的2條聯(lián)絡(luò)線也需要具備同期并網(wǎng)功能。如果由于設(shè)計原因樞紐變電所不具備同期并網(wǎng)條件，在出現(xiàn)自備電廠帶著樞紐變電所孤網(wǎng)運(yùn)行情況時，可以先空出電廠和內(nèi)部樞紐變電所的其中一條聯(lián)絡(luò)線以及內(nèi)部樞紐變電所的一條母線，在系統(tǒng)來電倒送至這條聯(lián)絡(luò)線上時，利用電廠側(cè)聯(lián)絡(luò)線開關(guān)將孤網(wǎng)系統(tǒng)同期并入外部系統(tǒng)電網(wǎng)。

7　結(jié)語

電纜頭的材料和制作工藝、屏蔽層的接地方式以及運(yùn)行過程中的溫度監(jiān)測等是35 kV電纜安全運(yùn)行的關(guān)鍵，必須高度重視；供電系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行嚴(yán)重威脅企業(yè)的生產(chǎn)安全，在供電運(yùn)行方式薄弱時，應(yīng)提前制定相關(guān)的控制措施和應(yīng)對原則，提高系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

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Analysis and Discussion of an Isolated Grid Accident Caused by Cable Head Failure

ZENG Wenqing

(General Power Plant of Maanshan Iron & Steel Co., Ltd., Maanshan, Anhui 243000, China)

【Abstract】A 35 kV side cable head failure of the 220 kV main transformer is introduced. The causes of the failure and preventive measures are analyzed while the isolated power grid operation accident caused by the failure are also analyzed and discussed. Control measures and principle of coping for isolated grid operation in enterprise power supply system are put forward.

【Keywords】cable head; failure; isolated grid operation; analysis; countermeasures

作者簡介：曾文清（1969－），男，1991年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，高級工程師，現(xiàn)從事供用電專業(yè)技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015－09－22

【文章編號】1006-6764(2015)12-0017-03

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【中圖分類號】TM247