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，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，廣東廣州510640)

通過分析一例35 kV母線短路故障發案例及其設備損壞情況，梳理了故障產生原因。中、低壓電網面臨著短路電流水平不斷增大、35 kV線路未配置快速保護、間歇性弧光接地過電壓、腐蝕性物質污染嚴重的地區絕緣配置不當等問題，增大了母線發生短路的風險，發生短路故障后對電網及設備的危害趨于嚴重，提出了相應的應對措施。

35 kV母線；復合套管；污閃；母差保護；弧光接地過電壓；中性點不接地；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，適用于用戶較為分散的廣大農村地區的電力輸送任務〔1-5〕。隨著國內電網裝機容量在不斷增大、跨區域電網互聯程度在不斷加強，35 kV系統的短路電流值也在不斷提高，發生短路故障時，對電網和設備產生了更大的危害〔6〕。

為提高供電可靠性，國內35 kV系統中性點一般采用經消弧線圈的非有效接地方式，單相接地故障時，非故障相電壓升高為線電壓，特別是發生間歇性弧光接地情況下，非故障相電壓最高可達3.5倍相電壓，很容易造成系統中的絕緣薄弱點發生擊穿，引起相間短路事故〔7-10〕。此外，對降壓變電站的35 kV母線側一般不配置母差保護，采用主變后備保護延時Δt切除母線故障，在母線短路電流值不斷增大的前提下，延時越長，危害越大〔11〕。

某些變電站母線大量采用復合絕緣子、出線電纜頭等設備老化，絕緣性能降低，成為系統中的絕緣薄弱點，母線短路故障風險不斷增大〔12〕。一旦發生短路，強大的短路電流將在系統中持續時間長達Δt。文中以某110 kV變電站35 kV母線故障為例，分析故障過程、原因以及對電網和設備造成的危害，提出了相應的限制短路措施。

1 東堂變簡介

圖1 東堂變35 kV系統一次接線圖

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

圖1為東堂變35 kV系統一次接線圖，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線路。正常方式下，東堂變2臺主變并列運行供35 kV負荷，1號主變中性點5×16隔離開關合，35 kV消弧線圈投1號主變。

2 事故經過

10月1日9時38分，監控中心匯報東堂變2號主變中后備保護動作，跳開母聯400斷路器、2號主變420斷路器，跳閘前有接地現象；

9時40分，用戶華湘化工反應東許線停電，東堂變內有劇烈爆炸聲；

10時30分，運維人員到達現場檢查設備，匯報東堂變設備情況:①4002-4003隔離開關之間導線靠母聯400斷路器側 B相套管炸裂；②4002-4003隔離開關之間導線靠母聯400斷路器側C相懸式瓷瓶炸裂；③2號主變與2號主變420斷路器之間C相導線斷線懸空；④東街線408斷路器與4083隔離開關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母線故障保護及預告信號明細表

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

3 設備損壞情況

現場檢查結果，本次跳閘事故造成的故障點有3處:東街線408斷路器室外穿墻套管處，母聯4002隔離開關室外穿墻套管處，2號主變4023隔離開關靠主變側。

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，放電點面積大，有數個圓珠結晶球，最嚴重點處墻已被擊約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4002室外穿墻套管

經檢查發現母聯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，三相導線多處有明顯放電點。穿墻套管固定鐵板尖角處及上方墻面有明顯放電痕跡，放電點成淡黃色，有數個結晶球。B相室外穿墻套管從卡福處到固定板外絕緣均開裂，外絕緣破壞嚴重，卡福處法蘭已開裂，燒蝕嚴重，有白色碳灰，接線板處燒蝕嚴重。B相引下線燒蝕最為嚴重，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。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

2號主變4203隔離開關C相靠2號主變側卡福燒斷導致引線斷脫，線夾也有輕微燒傷。4203隔離開關A相2個線夾均燒蝕嚴重，靠主變側線夾緊固螺栓燒蝕嚴重，螺絲擰不開。其他線夾均有燒蝕，接線座導電桿燒蝕嚴重。

4 事故原因分析

110 kV東堂變處于e級污區，絕緣子、套管受污穢、腐蝕性物質的污染和腐蝕，絕緣性能嚴重降低。按照發展過程，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相穿墻套管發生污穢閃絡:①東堂變35 kV母線 “接地”信號發信；②板子樓電廠消弧消諧柜 “B相弧光接地”信號發信。35 kV母線A，C相電壓升高為相電壓，同時，由于B相弧光接地，A，C相產生弧光接地過電壓，圖2所示為建立東堂變35 kV系統的電磁暫態仿真模型得到的A，C相電壓波形。

圖2 中性點不接地系統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420斷路器流入故障點，另1條是由1號主變、板東線經 410斷路器、母聯 400斷路器、4003、4002隔離開關流入故障點。由1號主變經410斷路器、母聯400斷路器、4003、4002隔離開關流入故障點的短路電流發熱，引起受污染和腐蝕的母聯4002隔離開關室外B相穿墻套管復合絕緣筒爆裂，B，C相引下線燒蝕嚴重，B，C相線夾燒蝕嚴重，產生放電痕跡，強大的短路電流引起機械振動使母聯4002隔離開關室外母線連接線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420斷路器流入故障點的短路電流使2號主變4203隔離開關C相靠2號主變側卡福燒斷導致引線斷脫，線夾有放電痕跡。

4)由于故障點位于東街線408斷路器TA靠母線側，408斷路器TA無法檢測故障電流，保護不動作。短路電流超過7 000 A，2號主變中壓側后備保護動作，1.6 s后跳開母聯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備損壞多達9處，也對整個電網產生了重大影響，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裝機容量為12 MW，并入東堂變35 kV系統后，東街線408斷路器發生相間接地短路故障時，短路電流由3部分組成:一是東堂變110 kV系統經1號主變410斷路器—35 kVⅠ母—母聯400斷路器—母聯4001隔離開關—母聯4002隔離開關流入故障點；二是東堂變110 kV系統經2號主變420斷路器—35 kVⅡ母流入故障點；三是板子樓1G經板東線—東堂變35 kVⅠ母—母聯400斷路器—母聯4001隔離開關—母聯4002隔離開關流入故障點。故障點東街線408斷路器B，C相套管處故障電流最大，設備損壞最嚴重，其次是母聯4002隔離開關B，C相套管處短路電流較大，設備損壞程度次之；短路電流最小的2號主變420斷路器靠主變側C相卡福燒斷，設備損壞程度最小。經計算，東堂變35 kV母線最大短路電流超過7 000 A，遠遠超過了室外穿墻套管的額定電流值，造成了設備損壞。針對東堂變結構及運行方式情況，應采取相應措施，限制短路電流，例如:停運東堂變1號主變，由2號主變單供35 kV負荷；在板子樓電廠35 kV出線端增加限流電抗器。對于東堂變內某些不能滿足短路水平要求的設備，應及時更換。

2)重腐蝕性物質污染地區變電站不宜采用復合絕緣子

相對于玻璃絕緣子和瓷絕緣子，復合絕緣子在耐受污性能和憎水性能方面具備較大優勢，已成為重污區絕緣子的首選。但其缺點為穩定性差，易老化，特別是在酸性、堿性物質和電磁環境下老化速度加快〔14-15〕。 東堂變東街線 408斷路器、 母聯4002隔離開關室外穿墻套管均采用復合材料絕緣套管，在東堂變所處地區腐蝕性物質污染嚴重的情況下，已嚴重老化，耐污性能降低、絕緣性能降低，成為系統中的絕緣薄弱點。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污染較重的地區，不宜采用復合材料的絕緣子，應采用玻璃材質或者瓷質絕緣子。

3)35 kV母線故障無快速保護

國內110 kV變電站的中、低壓側母線一般不配置母差保護，采用主變后備保護切除母線故障。一般情況下，中、低壓側母線遠離電源點，短路電流小，同時發生母線故障的概率也較低，不配置母差保護能滿足系統穩定和經濟性的要求〔16〕。但隨著電力系統電壓等級的不斷升高和接入系統發電機組容量的不斷增大，使系統短路電流水平不斷增大，電網中的部分設備將有可能不能滿足短路電流水平的要求，若發生母線短路故障，將對整個系統造成重大影響〔17〕。例如某公司曾發生因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，已遠遠超過了絕緣套管的額定電流值。此次事故由2號主變中后備保護延時2 s完全切除短路故障，系統短路事故持續時間在2 s以上，不僅造成了東堂變站內設備的嚴重損壞，也造成了220 kV塘溪變1號、2號主變高壓側存在明顯的電流突然增大現象，用戶華磊光電反應站內電流有沖擊，對正常生產造成了影響，沖擊設備范圍廣、強度大，損壞嚴重。因此，對于短路電流水平大的母線，應配置母差保護，快速切除故障，確保電網安全，110 kV東堂變35 kV母線應配置母差保護。

4)中性點非有效接地系統弧光接地過電壓

對于中性點非有效接地的系統，發生單相弧光接地故障時，電弧的時燃時滅引起了電網運行狀態的改變，電弧燃燒時非故障相電壓突然升高而電弧熄滅時電壓又會降低，非故障相的對地電容和線路電感之間存在一個充放電過程，從而在非故障相一級故障相中產生遍及全系統的暫態過電壓，稱為弧光接地過電壓。理論分析及實測數據表明，中性點非有效接地系統發生間歇性弧光接地故障時，非故障相的過電壓幅值最高可達3.5倍的相電壓。

由圖2可知，由于故障相電弧的時燃時滅特性，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。在實際運行當中，電弧發展過程還受到電弧部位的介質及大氣條件的影響，東街線408斷路器B相套管表面積污嚴重，在陰雨東氣下發生閃絡引起弧光過電壓，導致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，對于中性點非有效接地系統，防止弧光接地過電壓的措施應從兩方面入手，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；二是防止系統發生弧光接地，例如及時清除絕緣子串表面的污穢，防止陰雨條件下發生污閃。

6 結論

1)東堂變35 kV母線短路故障的原因為東街線408斷路器室外B相穿墻套管受污、受潮情況下發生閃絡，引起間歇性弧光接地，C相穿墻套管電壓升高而發生擊穿，導致兩相接地短路故障，強大的短路電流流經故障點，延時2 s后切除，對電網和設備產生了極大的危害。

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

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

4)設備絕緣配置的選型應考慮所處環境的影響，重腐蝕性污染、重污穢程度的地區選擇復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。

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TM63

B

1008-0198(2016)04-0055-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.04.014

2016-01-15