雷擊引起的變電站直流系統故障分析及處理

陳達文，胡敏

（國網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故障分析及處理

陳達文，胡敏

（國網湖南省電力公司長沙供電分公司，湖南長沙410015)

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

直流系統；充電裝置；故障分析；應急處理；反事故

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

1 故障概況

1.1 設備運行方式

該站直流系統配有1塊直流充電屏，屏內設4個艾默生HD22010－2型高頻開關充電模塊和1套艾默生PSM－E10型直流電源監控裝置，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，然后經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具備自動切換功能，交流接觸器通過機械聯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。在交流線路上設有防雷裝置以防止過電壓對充電模塊的沖擊。充電模塊經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監控裝置和站內網絡交換機上傳至監控中心和后臺機。正常運行狀態下控制母線電壓在222 V，合閘母線電壓在232 V，蓄電池端電壓為230 V。直流系統簡化接線原理如圖1所示。

圖1 110 kV某變電站直流系統接線原理

1.2 故障經過

在110 kV某變電站開展例行巡視時發現:該站直流充電屏交流電源指示燈滅，“系統故障”指示燈亮，直流電源監控裝置告警燈亮，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跳閘，現場簡化示意如圖2所示。交流饋電屏直流充電Ⅰ回、充電Ⅱ回空氣開關跳閘。直流監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。監控后臺機顯示直流母線及蓄電池電壓為230 V，調控中心監控端直流母線電壓為231 V，均顯示正常未降低，且無任何直流系統異常或告警信息上傳。測量蓄電池組端電壓已降低至186 V。

圖2 故障后現場直流充電屏指示簡化示意

2 故障原因分析

2.1 故障調查

在檢查過程中對地量取直流電壓存在電壓浮動，現場直流充電屏內1路、2路進線交流接觸器已明顯燒損，同屏內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，且屏內避雷器未裝設控制空開。屏內各充電模塊電源空開均在合位。站內單個蓄電池無明顯異常，單體電壓均已降至1.8 V左右。通信屏內規約轉換器和網絡交換機有明顯焦味。故障初步判斷為交流進線電源失電，全站直流系統由蓄電池組供電。通訊設備損壞導致站內設備監控數據及告警信號沒有及時刷新并發出。

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備上，持續時間達若干微秒。在全站防雷措施的基礎上，該站直流電源系統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，站內未敷設等電位接地網，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，進一步導致避雷器內部阻性電流和功率損耗增大，內部壓力和溫度升高的同時導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計單獨配置空氣開關，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致熔焊損毀，同時產生大量熱量導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跳閘，由于1路交流進線開關與上一級交流饋線柜內的充電Ⅰ回開關極差配合不當(均為40A)，充電Ⅰ回開關也一并跳閘。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，導致2路接觸器同樣過熱燒損，2路交流進線開關與同級配置的充電Ⅱ回開關亦跳閘，充電模塊失電退出運行，蓄電池供全站直流負荷。

2.4 后臺及監控無信號上傳原因分析

故障時頻繁雷擊引發的直接接地及站內接地網的不完善同時導致直流充電屏與站內監控系統進行通訊的通信規約轉換器和通訊網關損毀，直流遙信、遙測及告警等異常信息不能上傳至后臺及調度端。同時由于該直流系統在安裝調試時未考慮制作規約轉換器和通訊網關失電的告警信號點表，以致故障發生后監控中心不能及時發現故障，只能通過運維人員的例行巡視發現，導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，相應增大了此次故障的風險。

綜合現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。相關網絡通信設備同時損毀，故障信號未及時上傳，未能及時監視到故障發生。

3 處理及反事故措施

3.1 故障處理過程

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

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，恢復直流系統供電。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場后立即外接入臨時充電模塊充電恢復直流系統供電，對蓄電池充電，制定消缺方案并做好全站失壓預控措施，并監視蓄電池的運行狀態。

4)檢修人員逐段進行排查，發現直流充電屏內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，隨后將屏內防雷接地單元三相交流避雷器更換為同型號成熟可靠產品，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路交流進線開關進行互投試驗驗證自動投切正確。各新設備部件試驗合格后，用直流屏對蓄電池組進行充電，控母電壓恢復至225.6 V。單個蓄電池電壓恢復至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)經自動化專業排查，監控信號不上傳為通信規約轉換器和通訊網關故障，廠家更換該轉換器和網關后通訊恢復正常，并與監控中心監控員核對遙信、遙測信號無誤。

3.2 反事故措施

1)完善等電位接地網。故障檢查中發現，對地量取直流電壓存在電壓浮動問題，該站全站未敷設等電位接地網，對避雷器絕緣降低被擊穿和通訊設備的損毀存在影響。《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》(2012版)15.7.3條規定:宜根據開關場和一次設備安裝的實際情況，敷設與廠、站主接地網緊密連接的等電位接地網〔4〕。該變電站2007年進行綜自改造時還沒有反措要求設置專門的等電位接地網。直流系統恢復后，二次專業檢修人員對該站內主控室二次屏柜與主接地網的連接情況開展排查，確保屏柜與主接地網接觸良好。

2)加強空氣開關的上、下級的級差配合管理。嚴格開展空氣開關容量和級差配合排查，結合停電計劃按級差要求逐步更換。保證所有空氣開關的特性、質量滿足 《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)的相關要求，避免1路空氣開關故障時再次出現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備特巡力度。同時結合巡視和檢修嚴格參照 《站用直流電源系統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)完善直流系統的監控。故障發生后，相關遙信信號和直流電壓遙測信號沒有上傳至調控主站，除網絡通訊設備損壞外，調控主站部分點表信號(如此次網絡通訊設備故障告警)的缺失也是原因之一。針對該公司 《110 kV變電站典型監控信息表》中關于直流屏信號未作要求但影響直流系統運行的信號，將與上級部門進行匯報溝通，將影響直流系統運行的信號納入調控端監控范圍，并逐步完成信號添加和核對工作。

5)后續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，檢驗站內蓄電池的工作狀態和直流電源系統設備性能，充分保證直流系統功能正常。設備試驗數據若不符合相關標準要求，應及時進行更換和維修〔5〕。惡劣天氣或雷電活動頻繁的時期，結合帶電檢測的開展，加強對各變電站的巡視、監視。

4 結論

例行巡視過程發現此起變電站雷擊導致的直流系統故障，仔細排查和分析確定了故障發生的主要原因，妥善處置后消除了隱患。此類故障是直流屏柜內防雷裝置異常導致變電站重要的直流系統發生故障的一個典型事例，同時接地網、空開的配置、通訊設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，重者可能導致全站直流失壓、無保護運行發生越級跳閘，嚴重影響電網設備的安全穩定運行。結合此次故障，分別從設備隱患排查、設備運行維護以及加強設備特性試驗和帶電檢測等方面提出了預防和反事故措施，以確保變電站直流系統的可靠運行。

〔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故障分析 〔J〕.湖南電力，2015，35(5):51-53，56.

〔3〕國家電網公司電力生產事故調查規程 〔S〕.北京:中國電力出版社，2005.

〔4〕國家電網公司十八項電網重大反事故措施 〔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，工學碩士，研究方向為智能變電站運維、直流電源系統技術。

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，工學碩士，研究方向為電力系統繼電保護及自動化技術、直流電源系統技術。