變電所大修中低壓母線三相短路故障分析

劉永春

(廈門大學嘉庚學院，福建 廈門 363105)

0 引言

變電所通常是企業或者生產裝置電力負荷分配控制的中心，變電所設備主要包括高低壓開關柜、電力變壓器等。南方某特大型石化企業苯乙烯裝置變電所大修主要包括高低壓開關柜的更換、繼電保護的整組試驗以及大修后正式送電試運行等內容。變電所大修具有時間短，開關設備的拆卸、安裝任務重的特點，安全環節多，完成大修項目要比新建項目更復雜、危險更大；同時，大修涉及部門多，且受到人員素質、作業環境及施工進度等諸多因素的影響，安全管理難度大，稍有不慎，就可能出現安全紕漏，引發安全事故。

1 苯乙烯裝置變電所大修

該企業苯乙烯裝置變電所是一座靠近裝置區的2層小樓，1樓是電纜室，2樓是開關設備。變電所原安裝有12臺6 kV高壓開關柜和30多臺380 V低壓開關柜，這些開關設備是1995年連同生產裝置一起從意大利整體引進的。在設備航運過程中，由于受到海水浸蝕，許多電氣控制元件氧化嚴重，加上十多年的運行，設備暴露出很多問題，對苯乙烯裝置的安全、穩定生產都產生了比較大的影響。為此，在苯乙烯裝置大檢修期間，該企業決定對變電所的高、低壓開關設備進行全面的大修、更換和改造。

在12臺高壓開關柜中，有2臺6 kV/380 V的變壓器配電柜。變壓器(從意大利引進)容量均為2 000 kVA，一/二次的額定電流分別為183/2 886 A。變壓器高壓側各由高壓開關柜通過高壓電纜與6 kV母線Ⅰ，II段相連，低壓側各通過銅質母線排與低壓進線柜進線開關相連，低壓開關所帶2段低壓母線Ⅰ，II之間設聯絡開關。可見，變壓器兩側開關設備的更換不僅涉及高壓開關柜，也涉及低壓開關柜、低壓側配電母線排的拆裝。不難看出，這種檢修改造難度比較大。

大修開始后，由于2臺變壓器原有的低壓配電母線排接口與新的低壓開關柜連接部分并不配套，需要拆除，所以施工單位先將低壓柜頂部到變電所穿墻部分原有的一段母線排拆除，并根據母線與低壓進線柜入口處的相序排列，在拆開部位的母線端口上從右到左清楚標注N，A，A，A，B，B，B和C，C，C的辨識字樣。可以看出，從變壓器出來的低壓母線排是由10根母排組成，其中零線N只有1根，而A，B，C三相各由3根母排并聯組成。拆除之后，就步入新設備的安裝以及調試階段。

苯乙烯變電所的新設備安裝就位后，經過各項調試工作，具備試送電條件。在低壓母線拆除和安裝的過程中，苯乙烯變電所的電工班長、車間工程師、車間主任、機動科科長、企業的電氣老總等專業管理人員以及施工單位的專業技術人員等，先后在低壓進線柜的頂部對兩邊母線的連接相序一一都進行了核實和確認，并對變壓器的二次輸出端相序進行了核實和確認。經過確認，待兩邊母線的相序與拆除時的標注完全一致后，將變壓器二次低壓母線與新的低壓開關柜對應母線一一連接到位。

2 變壓器試送電時發生三相短路故障

2.1 故障現象

大修工作接近尾聲，首次送電時，2臺6 kV高壓進線柜、2段高壓母線以及母線PT柜都一次送電成功，運行正常。但是，接下來給2臺變壓器柜送電時卻出現了問題。

送電前，臨時拆開2臺變壓器低壓側中性點接地點，并斷開2臺變壓器對應的低壓母線Ⅰ，II聯絡開關，合上各自的低壓進線柜開關。檢測2臺變壓器6 kV高壓側對地的絕緣電阻以及高、低壓側間絕緣電阻，均為50 MΩ；檢測變壓器380 V低壓側連同出線母線排對地絕緣電阻值，均為0.5 MΩ。雖然低壓側的絕緣電阻偏低，但根據電氣專業的規程規定，0.5 MΩ也是符合規程要求的。

在第1次試送電時，2臺變壓器都發出差動保護動作信號，瞬時跳閘。根據這個情況，現場人員分析認為，可能是差動保護的整定值偏小，躲不過變壓器送電時的勵磁涌流。所以，將變壓器綜合保護整定值調出來進行核對，果然發現差動保護的整定值偏小。

隨后將整定值按要求調大，再對1號變壓器進行第2次試送電。當變壓器的高壓開關剛剛合閘，現場人員看到1號變壓器高壓配電柜200 A和6 kV高壓1號進線柜800 A的電流表指針瞬間都打到了頭，整個低壓Ⅰ段母線似乎與變電所的2樓樓板都發生了振動，并伴隨著強烈“嗡嗡”的交流聲，瞬間又來差動保護信號跳閘，之后恢復了平靜。

2.2 故障檢查

面對第2次送電后差動保護又動作跳閘的異常情況，現場人員感到蹊蹺。現場送電總指揮根據第2次送電時6 kV 1號進線柜電流表指針的擺度情況，推斷1號變壓器高壓側的電流已經遠遠超過1 000 A，這電流絕不是涌流過大的問題，而是一種短路故障，甚至可能是嚴重的三相短路故障。所以，總指揮排除繼續送試電意見，決定停止一切送電操作，將有關設備改檢修后，對變壓器的輸出配電環節進行全面檢查。

現場施工人員將變壓器的二次側與出口母線排全部拆開，并拆開二次側中性接地點；再從低壓進線柜入口處拆開與變壓器側配電母線排的連接，將變壓器的低壓配電母線排與變壓器、低壓開關柜完全分離。全面檢查相關各部分的絕緣電阻，確認變壓器高壓側對地、低壓側對地以及高、低壓側間絕緣正常，低壓開關柜內絕緣亦正常，但發現低壓三相母線排相間絕緣電阻為0.5 MΩ。此阻值較低，按理不會引起三相短路，因此懷疑500 V絕緣搖表存在問題。經校對，發現絕緣搖表回零值在0.5 MΩ的位置上，而不是在零位。校準后，重新測定該母線排的三相相間絕緣，搖表指針指在零位上。由此認定，低壓母線排確實存在三相短路故障。

3 查找低壓母線排的短路故障

變壓器低壓配電母線排出現三相短路故障，現場人員對變壓器配電母線的結構和接線方式進行進一步的分析。檢修前，變壓器低壓配電母線的結構示意如圖1所示，圖1(a)是變壓器低壓母線排安裝結構示意，圖1(b)是低壓母線排的展開及相序排列示意。其中，圖1(b)左側連接的是低壓進線開關柜，右側連接的是變壓器的二次輸出端。

圖1 檢修前的低壓配電母線排結構示意

從圖1(b)可以看出，母線兩端的相序排列是完全一致的，在其兩端有1，2號轉換箱。

圖2是檢修時的低壓母線拆除位置及安裝后的母線排結構示意，圖2(a)是大修安裝后的變壓器低壓母線排結構示意，圖2(b)是安裝后的低壓母線排展開及相序排列示意。圖2(b)左側的相序排列順序是大修施工單位按照大修前的低壓進線開關柜與母線拆開之前的相序標注，表面看起來與變壓器二次輸出的相序一致。

圖2 檢修拆除1號轉換箱后母線結構示意

從圖2可以看出，大修時拆除了母線入口處的1號轉換箱，安裝時將低壓進線開關柜與母線從拆除處直接連在了一起。如果母線存在短路故障，那么短路點就在2號轉換箱里。

操作人員和施工單位一起檢查了1號轉換箱，發現里面母線接線錯綜復雜，A，B，C三相進行了交叉換位，這說明母線2號轉換箱也進行了交叉換位，經過檢查果然如此。圖3就是母線帶有2個轉換箱時內部的母線布局相序示意。

從圖3可以看出，母線兩端的相序都是N，A，A，A，B，B，B，C，C，C的排列，且A，B，C三相每相都有3條母線并列連接。但是，在2個轉換箱之間相序變成了N，A，B，C，A，B，C和A，B，C的排列。在圖3中，可以看到2個轉換箱的真正用意是母線排的交叉換位。國內對母線排交叉換位比較少見，交叉換位可改善母線排的分布參數。

圖3 原母線內部接線示意

拆除1號轉換箱后，施工單位按照拆除處所標注的N，A，A，A，B，B，B和C，C，C的相序，將低壓進線開關柜與低壓母線排連在一起，但實際上接成N，A，B，C，A，B，C和A，B，C的交叉相序。拆除了1號轉換箱后，母線內部的相序接線如圖4所示。

圖4 拆除后的母線內部接線示意

從圖4可以看出，按照A，B，C的連接順序，9條母線分別與開關柜內的A，B，C相短接了3處，變成三相短路接線方式，導致一送電就跳閘。Ⅰ段低壓母線采用這種接線方式，導致發生三相短路故障；Ⅱ段低壓母線也采用同樣的接線方式，其內部發生三相短路故障，這是2號變壓器在第1次送電時跳閘的真正原因。

操作人員拆除了變壓器低壓配電母線排上的2號轉換箱，按照N，A，A，A，B，B，B，C，C，C的相序連接，用轉換箱中原有的銅母線重新接線，2臺變壓器很快送電成功。

4 故障原因分析

造成三相短路故障的原因很多，本次故障主要是“習慣性思維”惹的禍。

4.1 套用國內變壓器母線的安裝方式

國內變壓器低壓母線安裝方式是先按照A、B、C的相序集中排列(無換位)安裝，再對照原開關柜內母線的接線順序，而施工單位在拆除原母線后就標注了N，A，A，A，B，B，B，C，C，C的相序排列，并沒有考慮到國外變壓器配電母線連接方式的特殊性。

4.2 迷信領導和技術人員的檢查結果

在母線的拆卸、安裝、對接過程中，電工班長、電氣工程師、車間主任、機動科長、電氣負責人和施工單位的技術人員等都在現場進行檢查確認，未發現實際問題；事后也未對母線進行再檢查和再確認，造成問題一直未被及時發現。

4.3 完全信任施工單位

負責苯乙烯變電所大修的施工單位具有豐富的現場施工經驗，技術質量備受推崇，導致無人對其拆裝工作產生質疑。同時，在這種“信任”的支配下，業主對于施工單位關鍵質量控制點(如低壓母線排與變壓器和低壓開關柜連接前的相間絕緣電阻測量、兩端定相工作)疏于驗證，造成三相短路故障。

4.4 機械理解電氣規程

GB 26860—2011《電力安全工作規程 發電廠和變電站電氣部分》規定：“高壓電氣設備的絕緣電阻值不應低于1 MΩ/kV；380 V低壓設備的絕緣電阻值不應低于0.5 MΩ。”當時采用絕緣搖表的測量值為0.5 MΩ，在數值上符合規程規定的要求，導致無人質疑為何絕緣值如此之低。

4.5 少做事好過多做事

由于時間緊、大修任務重，出現“多一事不如少一事”的心理。在整個檢修過程中，無人對母線上拆下來的1號轉換箱提出質疑，更未將其打開查看，錯失了發現問題的機會。

5 經驗累積

現場送電總指揮面對各種意見，頭腦清醒，當機立斷停止一切送電操作，認真排查導致異常現象的原因，成功處置了故障。

如果此時給2號變壓器試送電，那么2號變壓器低壓母線也會發生嚴重的三相短路事故。如果“先將1號變壓器的差動保護退出，再給1號變壓器試送電”，在失去主保護且后備保護拒動的情況下，強大的三相短路電流可能將2 000 kVA的變壓器擊穿，還可能造成全廠供電系統崩潰，甚至可能使全廠20多套化工生產裝置出現大范圍異常停產，進而引起全廠性的爆炸等慘重事故。

6 后續舉措

6.1 破除“習慣性思維”

低壓母線排出現三相短路的故障原因，主要是由“習慣性思維”引起的。在電氣大修工作中，一定要對“習慣性思維”提出質疑，做到嚴謹、專業，全面了解和掌握電氣大修工作中的具體情況，尤其是涉及從國外引進的變壓器母線的大修改造項目。在母線拆卸前，必須搞清原母線的實際接線情況，做好詳細記錄，并與新母線接線進行對比分析，出現異常時必須一查到底。

6.2 制定完善的施工技術措施

(1) 在新低壓母線與兩側設備(變壓器、低壓柜)連接前，必須確認新母線相間及對地絕緣正常，并通過正確方法(不能目視)確認相位正確。測試絕緣表計要定期檢驗合格，防止虛假指示引起誤判。

(2) 由于2臺變壓器的高、低壓開關柜及低壓母線均作了更換，2段低壓母線Ⅰ，II之間的定相工作不能缺失。在消除三相短路錯誤接線后的送電過程中，應檢測各低壓母線的電壓正常、相序正確；同時送電后，對聯絡開關兩側母線間進行定相，確認相位一致，以排除聯絡開關合閘時因兩側相位不一致引起的相間短路故障。