35kV變電站主變主保護動作及故障原因分析和解決對策

田富波

【摘 要】35kV變電站是煤礦供電系統中重要的組成部分，它擔負著電能轉換和電能重新分配的任務，而變電站中的主變壓器更是其中主要設備之一，它的安全運行與否關系到整個電網的安全，對電網的安全和經濟運行有著舉足輕重的作用。本文針對因雷擊引起變壓器主保護動作和變壓器內部繞組擊穿等故障原因進行分析并提出解決的對策。

【關鍵詞】主變保護動作；接地電流；小接地電流系統；單相接地故障；解決對策

中圖分類號： TM772 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）05-0062-002

【Abstract】The 35kV substation is an important part of the coal mine power supply system. It is responsible for the task of power conversion and energy redistribution. The main transformer in the substation is one of the main equipments. Its safe operation is related to the entire The security of the power grid plays a decisive role in the safety and economic operation of the power grid. This article analyzes the causes of the main protection actions of the transformer and breakdown of the internal windings of the transformer due to lightning strikes， and proposes countermeasures.

【Key words】Main transformer protection action； Ground current； Small ground current system； Single-phase ground fault； Solution

0 引言

因煤礦大部分地處偏遠山區，在煤礦供電系統中存在著供電線路長，安全等級低與及部分線路穿越高雷區等一系列突出問題，因此外部雷擊導致主變主保護動作的現象時有發生，更是發生了因接地電流侵入變壓器內部擊穿高壓側繞組絕緣并造成繞組匝間短路的永久性故障，造成了全礦區跳閘停電的供電事故，給煤礦的安全生產帶來了極為不利的影響。為了進一步提高供電系統的安全可靠性，積極分析故障原因和存在的問題，并在問題的基礎上探討解決措施與對策，無論是對于煤礦安全還是整個電網安全都有著重要的意義和價值。

1 主變故障的發生及現象

2016年6月30日，廣平35kV東區變電站遭遇強雷擊天氣，14時50分左右2#主變（3150kVA，35kV/10kV）本體及開關重瓦斯動作、變壓器差動保護動作導致主變兩側開關跳閘，造成全站失壓。主變保護測控裝置顯示主變差動電流0.58A（整定啟動值0.5A）、變壓器本體及開關重瓦斯保護啟動、2#主變油溫告警，泄壓閥啟動，輕瓦斯未告警；運行人員還反映保護跳閘前變壓器運行聲音異響明顯。

組織人員現場檢查：2#主變外觀檢查無異常，高低壓側開關和避雷器均完好，站內避雷針接地阻值0.9歐；進行變壓器繞組直流電阻測試，低壓側相間繞組為258-260毫歐，高壓側繞組AB和BC均顯示超量程（>2千歐）AC繞組阻值4.05歐；油色譜分析試驗未做。

初步判斷變壓器高壓側B相繞組存在故障，7月2日對變壓器進行吊罩檢查，發現變壓器高壓側B相繞組兩處鼓起，分別位于上部導電桿連接處和分接開關處，變壓器內部繞組燒毀后的銅渣明顯。

2 故障原因分析

綜合以上事故現象、保護數據和變壓器吊罩檢查，初步分析變壓器高壓側B相繞組燒毀的原因是：外部線路遇強雷擊，避雷器放電的同時形成單相接地故障，接地電流侵入變壓器內部產生弧光過電壓，擊穿高壓側B相繞組絕緣并造成繞組匝間短路，進而燒毀繞組。

這里簡單分析下，什么條件下外部雷擊時接地電流會侵入變壓器內部并造成變壓器主保護動作甚至燒毀內部繞組：

首先，所在的系統應是小接地電流系統（變壓器中性點不接地）。此時如雷擊持續擊中架空線路的任意一相，經避雷器放電形成單相接地故障，開關柜的保護均不會動作。因小接地電流電網發生單相接地時接地電流很小，系統允許帶一點接地繼續運行一短時間。當然如果雷電同時擊中外部線路兩相或者三相，那么線路開關柜過流（或速斷）保護會動作，切斷接地電流的侵入通道。

其次，外部架空線路應是在出線桿（避雷器安裝處）附近遭受雷擊。線路任意一相遭受雷擊后經避雷器放電形成單相接地故障，因開關柜保護不動作接地電流沿低壓側母線侵入變壓器內部，并形成單相接地故障回路。因變壓器中性點不接地，接地電流（注：10kV電網>20A）在變壓器內部會產生弧光過電壓，這個弧光過電壓會產生兩個危害性：一個是造成變壓器內部相間短路故障，引起變壓器主保護動作；一個是擊穿故障相繞組的絕緣，進而發展成變壓器繞組匝間短路的永久性故障。這兩個危害性均對變壓器繞組的絕緣具有極大的破壞性，嚴重威脅到變壓器的安全運行。

最后，最重要的條件是線路出線端避雷器持續放電時間比變壓器保護動作時間更長。

外部線路即使遭受雷擊后，避雷器放電過程是瞬時完成，放電速度比任何保護動作都快，因此一般情況下的雷擊都不會形成接地故障，但如果避雷器放電性能較差，并且所在的接地網接地不理想情況下，那么避雷器的放電無法瞬間完成，持續的放電過程容易形成單相接地故障。

同時滿足上述條件后，變壓器可以看成是小接地電流系統帶一個接地故障點運行。外部線路遭受雷擊后接地電流侵入變壓器內部形成單相接地故障，足夠大的接地電流引起變壓器內部弧光過電壓并造成相間短路故障，引起變壓器主保護（指差動和重瓦斯保護）啟動。

接地電流侵入變壓器內部引起的弧光過電壓如果持續破壞故障相繞組的絕緣，進而會造成繞組的絕緣擊穿并形成繞組匝間短路的永久性故障，弧光過電壓的大小取決于接地電流的大小。

這次廣平35kV變電站遭雷擊后2#變壓器主保護動作（此前已經發生兩次雷擊導致變壓器主保護動作）并造成內部高壓側B相繞組絕緣擊穿，形成匝間短路進而燒毀繞組，說明了應該是外部某輸電線路的B相遭受雷擊（10kV架空輸電線路均為三角形排列，相對來說B相是最容易遭受雷擊）并且侵入變壓器內部。

3 解決對策

從以上分析可以看出，外部線路遭受雷擊造成變壓器主保護動作需同時具備以上條件，具有偶發性。接地電流一旦侵入變壓器內部，雖然變壓器主保護都是無時限速斷動作，但如果接地電流足夠大（一般是指35kV電網>10A，10kV電網>20A），就可在變壓器內部產生危險的弧光過電壓，并對繞組造成破壞性并可能進一步擊穿故障相繞組絕緣，危及變壓器的安全運行。

為進一步提高惡劣氣象條件下系統供電可靠性，消缺此類故障可行的解決思路與對策是當線路遭受雷擊時避雷器應可靠放電，消除雷電波侵入通道；若避雷器放電不良并形成單相接地故障時，如何盡量減小甚至消除接地電流。因接地電流受幾個因素影響：一是雷擊點的距離，雷擊點越近則接地電流越大；二是接地阻值，系統接地阻值越小，雷擊放電時間越短，則接地電流越不容易侵入變壓器。另因受地理條件影響供電線路穿越雷區是不可避免的，供電線路遭遇雷擊是自然現象，雷擊點是人為不可改變的，而接地阻值的改善要考慮地形、地理及土壤等，受到諸多客觀因素制約，因此要通過盡量減小甚至消除接地電流的措施比較有限，效果也未必好。

綜上所述確立解決問題的對策是，一個是將廣平35kV變電站10kV出線桿避雷器按周期進行更換（一年一換），雷雨季節加強在用避雷器的在線監測，放電性能達不到要求的及時更換，確保避雷器放電性能合格；二個是組織研究廣平35kV變電站主變變更運行方式的可能性，將現有的不接地系統改為經消弧線圈接地的運行方式：即在主變10kV側繞組加裝消弧線圈接地，利用消弧線圈感性電流去中和接地電流，可以有效減小接地電流。計算出系統最大接地電流并選擇合適的消弧線圈，這樣即使接地電流侵入變壓器內部，產生的弧光過電壓也是非常小，不會造成弧光短路故障。

4 結語

綜上所述，供電系統的安全運行對煤礦實現安全生產有著重要的意義，但是在目前的煤礦供電系統中確有存在著供配電系統設計不合理、運行安全可靠性低、跳閘故障頻繁等一系列問題。通過深入探討這些問題，并針對問題確立有效的解決措施，可以大幅提升供電系統的安全可靠性，這樣煤礦安全供電才能得到有效的保障。

【參考文獻】

[1]李駿年.電力系統繼電保護.北京：中國電力出版社.1993.