某110 kV變電站35 kV側相間故障分析及治理措施研究

(.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 6004；

2.國網(wǎng)涼山供電公司，四川 涼山 615000；3.國網(wǎng)眉山供電公司，四川 眉山 620010)

0 引 言

35 kV電網(wǎng)承擔著直接向大用戶(工業(yè)用戶)供電的重任。大用戶生產(chǎn)情況復雜并缺乏相應保護措施常引發(fā)電網(wǎng)故障[1-3]。

四川電網(wǎng)某110 kV變電站35 kV側在12個月內(nèi)連續(xù)發(fā)生4起因用戶作業(yè)引起相間擊穿進而發(fā)展為三相故障，造成嚴重電網(wǎng)損失和較大影響，是現(xiàn)有35 kV供電系統(tǒng)存在安全風險的典型案例。

下面以此案例為分析對象，仔細梳理各次故障的發(fā)展過程，找出了引起故障的根本原因，指出現(xiàn)有設備在過電壓防護方面存在的缺陷，并提出了治理措施。

1 故障情況

故障1：該變電站1號主變壓器中后備保護復壓過流Ⅰ段動作，主變壓器35 kV側斷路器跳閘。當天該地區(qū)天氣良好。

根據(jù)故障時刻1號主變壓器保護裝置后備保護錄波表明，在03：25：56：00時，1號主變壓器35 kV側發(fā)生A、B相間短路，40 ms后演變?yōu)锳、B、C三相短路故障，主變壓器中壓側電流電壓如圖1所示。

故障發(fā)生后，經(jīng)檢查35 kVⅠ母PT避雷器柜內(nèi)有多點放電痕跡，35 kVⅠ母 PT避雷器柜內(nèi)A相避雷器第1片瓷套裙邊破損嚴重，A、B、C相避雷器法蘭金屬部分有多處放電痕跡，避雷器內(nèi)部未發(fā)生故障，如圖2所示。

圖1 第1次故障1號主變壓器保護裝置后備保護錄波

圖2 避雷器瓷套放電

經(jīng)現(xiàn)場查勘，故障現(xiàn)象為相間短路，而非相對地短路，故障現(xiàn)象與錄波情況符合。

故障2： 3個月后，該站1號主變壓器301斷路器跳閘，35 kVⅠ母失電。故障時刻，變電站周邊天氣良好，無暴雨、雷電等惡劣天氣。

根據(jù)1號主變壓器跳閘時刻故障錄波記錄波形，在22：09：41：850時，1號主變壓器35 kV側發(fā)生A、B相間短路，15.6 ms后演變?yōu)锳、B、C三相短路故障，如圖3所示。

經(jīng)檢查，35 kVⅠ母PT避雷器間隔有煙霧，C相第1、2、3、4片瓷瓶炸裂，B相避雷器頂端金屬部分有燒傷痕跡，B相引流排有三角形缺口，C相避雷器頂端金屬部分有灼傷痕跡，如圖4所示，地面有炸裂的瓷瓶碎片。

從現(xiàn)場故障現(xiàn)象來看，該次故障為相間短路，故障現(xiàn)象與錄波情況符合。

故障3：距第1次故障9個月后，1號主變壓器中后備保護限時速斷T1、T2動作出口，1號主變壓器301斷路器跳閘，35 kV Ⅰ母失電。

圖3 第2次故障1號主變壓器保護裝置錄波

圖4 避雷器柜內(nèi)放電

根據(jù)1號主變壓器跳閘時刻故障錄波記錄波形，在11：58：43時變電站35 kV分段313斷路器間隔內(nèi)發(fā)生B、C相間短路故障，經(jīng)過48 ms發(fā)展為A、B、C三相短路故障。錄波圖如圖5所示。

圖5 第3次故障1號主變壓器保護裝置錄波

經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)35 kV分段313斷路器手車下觸頭三相觸頭臂間存在相間放電痕跡，其中A相下觸頭觸指灼傷嚴重，如圖6所示。

經(jīng)現(xiàn)場查勘，從現(xiàn)場故障現(xiàn)象來看，該次故障為相間短路，故障現(xiàn)象與錄波情況符合。

故障4：距第1次故障11個月后，1號主變壓器35 kV后備保護裝置啟動，1號主變壓器301斷路器跳閘。

圖6 35 kV分段313斷路器手車故障情況

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)35 kV分段313斷路器手車上、下觸頭三相觸頭臂間存在相間放電痕跡，手車斷路器本體有較大的煙熏、灼傷的痕跡，如圖7所示。

圖7 35 kV分段313斷路器手車燒蝕情況

根據(jù)1號主變壓器跳閘時刻故障錄波記錄波形，21：23：43時變電站35 kV分段313斷路器間隔內(nèi)，發(fā)生B、C相間短路故障，經(jīng)過65.6 ms發(fā)展為A、B、C三相短路故障。

圖8 第4次故障1號主變壓器保護裝置錄波

經(jīng)現(xiàn)場查勘，從現(xiàn)場故障現(xiàn)象來看，該次故障為相間短路，故障現(xiàn)象與錄波情況符合。

2 故障分析

以上4次故障地點位于35 kV側Ⅰ母避雷器柜或熱備用的35 kV分段313斷路器，故障前35 kVⅠ母出線某藍線運行、某磯線長期處于冷備用、某馬線在熱備用。35 kV 某藍線用戶為鍛造廠，由于該廠缺少記錄裝置，無法確定故障時刻該廠準確的工作程序。通過檢查運行操作紙質(zhì)記錄，得知第4次故障發(fā)生時，該鍛造車正在進行鋼水的補料作業(yè)，精煉爐在運行。由此推測，4次故障均為該廠進作業(yè)時引起。

通過對故障近期錄波文件的調(diào)取，發(fā)現(xiàn)35 kV 某藍線常有電壓、電流波動，引起錄波啟動如圖9、圖10所示。圖9中，保護啟動后，電壓出現(xiàn)閃動，距保護啟動612 ms，C相達到48.89 kV。在第4次故障當天21：00到發(fā)生故障前，共出現(xiàn)了3次電壓異常波動。根據(jù)錄波啟動數(shù)據(jù)記載，多次出現(xiàn)35 kV某藍線異常波動。

圖9 第4次故障錄波文件

圖10 第3次故障錄波文件1

在第2次故障前一周內(nèi)發(fā)生了多次35 kV側某藍線間隔內(nèi)短路，但由于藍側保護先切除故障。這兩次故障也為相間故障，且故障前出現(xiàn)了較高的過電壓，如圖11錄波。其中B相為-52 kV，C相為70 kV,BC相間已達122 kV，由于錄波裝置的采集頻率有限，存在對波形的采集有缺失，該相間電壓可能更高，影響相間絕緣水平。

圖11 第3次故障錄波文件2

在第2次故障發(fā)生后，對35 kVⅠ母柜內(nèi)避雷器更換了計數(shù)器，第3、4次故障發(fā)生后對避雷器動作情況進行抄錄，35 kVⅠ母避雷器計數(shù)器動作情況見表1。

表1 避雷器計數(shù)器動作情況

35 kV Ⅰ母避雷器動作，說明避雷器起到了一定的過電壓保護作用，但是在避雷器動作的情況下設備仍然在損壞，且故障均為相間故障后發(fā)展為三相故障。對于部分特殊負荷，相間過電壓不容忽視，據(jù)實測數(shù)據(jù)表明，相間操作過電壓最大幅值可達3.7 p.u.。但避雷器僅能保護相對地，缺少相對相之間的保護。當本案例中的鍛造廠開展生產(chǎn)時，由于負荷的特殊工作方式，多次發(fā)生35 kV側設備相間擊穿，引起設備損壞。

3 治理措施分析

1)35 kVⅠ 母避雷器多次動作，能有效保護相-地的過電壓，但是對于相-相間缺少保護措施。針對這種情況，可以采用避雷器或者阻容吸收裝置來限制過電壓。據(jù)了解，用戶側的電弧爐和精煉爐已安裝了阻容過電壓吸收器，但用戶側和變電站35 kV側依然出現(xiàn)設備相間擊穿，因此建議增加相間避雷器進行保護[4]。

2)目前，可以實現(xiàn)相間保護的避雷器有四元件和六元件。

四元件避雷器宜選擇四柱式避雷器，而非三柱式，避雷器額定電壓為51 kV，其直流參考電壓、雷電沖擊電流殘壓滿足規(guī)程JB/T 10496-2005《交流三相組合式無間隙金屬氧化物避雷器》的要求[5]，具體見表2。

表2 避雷器直流參考電壓、雷電沖擊電流殘壓要求

若與被保護設備A、B、C三相高壓端連接的元件稱為相元件，與地線連接的元件稱為地元件，為保證其多次動作容量要求，其容量應滿足相元件等效方波沖擊耐受不低于400 A，地元件應耐受不低于1200 A等效方波沖擊電流，其他試驗要求滿足GB/11032-2010《交流無間隙金屬氧化物避雷器》的要求[6-7]。

避雷器各元件的4/10 μs大電流沖擊耐受按照等效方波后選取，相元件大電流沖擊65 kA，地元件100 kA，應耐受4/10 μs大電流沖擊試驗6次，其他要求滿足GB/11032-2010的要求。

未提及試驗應滿足JB/T 10496-2005和GB/T 11032-2010的要求。

六元件目前尚未有成熟產(chǎn)品，體積較大，若采用六元件，要求對地元件進行各元件電流分布試驗，各元件平均參考電流值下的參考電壓偏差不得大于參考電壓規(guī)定值的±1%。

3)增加的相間保護避雷器必須帶有效的監(jiān)測裝置，分別監(jiān)測地元件、相元件的動作次數(shù)、泄漏電流(或阻性電流)。

4)對避雷器各元件的動作次數(shù)及泄漏電流要定期抄錄，一旦出現(xiàn)泄漏電流異常要及時更換，動作次數(shù)過多也需要考慮縮短周期更換。

4 結 語

1)大用戶作業(yè)是引起相間電壓升高的直接原因，保護缺失是導致故障擴大、設備損壞的根本原因。

2)35 kV系統(tǒng)未根據(jù)用戶特點在一次設備相間過電壓防治上采取措施且缺少保護，是導致故障擴大直至引起一次設備損壞的原因。

3)根據(jù)35 kV避雷器動作情況可知，避雷器實現(xiàn)了可靠的相對地保護。對于這類煉鋼用戶沖擊負荷，為防治35 kV系統(tǒng)因相間過電壓引起的故障，建議采用四元件或六元件避雷器進行防治。