一例220kV母線PT故障的分析及處理

萬國數(shù)據(jù)服務(wù)有限公司 張 銳

GIS 設(shè)備因其具備眾多優(yōu)點(diǎn)，諸如占地面積與空間體積小、運(yùn)行可靠性高、安裝方便、檢修周期長等[1]，電網(wǎng)或用戶變電站廣泛采用GIS。隨著“云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能”等數(shù)字經(jīng)濟(jì)的需求，大型園區(qū)型數(shù)據(jù)中心應(yīng)運(yùn)而生，其用電負(fù)荷較大，因此近年來越來越多數(shù)據(jù)中心配套建設(shè)了以往工業(yè)企業(yè)才會(huì)使用的220kV 變電站來提供供電電源。某新建220kV 變電站的電氣主接線為兩路來自不同上級(jí)變電站的架空輸電線進(jìn)線，兩段單母線的接線方式。每段母線包含主變進(jìn)線間隔3回，母線PT 1臺(tái)。變電站一次、二次設(shè)備均交接試驗(yàn)合格，具備啟動(dòng)投用條件。

1 事故概述

事故當(dāng)天，供電公司組織本站開展外網(wǎng)架空線及本變電站內(nèi)GIS、兩臺(tái)主變壓器等設(shè)備的啟動(dòng)操作。在完成220kV 架空輸電線路的沖擊后，供電公司調(diào)度要求該變電站合上220kV 2#進(jìn)線開關(guān)、母線PT 刀閘以及該母線上兩臺(tái)電力變壓器間隔的母線刀閘，供電公司側(cè)帶這些設(shè)備進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。當(dāng)外網(wǎng)架空線路送電至本變電站，送電后檢查人員在220kV GIS 設(shè)備室外聽見明顯高于1#GIS 送電空載運(yùn)行的持續(xù)低沉聲音。現(xiàn)場人員準(zhǔn)備等設(shè)備受電穩(wěn)定后進(jìn)入室內(nèi)檢查。約1.5min 后，室外人員聽見室內(nèi)有明顯一聲較大聲響，類似于GIS 用斷路器的分閘時(shí)聲音。后進(jìn)入室內(nèi)檢查：市電進(jìn)線間隔指示停電，進(jìn)線開關(guān)的狀態(tài)保持合位未變，測控屏、GIS本體設(shè)備未見明顯異常。

2 事故原因及保護(hù)動(dòng)作分析

按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求，220kV 線路配置雙重化保護(hù)屏，保護(hù)分別使用了長園深瑞PRS-753A、南瑞繼保PCS-931SA 的線路保護(hù)裝置。查詢變電站配套后臺(tái)SCADA 的波形記錄文件，波形數(shù)據(jù)如下：一是故障前，2#進(jìn)線處三相電流為0A，UA、UB的相電壓約132kV，UC的幅值約137kV，保護(hù)零序電壓3U0約11.5kV。二是故障時(shí)，C 相電流突然增大，零序電流同步增大，約21kA；A、B 相電壓正常，C 相電壓跌落至0V，零序電壓151kV，持續(xù)時(shí)間60ms。對側(cè)繼電保護(hù)動(dòng)作，線路停電。三是故障時(shí)，通道1對側(cè)、通道2對側(cè)同步電流和差流，波形顯示，A、B 相均為0A，C 相21kA，相位和幅值與本地測量的相同；差流A、B、C 三相均為0A。

按照規(guī)范要求，本站配置有故障錄波屏，配置航天銀山Y(jié)S-900A 型故障錄波器。查故障錄波器，波形數(shù)據(jù)如下：一是故障前，220kV 進(jìn)線A、B、C 相電流，零序IN為0A，故障時(shí)，IC、IN電流為20.4kA，持續(xù)時(shí)間60ms，與保護(hù)裝置記錄一致。二是母線受電后，UA、UB電壓在132kV 左右，UC電壓約66～146kV 范圍波動(dòng)，母線3U0約100V（二次值）左右不穩(wěn)定的波動(dòng)，最終三相電壓為0V，線路停電。三是故障前，來自另外一個(gè)上級(jí)站的220kV 1#進(jìn)線電源處記錄的三相電壓131kV，零序電壓為0V；故障時(shí)，A、B 相電壓正常，C 相電壓降至57kV，零序電壓140kV，持續(xù)時(shí)間60ms，后三相電壓恢復(fù)正常。四是故障時(shí)，220kV 1#進(jìn)線電源處的三相電流均增加340A 左右，零序IN數(shù)值由0增加至1kA 左右，持續(xù)時(shí)間60ms。

圖1 送電時(shí)三相、零序電壓波形

結(jié)合現(xiàn)場保護(hù)裝置、故障波形記錄儀的數(shù)據(jù)，得出如下分析結(jié)論：一是輸電線路兩側(cè)均記錄到故障電流數(shù)據(jù)，且未出現(xiàn)差流，因此判定故障點(diǎn)為GIS 進(jìn)線后端母線內(nèi)部，發(fā)生C 相單相接地短路故障。

二是本變電站220kV 開關(guān)為何未動(dòng)作。針對線路故障配置有線路保護(hù)屏，本側(cè)線路保護(hù)裝置僅投入光纖縱差保護(hù)，保護(hù)范圍為輸電線路內(nèi)部故障，所以針對線路外部故障，本側(cè)線路保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。本站針對每段GIS 母線故障配置兩套母差保護(hù)屏。按照供電公司啟動(dòng)方案的啟動(dòng)要求，220kV 母差保護(hù)停用，母差保護(hù)涉及的CT 均短接退出了保護(hù)回路。因此，母差保護(hù)也未能動(dòng)作。

三是啟動(dòng)方案中要求220kV 母差保護(hù)停用的原因。國家電網(wǎng)關(guān)于新線路送電試驗(yàn)項(xiàng)目中對線路繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置進(jìn)行檢查和試驗(yàn)部分，為防止接線錯(cuò)誤而引起保護(hù)的誤動(dòng)作，特別是高頻保護(hù)、阻抗保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)（母線差動(dòng)、縱聯(lián)差動(dòng)）及其他的方向性保護(hù)，必須在線路送電后進(jìn)行帶負(fù)荷電流試驗(yàn)檢查其特性，完全符合要求，方向正確后方可投入[2]。其考慮一次設(shè)備均是滿足啟動(dòng)條件，試驗(yàn)合格，設(shè)備故障概率極低。二次回路涉及線纜較多，出現(xiàn)接線錯(cuò)誤的概率相對較大，故有此要求。

四是送電后故障前，故障錄波器顯示母線3U0數(shù)值明顯異常，不穩(wěn)定地波動(dòng)。線路保護(hù)記錄保護(hù)零序電壓3U0約11.5kV，與故障錄波器數(shù)據(jù)不符的原因，查詢線路保護(hù)技術(shù)說明書（硬件），裝置內(nèi)的零序電壓數(shù)值是通過三相電壓矢量的內(nèi)部計(jì)算得到。這也解釋了C 相電壓在保護(hù)動(dòng)作前，其表現(xiàn)為電壓數(shù)值出現(xiàn)小幅降低，零序電壓3U0出現(xiàn)較小數(shù)值的原因；故障時(shí)，C 相電壓為0V，3U0按照矢量計(jì)算大概為相電壓幅值，與故障錄波所記錄的數(shù)值相符（151kV）。

五是1#進(jìn)線處的電壓、電流變化的原因。相關(guān)規(guī)范中關(guān)于保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求中提到[3]：隨著高一級(jí)電壓電網(wǎng)的建設(shè)，下級(jí)電壓電網(wǎng)應(yīng)逐步實(shí)現(xiàn)分層分區(qū)，相鄰分區(qū)之間互為備用，應(yīng)避免和消除嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的不同電壓等級(jí)的電磁環(huán)網(wǎng)。目前，華東電網(wǎng)中以上海為例，形成500kV 雙環(huán)網(wǎng)構(gòu)成上海電網(wǎng)骨干網(wǎng)架，220kV 電網(wǎng)以500kV 變電站為核心分區(qū)獨(dú)立運(yùn)行。在同一個(gè)合環(huán)運(yùn)行的220kV 系統(tǒng)分區(qū)內(nèi)，其中線路任意一點(diǎn)故障時(shí)，相關(guān)設(shè)備依據(jù)遠(yuǎn)近、電源點(diǎn)等均會(huì)受到不同程度的影響。本站1#GIS 母線段向故障點(diǎn)提供零序電流為1kA 左右。故障點(diǎn)其他電流來源本系統(tǒng)中其他中性點(diǎn)接地運(yùn)行的變壓器。

六是故障時(shí)刻，1#GIS 進(jìn)線處三相電流增大340A，相位一致的原因。本次事故為電力系統(tǒng)不對稱故障。短路點(diǎn)處VC為0V，但其序分量不為0。1#GIS 進(jìn)線處電壓由于故障影響，其三相電壓幅值、相位也發(fā)生變化，出現(xiàn)零序電壓。電源供給本站的110kV 主變?nèi)嗬@組施加零序電壓時(shí)，因其高壓側(cè)YN 接線方式（中性點(diǎn)直接接地），所以三相繞組中產(chǎn)生零序電流，即相電流的零序分量，通過變壓器中性點(diǎn)形成回路流入大地。

組織人員對GIS 本體及附屬設(shè)備仔細(xì)檢查，最終發(fā)現(xiàn)220kV 母線PT 本體接線箱內(nèi)C 相接線端子dc-dn 繞組引線絕緣層融化，銅線裸露，dc-dn 端子排融化。A、B 相PT 二次端子箱目測正常，試驗(yàn)檢查C 相PT 一次側(cè)對地絕緣失效，A、B 相PT 一次對地絕緣良好。

PT 故障直接原因：二次側(cè)端子處存在短路，導(dǎo)致在二次繞組及一次繞組在試驗(yàn)電壓下勵(lì)磁電流急劇增大，運(yùn)行一段時(shí)間后線圈發(fā)熱，導(dǎo)致絕緣燒損、SF6分解、絕緣失效。氣體分解物增多降低了盆子表面的絕緣特性，從而導(dǎo)致產(chǎn)品投運(yùn)2min 內(nèi)，盆子沿面發(fā)生爬電，最終造成導(dǎo)體相對地短路故障。

圖2 PT 內(nèi)部絕緣放電通道

220kV 母線PT 采用的三個(gè)單相PT 組成，每個(gè)PT 配置有4個(gè)二次繞組（含3個(gè)相二次繞組，1個(gè)繞組為輔助工作繞組，用于組成開口三角形接線）。

產(chǎn)品型號(hào)：JDQXFH-220；額定電壓比：220/√3:0.1/√3:0.1/√3:0.1/√3:0.1kV；級(jí)次組合：0.2/0.5（3P）/0.5（3P）/3P；額定輸出：10/50/50/50VA。

平時(shí)正常運(yùn)行時(shí)，單個(gè)PT 的輔助工作繞組額定為100V，整個(gè)開口三角形兩端子間電壓為三相電壓的相量和，正常時(shí)3U0為0V。本次故障場景時(shí)，開口電壓按照三個(gè)PT 繞組相量和，其二次電壓約100V，這就是故障錄波器記錄的3U0數(shù)值的緣由。

圖3 PT 一二次示意圖

因PT 二次短路，造成PT 熔損、短路的故障案例時(shí)有發(fā)生，諸如二次端子排上短路連接片固定不牢靠，輔助二次繞組在端子排處接線的誤接線等，導(dǎo)致本次事故的原因與以往案例均不同。本PT 二次端子dn 安裝在到導(dǎo)軌上，其安裝方向不正確，dc與dn 端子的金屬面發(fā)生了接觸，而正常安裝兩者之間有絕緣的隔離。據(jù)反饋dn 接線端子被施工人員拆除過借用至1#PT，拿到新備件端子后，現(xiàn)場施工人員重新安裝了端子。現(xiàn)場人員存在疏忽，未能發(fā)現(xiàn)端子安裝不正確，導(dǎo)致二次端子方向發(fā)生了變化，致使dc 與dn 端子的金屬面形成了短路點(diǎn)。

3 事故處理

參考國家電網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，GIS 設(shè)備在發(fā)生短路故障、斷路器跳閘后，要求對GIS 設(shè)備進(jìn)行診斷性檢測[4]，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行輔助科學(xué)評(píng)估。技術(shù)人員使用SF6分解物測試儀對故障相PT 氣室檢測，硫化氫、二氧化硫均超標(biāo)，H2S 數(shù)值173ppm，SO2數(shù)值162ppm；進(jìn)線斷路器、母線各氣室檢測均正常，H2S、SO2數(shù)值均為0ppm。考慮到其他設(shè)備無異常，決定實(shí)施故障PT 更換的方案。

故障PT 的更換處理主要分以下步驟：一是氣體回收。SF6屬于溫室氣體，必須委托具備能力的單位進(jìn)行專業(yè)的回收處理；二是拆除PT 二次線纜、密度繼電器、連接管路等；三是拆除PT，然后安裝新PT；四是氣室抽真空，充氣；五是安裝PT 附件，恢復(fù)二次接線；六是氣密性試驗(yàn)和微水試驗(yàn)。需SF6氣體靜置24h 后，對間隔PT、隔離開關(guān)氣室進(jìn)行微水檢測。氣密性使用手持檢漏儀，用薄膜包扎拼接面至少12h 后進(jìn)行檢漏，最后用記號(hào)筆做好記錄，標(biāo)出壓力顯示位置；PT 常規(guī)試驗(yàn)，包括絕緣、直流電阻、變比；老練試驗(yàn)，其方法是斷開主變高壓套管與高壓電纜的連接，以主變側(cè)的高壓電纜為施壓點(diǎn)，依次對母線PT 的A、B、C 相施加127kV試驗(yàn)電壓各3min。通過電老練使金屬微粒運(yùn)動(dòng)到低場強(qiáng)區(qū)，另外一定時(shí)間的老練也可以使部分微粒放電燒掉，達(dá)到內(nèi)部凈化金屬微粒的作用。在現(xiàn)場進(jìn)行電老練試驗(yàn)，防止電壓快速突增，以免微粒局部放電過大引發(fā)產(chǎn)品內(nèi)部絕緣擊穿或閃絡(luò)。其實(shí)最后對首次母線側(cè)沖擊過程中涉及的所有氣室進(jìn)行氣體成分分析，確保設(shè)備安全。

圖4 端子錯(cuò)誤安裝

圖5 端子實(shí)物

4 經(jīng)驗(yàn)探討

建設(shè)施工階段，需重視變電站內(nèi)控制盤柜二次回路的接線驗(yàn)收、試驗(yàn)工作，包括匯控柜、保護(hù)屏、開關(guān)柜二次室。一次設(shè)備的驗(yàn)收工作，無論是施工方、廠商還是業(yè)主都重視，且經(jīng)驗(yàn)豐富。相比而言，二次施工的檢查相對較為專業(yè)，涉及的量較大，因此需要投入更多二次專業(yè)人員來實(shí)施。此次實(shí)際現(xiàn)場檢查中，技術(shù)人員對保護(hù)控制屏的電流端子接線檢查，發(fā)現(xiàn)二次導(dǎo)線未被端子上螺絲緊固，輕輕拉動(dòng)即拉脫離端子的案例。

110kV 及以上等級(jí)變電站按照電網(wǎng)公司要求，應(yīng)配置故障錄波器，其對于電網(wǎng)異常時(shí)分析技術(shù)原因有很大價(jià)值。建設(shè)施工階段需要確認(rèn)其模擬量接線，模擬量配置、錄波定值（采樣頻率、模擬量定值、開關(guān)量定值）設(shè)置等是否正確。其正確的接線與設(shè)置是快速、有效對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷的基礎(chǔ)。

按規(guī)定PT 必須在二次側(cè)裝設(shè)的短路保護(hù)設(shè)備。經(jīng)過本次事故，建議在PT 的本體接線箱中設(shè)置二次空氣開關(guān)，PT 二次出口以下的所有二次電纜短路故障均能由空氣開關(guān)可靠切除。消除保護(hù)、測控屏等至PT 本體接線箱之間的二次線纜短路問題帶來風(fēng)險(xiǎn)。

GIS 設(shè)備采用SF6氣體絕緣，設(shè)備故障后，要做好人身安全防護(hù)工作（佩戴防毒面具或正壓式空氣呼吸器），加強(qiáng)通風(fēng)（開啟機(jī)械排風(fēng)、打開對室外的門窗），避免發(fā)生次生事故。SF6氣體其密度約為空氣的5.1倍，布置在室內(nèi)的GIS 設(shè)備發(fā)生氣體泄漏，沉積于室內(nèi)下部空間，不易散開。通過配置監(jiān)測裝置、加強(qiáng)通風(fēng)，避免發(fā)生工作人員窒息情況。另外，純凈的SF6氣體是無色、無味、無毒，常溫下化學(xué)性能穩(wěn)定的惰性氣體。

但在電弧、局部放電和高溫等因素下會(huì)分解，會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，如果室內(nèi)有毒氣體含量超標(biāo)，吸入的量較大時(shí)，就會(huì)引起頭暈和肺水腫，甚至致人死亡。另外，盡量不讓皮膚接觸SF6分解物，其分解物遇大氣中的水分后會(huì)形成氫氟酸，對皮膚有腐蝕作用。開關(guān)內(nèi)殘留的分解氣體對鼻腔、人眼有刺激。本次故障處理過程中，曾經(jīng)發(fā)生施工人員聞到刺鼻性氣味，出現(xiàn)短時(shí)不適的身體反應(yīng)。

變電站啟動(dòng)送電時(shí)，除對SCADA 進(jìn)行HMI界面上“四遙”（遙控、遙調(diào)、遙信、遙測）等信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控外，應(yīng)設(shè)置專人對故障錄波屏的各種波形數(shù)據(jù)也進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)，及時(shí)匯報(bào)啟動(dòng)指揮人員。同時(shí)，變電站設(shè)備發(fā)生異常或事故時(shí)，技術(shù)人員要充分利用保護(hù)裝置、故障錄波器的波形記錄功能，對故障原因進(jìn)行判斷與分析，為后續(xù)應(yīng)急處理提供支持。

此次故障后，相關(guān)人員除對室內(nèi)設(shè)備開展檢查，檢修人員同步對架空線終端轉(zhuǎn)電纜引線桿塔絕緣子進(jìn)行附加檢查，在對架空輸電線路檢查時(shí)，要防止線路感應(yīng)電壓傷人。輸電架空線同桿架設(shè)的雙回路、多回路或與其他線路有平行、交叉，退出運(yùn)行的線路也會(huì)產(chǎn)生危害人身安全的感應(yīng)電壓，涉及此類作業(yè)，必須做好安全技術(shù)措施。