某供電局5座35 kV變電站失壓事故原因仿真計(jì)算分析

柴晨超，劉紅文，鄧正東，張春麗，黃繼盛，賀飛

（1. 云南兆訊科技有限責(zé)任公司，云南 昆明 650217；2. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217；3. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000；4. 云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650217；5. 云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

雷電是自然大氣中超強(qiáng)、超長放電現(xiàn)象。雷電發(fā)生時(shí)，其強(qiáng)大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場，以及強(qiáng)烈的電磁輻射等，給人類社會(huì)帶來極大的危害，造成人員傷亡、起火爆炸、嚴(yán)重?fù)p失[1]。雷電災(zāi)害被聯(lián)合國國際減少自然災(zāi)害十年（IDNDR）公布為“十種最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一”。無論從造成的傷亡人數(shù)，還是從所造成的財(cái)產(chǎn)損失，雷電災(zāi)害都已成為我國的主要自然災(zāi)害之一[2]。雷電災(zāi)害的危害程度和經(jīng)濟(jì)損失以及社會(huì)影響越來越大[3]。近年來，隨著閃電探測手段的提高和雷電防護(hù)技術(shù)的日趨進(jìn)步，科技工作者對閃電形成機(jī)制、特征、活動(dòng)規(guī)律、雷電災(zāi)害及防御進(jìn)行了大量分析研究[4-6]。

10 kV 架空線路絕緣水平低，基本不配置避雷線，大部分電桿自然接地，耐雷水平較低，雷擊跳閘故障頻繁，雷擊已成為10 kV 架空線路跳閘故障的主要原因之一[7]。用于10 kV 架空線路防雷的措施眾多[8]，如放電間隙[9]、防雷絕緣子[10]、多腔室吹弧防雷裝置[11]，但目前使用量最大的措施為避雷器，導(dǎo)致線路整體耐雷水平提升有限。云南某供電局在2020 年2 月28 日出現(xiàn)強(qiáng)烈雷電，發(fā)生5 座35 kV 變電站母線失壓事故，本文對該次事故進(jìn)行仿真分析，將此實(shí)際應(yīng)用案例加以總結(jié)提煉，以對后續(xù)變電站失壓事故應(yīng)用工作開展提供參考借鑒。

1 事件概述

2020 年2 月28 日03 時(shí)04 分，110 kV SHB 變#1 主變中后備保護(hù)動(dòng)作，#1 主變35 kV側(cè)301 開關(guān)跳閘，SHB 變35 kV Ⅰ母失壓，35 kV ANS 變、EJ、YL 變、ALB 變、普龍變失壓。110 kV SHB 變35 kV I 段母線電磁式電壓互感器B 相損壞，110 kV SHB 變35 kV I 母線PT、35 kV ANS 變母線PT、EJ 母線PT、YL 變母線PT、ALB 變母線PT 熔斷器三相熔斷。

經(jīng)現(xiàn)場故障設(shè)備解剖及仿真計(jì)算推斷該事件原因如下：

35 kV ANS 線、35 kV YL 線(分別給ANS變和YL 變供電) 遭受多次雷擊，造成絕緣子發(fā)生多次閃絡(luò)，110 kV SHB 變35 kV I 段母線電磁式電壓互感器B 相N 端對地絕緣破壞。因35 kV EJ、YL 變未安裝消諧器，110 kV SHB變35 kV I 段母線系統(tǒng)多次遭受雷擊絕緣子閃絡(luò)接地恢復(fù)，激發(fā)鐵磁諧振，鐵磁諧振引起110 kV SHB 變35 kV I 母線PT、35 kV ANS 變母線PT、EJ 變母線PT、YL 變母線PT、ALB變母線PT 熔斷器三相全部熔斷。110 kV SHB變35 kV I 段母線PT 熔斷器熔斷瞬間，產(chǎn)生操作過電壓，造成A 相熔斷器上端頭沿A 相PT沿面閃絡(luò)，引起A、B 相弧光短路，進(jìn)一步發(fā)展成A、B、C 三相弧光短路。最終1 號主變保護(hù)1、保護(hù)2 和35 kV 側(cè)過流速斷保護(hù)動(dòng)作跳開35 kV 側(cè)301 開關(guān)。

2 現(xiàn)場設(shè)備檢查情況

2.1 35 kV電磁式電壓互感器

經(jīng)現(xiàn)場外觀檢查發(fā)現(xiàn)110 kV SHB 變35 kV I 段母線A 相PT 有對地沿面閃絡(luò)痕跡，B 相PT底部有對地放電碳化痕跡，B 相PT 解體后發(fā)現(xiàn)一次N 端引出線有放電痕跡，如圖1 所示。

圖1 10 kV SHB變35 kV I段母線故障痕跡

2.2 35 kV電磁式電壓互感器用熔斷器

現(xiàn)場檢查110 kV SHB 變35 kV I 母線PT、35 kV ANS 變母線PT、EJ 母線PT、YL 變母線PT、ALB 變母線PT 熔斷器全部三相熔斷。

解體110 kV SHB 變35 kV I 段母線電磁式電壓互感器用熔斷器，如圖2 所示，發(fā)現(xiàn)A、B、C 三相熔斷器骨架上熔絲接觸點(diǎn)有明顯碳化痕跡，沿熔絲方向沙粒部分碳化。表現(xiàn)為長時(shí)間通過小電流發(fā)熱熔斷，熔斷器小電流熔斷與切斷空載電感電流相似，容易截流及重燃，產(chǎn)生操作過電壓。

圖2 PT熔斷器熔絲接觸部分骨架碳化

3 仿真計(jì)算分析

3.1 仿真參數(shù)

35 kV ANS 變出線2 僅5 m 電纜，建模時(shí)忽略；35 kV EJ 變含1 條出線，其線纜型號及長度未知，仿真設(shè)置為10 km，型號為LGJ-120/20。各線路數(shù)據(jù)如表1 所示。母線電壓互感器因無準(zhǔn)確勵(lì)磁特性曲線，統(tǒng)一設(shè)置為UMEC transformer 飽和特性模型；消諧器模型：35 kV ALB 變?yōu)長XQ（D）II-35 消諧器的伏安特性；35 kV ANS 變?yōu)長XQ-IV-35 消諧器的伏安特性，數(shù)據(jù)如表2 所示。

表1 線路導(dǎo)線型號及長度

表2 母線電壓互感器及消諧器

3.2 對比仿真分析

仿真設(shè)置雷電流為8/20 標(biāo)準(zhǔn)50 kA 雷電流，在0.1 s 時(shí)線路遭受雷擊，0.8 s 時(shí)絕緣子閃絡(luò)接地，接地時(shí)間為0.2 s。

110 kV SHB 變35 kV I 母PT 電流波形及母線電壓波形如圖3-4 所示。

由圖3～4 可以看出，0.1 s 時(shí)刻，線路遭受雷擊，雷電過電壓為120 kV，在避雷器殘壓范圍內(nèi)。從零序電壓看雷擊線路系統(tǒng)未發(fā)生諧振，0.1 s～0.8 s 之間PT 電流峰值三相相差不大，最大電流峰值為1.2 A；0.8 s 時(shí)刻，絕緣子閃絡(luò)接地，1 s 時(shí)接地故障消失，接地故障消失后激發(fā)了穩(wěn)定的1/2 分頻諧振；A 相接地時(shí)間段，接地時(shí)刻B、C 相飽和電流峰值最大達(dá)4.5 A，諧振時(shí)間段，PT 電流三相相差不大，有一定周期性，最大峰值電流為3.1 A。

圖3 110 kV SHB變35 kV I母PT電流

圖4 110 kV SHB變35 kV I母電壓

增加110 kV SHB 變35 kV I 母PT 消諧器后，仿真計(jì)算110 kV SHB 變35 kV I 母PT 電流波形及母線電壓波形如圖5～6 所示。

圖5 110 kV SHB變35 kV I母PT電流

由圖5～圖6 可以看出，從零序電壓來看在0.1 s～0.8 s 之間未發(fā)生鐵磁諧振，接地故障時(shí)刻電流B 相峰值最大為2.7 A，接地相PT 電流較小；0.8 s 時(shí)刻，絕緣子閃絡(luò)接地，1s 時(shí)接地故障消失，接地故障消失后激發(fā)了不穩(wěn)定1/2 分頻諧振，持續(xù)時(shí)間為0.45 s；諧振時(shí)間段，PT 電流三相相差不大，最大峰值電流出現(xiàn)在接地消失時(shí)刻為3 A。

圖6 110 kV SHB變35 kV I母電壓

增加所有變電站PT 碳化硅消諧器后，仿真計(jì)算110 kV SHB 變35 kV I 母PT 電流波形及母線電壓波形如圖7～8 所示。

圖7 110 kV SHB變35 kV I母PT電流

圖8 110 kV SHB變35 kV I母電壓

由圖7～8 可以看出，從零序電壓看在0.1 s～0.8 s 之間未發(fā)生鐵磁諧振，接地故障時(shí)刻電流B 相為2.7 A，接地相PT 電流較小；0.8 s時(shí)刻，絕緣子閃絡(luò)接地，1 s 時(shí)接地故障消失，接地故障消失后激發(fā)了不穩(wěn)定1/2 分頻諧振，持續(xù)時(shí)間為0.06 s；諧振時(shí)間段，PT 電流三相相差不大，最大峰值電流出現(xiàn)在接地消失時(shí)刻為3.4 A。

3.3 PT碳化硅消諧器過電壓仿真分析

110 kV SHB 變35 kV I 段母線及連接的35 kV 變電站運(yùn)行有兩種型號的消諧器：

1）LXQ（D）II-35 型消諧器；

2）LXQ-IV-35 型消諧器。仿真計(jì)算消諧器上過電壓如圖9～10 所示。

圖9 LXQ（D）II-35型消諧器電壓

圖10 LXQ-IV-35型消諧器電壓

由圖9～10 可以看出，在0.8 s～1.0 s 接地與接地消失時(shí)刻，LXQ（D）II-35 型消諧器接地恢復(fù)時(shí)刻過電壓最高為9.8 kV，接地時(shí)間段的工頻過電壓為6 kV，LXQ-IV-35 型消諧器接地恢復(fù)時(shí)刻過電壓最高為7.1 kV，接地時(shí)間段的工頻過電壓為4.9 kV。35 kV 電磁式電壓互感器N 端設(shè)計(jì)工頻耐受電壓為5 kV。表明LXQ（D）II-35 型消諧器在系統(tǒng)出現(xiàn)暫態(tài)過程中N端較LXQ-IV-35 型消諧器易損壞。

4 事故原因及建議

4.1 事故原因

通過分析現(xiàn)場檢查資料、試驗(yàn)及計(jì)量終端數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真分析判斷事故原因?yàn)椋?/p>

35 kV ANS 線、35 kV YL 線遭受多次雷擊，造成絕緣子發(fā)生多次閃絡(luò)，110 kV SHB 變35 kV I 段母線電磁式電壓互感器B 相N 端對地絕緣破壞。因35 kVEJ、YL 變未安裝消諧器，110 kV SHB 變35 kV I 段母線系統(tǒng)多次遭受雷擊，絕緣子閃絡(luò)接地、恢復(fù)，激發(fā)鐵磁諧振，鐵磁諧振引起110 kV SHB 變35 kV I 母線PT、35 kV ANS 變母線PT、EJ 變母線PT、YL變母線PT、ALB 變母線PT 熔斷器三相全部熔斷。110 kV SHB 變35 kV I 段母線PT 熔斷器熔斷瞬間，產(chǎn)生操作過電壓，造成A 相熔斷器上端頭沿A 相PT 沿面閃絡(luò)，引起A、B 相弧光短路，進(jìn)一步發(fā)展成A、B、C 三相弧光短路。最終1 號主變保護(hù)1、保護(hù)2 和35 kV 側(cè)過流速斷保護(hù)動(dòng)作跳開35 kV 側(cè)301 斷路器。

4.2 建議

1）35 kV EJ、35 kV YL 變未安裝消諧器，在當(dāng)前運(yùn)行方式下，如發(fā)生接地故障，系統(tǒng)可能再次發(fā)生鐵磁諧振；建議35 kV EJ、YL 變母線PT 加裝消諧器，使用時(shí)應(yīng)注意全絕緣PT 使用SiC 消諧器，如發(fā)生電磁式電壓互感器加裝SiC 消諧器后，引起互感器N 端絕緣損壞，宜使用二次消諧器。

2）110 kV SHB 變35 kV I 母所供變電站系統(tǒng)發(fā)生過鐵磁諧振，且引起熔斷器熔斷；建議檢查35 kV ANS 變母線PT、ALB 變母線PT 絕緣是否良好。

3）35 kV ALB 變PT 采用西安西電華源電瓷電器廠RXQ-35，因長期在戶外運(yùn)行，建議檢查該消諧器功能是否良好。

4）熔斷器在小電感電流下熔斷時(shí)極易產(chǎn)生操作過電壓，建議選用多斷點(diǎn)式或采用集膚效應(yīng)熔斷機(jī)理的熔斷器，如采用優(yōu)質(zhì)廠家的產(chǎn)品（浙江博達(dá)、西安庫柏等）。

5 結(jié)束語

通過仿真分析看出：

1） 在110 kV SHB 變35 kV I 母、35 kV EJ、35 kV YL 變母線PT 沒有消諧器的情況下，發(fā)生單相接地故障易引發(fā)諧振。系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)時(shí)，沒有消諧器的PT 諧振電流峰值約為3.1 A，裝有消諧器的PT 諧振電流約為2.8 A。表明：鐵磁諧振時(shí)各變電站電磁式互感器一次繞組的電流大小相差不大，懷疑鐵磁諧振是引起5 個(gè)變電站熔斷器熔斷的原因。

2）增加110 kV SHB 變35 kV I 母碳化硅消諧器后，諧振得到了有效控制，不在發(fā)生穩(wěn)定的鐵磁諧振，諧振持續(xù)時(shí)間僅為0.4 s。增加110 kV SHB 變35 kV I 母、35 kV EJ、35 kV YL 變母線PT 消諧器后，諧振時(shí)間僅為0.06 s，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)零序電壓振蕩時(shí)間小于1 s，認(rèn)為消諧良好。

3）單相接地故障時(shí)：故障相PT 勵(lì)磁電流較小，不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)引起多個(gè)變電站熔斷器三相同時(shí)熔斷。鐵磁諧振時(shí)PT 三相電流同時(shí)增大且呈現(xiàn)一定周期性，能引起三相PT 熔斷器在短時(shí)間內(nèi)熔斷。

4）從仿真來看，采用50 kA 的標(biāo)準(zhǔn)雷電流，雷擊線路后未有效激發(fā)出持續(xù)的鐵磁諧振，可以看出雷擊線路引起諧振的概率較接地故障小。但此次鐵磁諧振直接原因不能排除雷擊（雷擊絕緣未閃絡(luò)），結(jié)合小電流選線系統(tǒng)多次報(bào)接地故障，懷疑此次鐵磁諧振由雷擊引起絕緣子對地閃絡(luò)故障引起。

5）從仿真來看，接地恢復(fù)時(shí)刻LXQ（D）II-35 型消諧器過電壓為9.8 kV，而35 kV 電磁式電壓互感器N 端設(shè)計(jì)工頻耐受電壓為5 kV。懷疑110 kV SHB 變35 kV I 母PT 尾端絕緣破壞是由于系統(tǒng)多次接地恢復(fù)產(chǎn)生的過電壓引起。