白蓮河抽水蓄能電站廠用10 kV設備遭雷擊事故分析

陳 秋，楊洪濤，劉 英

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600）

0 引 言

白蓮河抽水蓄能電站裝設4臺單機容量為300 MW的單級混流可逆式水泵水輪電動發電機組，平均年發電量9.67億kW·h，年抽水耗用低谷電量12.89億kW·h，屬日調節純抽水蓄能電站。電站以一回500 kV出線接入黃岡變，在華中電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相、事故備用及黑起動的任務。電站主體工程于2005年8月1日正式開工，機電設備安裝于2006年10月正式開始，首臺機組于2009年5月22日首次啟動，11月21日完成30 d考核試運行，最后一臺機于2010年12月27日完成30 d考核試運行。

電站廠用電采用10 kV和0.4 kV兩級供電方式。廠用電電源由每臺發電電動機端引接一回，并從白蓮河水電廠引接一回10 kV作為廠用電備用電源，1臺10 kV柴油發電機組作為電站的保安電源，同時增加1回引自地方10 kV農網外來電源，接至地下廠房10 kVⅠ段母線。

1 廠用電1 0 kV運行方式

2、3、4號主變帶電運行，2號廠高變由4號主變低壓側廠高開關204帶電運行。10 kV I段母線由101開關供電處于熱備用狀態 （調試期間，101開關由外來10 kV供電，因受其容量1 000 kV·A限制，當時僅作為備用電源），10 kV II段由102開關供電運行；10 kV I、II段備自投退出。電站10 kV系統運行方式見圖1。

圖1 10 kV廠用電運行方式

3、4號機組停備，2號機組處于分部調試階段，1號機組處于安裝階段。

2 事故經過

2010年7月19日18:53分開始，白蓮河地區突下短時大到暴雨，并伴有強雷電發生，出現極端惡劣天氣，地面副廠房及設備倉庫門窗有明顯可見的放電現象，室外部分照明燈具損壞。19:16:20，2號廠高變差動保護動作，廠用Ⅱ段10 kV進線102開關跳閘，同時聽見10 kV開關室有爆炸聲，全廠工作照明消失，事故照明投入工作。運行值班人員立即到10 kV開關室進行現場查看，發現10 kV開關室有濃煙冒出伴有火光，19:18:06，4號主變差動保護動作，蓮5003開關跳閘。

3 事故原因分析

3.1 雷電侵入分析

事故發生后，在湖北雷電定位系統上及時查詢事故發生時前后1 min、距電站2 km范圍內雷電分布圖 （見圖2），從圖中可知，當時最大的落雷為3號雷，雷電電流為77.8 kA，時間為19:16:16，距電站500 kV出線1號塔1 813 m，距中控樓約1 700 m。10kV絕緣架空線 （從開關站至上庫配電房）平均高度約為7 m，400 V照明線高度5 m。經簡化計算：由500 kV導線感應的最大侵入204開關的雷電沖擊電壓幅值約為34 kV；由10 kV架空導線感應的最大侵入204開關的雷電沖擊電壓幅值約為27 kV；由400 V照明線路最大入侵204開關的雷電沖擊電壓幅值約5.4 kV。

經現場查看，500 kV戶外避雷器及地下GIS避雷器均無動作記錄；對10 kV母線避雷器及上庫架空線路避雷器 （型號為HY5WS2-17/50）進行預防性試驗，3組避雷器均正常無損壞。

從上述計算看出，雷電侵入電壓均低于低壓電氣設備的雷電沖擊水平，因此保護范圍內的避雷器均未動作，也未受損壞，這與現場查看及試驗結果吻合。

3.2 10 kV開關起火原因分析

電站10 kV廠用開關拒型號為8BK88-12金屬封閉鎧裝中置柜，柜內配3AH5404型真空斷路器。開關出廠配置的過電壓保護設備選用的是自動脫離式、大容量、免維護三相組合式過電壓保護BOD裝置，該產品主要功能是為保護高壓負載 （電動機），電站選用的BOD型號為BOD-Z-10/29.8。經查廠家該型號BOD技術參數，工頻放電電壓和雷電沖擊電流下殘壓分別為21.1 kV和29.9 kV。

在電站范圍內遭受強雷侵襲時，無論是通過500 kV導線還是10 kV架空導線感應的最大雷電沖擊侵入電壓幅值均達到或接近BOD動作電壓值，10 kV開關柜內的BOD會動作。但如果BOD動作后，其脫離裝置不能自動脫離或被擊穿，則會造成兩相或三相短路，導致BOD爆炸。通過對現場10 kV II段開關柜內BOD勘查，發現僅102開關柜內BOD完全爆裂，因此判斷10 kV開關柜著火原因是因102開關柜內BOD爆炸引起。

圖2 電站7月19日19：16：20前后1 min雷電分布

3.3 廠高變差動保護動作原因

電站廠高變為干式變壓器，額定容量為6 300 kV·A， 額定電壓為 15.75±2×2.5%/10.5 kV。 廠高變配有差動保護和繞組溫度保護。廠高開關為SF6斷路器，從廠高開關204 CT配置接線及10 kV開關柜布置圖 （見圖3）可知，10 kV開關柜內BOD裝在CT下端，廠高變差動保護范圍為102開關進線CT至204開關進線CT，保護范圍包括204開關及開關內避雷器、出線電纜、廠高變、102開關進線電纜及BOD。當102開關柜內BOD爆炸時，造成102開關柜內短路 （過電壓保護裝置相間短路）引起廠高變差動保護動作。

圖3 2號廠高變差動保護配置

3.4 204開關拒跳原因分析

事故發生時，廠高變保護裝置及時動作，10 kV102開關及時跳閘，10 kVⅡ段電源消失，但204開關拒動，204開關接線原理簡圖如圖4，該開關配一個跳閘線圈，且有跳閘監視回路至全廠計算機監控系統。從監控事件邏輯以及廠高變保護裝置內部記錄顯示，從19:16:20.728至故障切除，廠高變差動保護動作次數多達到41次，溫度過高保護動作次數也多達20次，至到保護裝置電源消失，204開關均未跳閘。后查204開關跳閘回路外部接線正確，但查開關內部回路時發現204開關跳閘線圈燒損，導致204開關拒跳。同時對跳閘回路監視進行檢查時發現柜內出口至監控系統報警回路不通，因開關合閘輔助接點CZ6-CZ46內部線接錯，誤接成CZ6-CZ16，因此跳閘線圈斷線功能一直未能正常投運，導致運行人員無法及時發現跳閘回路已斷線。

3.5 2號廠高變受損原因分析

因204開關拒跳，故障點未能及時切除，從主變高壓側電流及電壓錄波可以看出，在19:16:20至19:18:06之間，主變壓器高壓側三相電流一直保持在70 A左右，由此計算出廠高變高壓側電流約為2 333 A，持續時間約為106 s，后因過熱致使廠高變受損。

3.6 4號主變差動保護動作原因

從圖3可知，廠高開關204出線CT分別接入主變差動保護A、B套，保護范圍包括了主變高壓側至204開關下端。因204開關拒跳，故障點未能及時切除，在19:18:06左右，主變壓器高壓側三相電流突然增大，500 kV母線電壓降低，事后查看原因是因204開關進線電纜C相接頭被燒損接地，同時廠高變受損，廠高變高壓側短路，主變差動保護A、B套同時動作，主變高壓側斷路器5003開關跳閘 （跳閘時故障錄波圖如圖5），短路電源被切除，故障點被切除。

4 問題分析

從上面事故原因分析可知，在電站設計、設備選型及安裝、調試、試運行過程中主要存在以下幾個方面問題。

（1）設計對雷電波通過戶外設備及線路侵入地下廠房設備系統重視不夠。電站為雷電多發山區，未考慮針對性的重點防范保護措施。

（2）10 kV開關柜配置的過電壓保護裝置BOD不太適合有較高防雷要求的多雷區電站廠用電系統。

本文通過引入二極管—電感并聯網絡[15-16],構建了一個新型的改進型文氏橋混沌振蕩器,簡化了電路的復雜度[12]。

（3）廠高204開關可靠性較低。作為電站重要負荷開關未設置雙跳閘線圈 （盡管合同中明確要雙線圈），跳/合閘線圈在調試過程中曾出現過線圈受損，說明該線圈存在一定的質量缺陷。且該開關在出廠時開關合閘位置輔助接點接錯，暴露出開關在出廠試驗及出廠驗收時不嚴格。

圖4 204開關接線原理示意

圖5 主變差動保護動作時機組故障錄波

（4）在設備安裝調試階段，對一些重要輔助回路和功能檢查不嚴，模擬試驗不到位，導致設備存在出廠缺陷時未能及時發現并消除。

（5）廠用10 kV開關室的設備布置不盡合理，電纜橋架布置在10 kV開關柜上部，在開關柜與橋架之間未采取防火隔離措施，一旦10 kV開關爆炸，會引起電纜著火。

（6）在機組調試階段，對電站廠用電系統運行安全問題未引起足夠重視，10 kV系統運行方式不夠合理，未能根據機組投運及時對廠用電運行方式作出調整，對全廠失電風險分析不夠，預控措施不嚴。

（7）電站運行維護人員對代管的設備，特別是10 kV開關柜配置的BOD未引起足夠的重視，對該設備的作用、性能、原理缺乏深入的了解，運行維護中維護檢查不到位。

（8）基建與生產過渡期的生產技術管理未能及時跟上。基建階段在部分設備投運后，未按生產管理要求及時進行相關設備預試；相關生產人員對新投產設備未能全面了解，未能及時建立10 kV、400 V避雷器及過壓保護裝置臺帳。

5 改進及防范措施

（2）將10 kV真空開關過電壓保護裝置BOD改為氧化鋅避雷器，徹底消除BOD危險源。

（3）加強對204開關跳合閘線圈檢查預試力度，將單跳閘線圈改為雙跳閘線圈。同時對開關的輔助接點及跳閘回路進行全面檢查整改，加強對跳閘回路的檢查維護力度。

（4）全面檢查梳理完善電站電纜及盤柜的防火封堵。完善廠用10 kV開關室的防火隔離措施，在開關柜與上部的電纜橋架之間加裝防火隔板。

（5）加強生產人員的技術培訓工作，特別是有針對性的進行現場設備培訓，提高生產人員的業務技能水平和現場處置能力。

（6）加強設備的運行維護和巡視；加強設備安裝、機組調試質量控制，嚴把工程驗收和交接驗收關；加強技術資料管理，健全設備技術檔案。

6 結 語

由于抽水蓄能電站地下廠房的特殊性，電站廠用電系統的安全直接關系到廠房設備的安全，因此對電站廠用電系統從設計、設備選型到出廠驗收、安裝調試各個階段均應引起足夠的重視，特別是對多雷區電站，應充分考慮電站廠用電系統防雷的特殊要求，任何細微的錯誤或不足，均可能對電站安全帶來較大風險。同時，在抽水蓄能電站工程建設和運營過程中，無論是在基建階段，還是在基建轉生產階段，甚至是在電站完全投運后，電站廠用電系統運行方式應根據機組的投運 （或檢修）做出及時調整，電站廠用電系統的安全是確保電站工程建設和運營安全的最基本保障。