一起操作過電壓引發的事故分析

王 鋒，趙 毅，叢 林

（山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250103）

一起操作過電壓引發的事故分析

王 鋒，趙 毅，叢 林

（山東省產品質量檢驗研究院，山東 濟南 250103）

針對一起高壓開關柜頻繁操作引起避雷器爆炸和變壓器短路事故進行深入研究，發現高壓開關柜頻繁操作產生的操作過電壓是造成事故的主要原因。事故發生機理是高壓開關柜的頻繁操作對電器設備的絕緣性能造成累積性損傷，因此電器設備的絕緣性能閾值逐漸下降。事故產生過程是操作過電壓超過避雷器絕緣性能的閾值，因此避雷器的絕緣被擊穿引起事故；變壓器低壓側沒有安裝阻容吸收裝置，缺少針對操作過電壓的抑制裝置，使得操作過電壓損害變壓器的絕緣性能，最終導致變壓器發生短路事故。最后有針對性地提出改進建議，預防和降低由于操作過電壓造成類似事故的發生，保障電力系統安全運行。

操作過電壓；電力事故；避雷器爆炸；變壓器短路

Abstract:In this paper,the power system accident that lightning arrester explosion and transformer short circuit caused by the frequent operation of high voltage switch cabinet is studied deeply.It is found that the overvoltage caused by the frequent operation of the high voltage switch cabinet is the main cause of the accident.The accident mechanism is that the insulation performance of the electrical equipment is cumulatively damaged by the frequent operation of the high voltage switch cabinet.Therefore，the insulation performance threshold of the electrical equipment is gradually decreased.The accident process is due to the threshold of overvoltage over the lightning arrester,so the insulation of lightning arrester is breakdown and the accident is caused.The resistance and capacitance absorbing device is not installed on the low voltage side of the transformer，so there is no suppression device for overvoltage.The insulation performance of transformer is damaged by the overvoltage,so that leads to transformer short circuit fault.Some improvement suggestions are proposed to prevent and reduce the occurrence of similar accidents and ensure the safe operation of power system.

Key words:operating overvoltage；electric power accident；lightning arrestor explosion；transformer short circuit

0 引言

在高壓輸變電系統中，高壓開關柜起到控制和保護的作用，一般情況下高壓開關柜穩定運行不需要頻繁操作。在電力系統定期例行檢修維護時需要對高壓開關柜分合，進行性能檢測，確認高壓開關柜是否滿足使用要求。高壓開關柜操作過電壓對電力系統的影響，不在例行檢修維護和檢測的范圍之內。在某些特殊應用場合，高壓開關柜需要進行頻繁閉合和斷開操作，操作過程中產生的操作過電壓對系統中所連接設備的絕緣性能有嚴重影響。柜內安裝的避雷器，對操作過電壓起到一定的抑制作用。

根據實測，雷電過電壓波形是一種非周期性脈沖波。根據國內和國際相關標準規定［1］，標準雷電過電壓試驗波的波前時間為（1.2±30%）μs，半峰值時間為（50±20%）μs；標準操作過電壓的波前時間為（250±30%）μs，半峰值時間為（2500±60%）μs。 操作過電壓波的持續時間比雷電沖擊電壓波長，形狀復雜，而且它的形狀和持續時間隨線路的具體參數和長度的不同而異。目前國際上趨向于用一種幾百微秒波前和幾千微秒波長的長脈沖來代表操作過電壓。

高壓開關柜在使用過程中需要承受雷電過電壓和操作過電壓的沖擊破壞。因此避雷器安裝在高壓開關柜中，用于保護高壓開關柜承受瞬態過電壓造成的危害，并限制續流時間。避雷器在正常工作電壓下，呈現高電阻狀態，僅有微安級電流通過。在過電壓大電流作用下呈現低電阻，從而限制了避雷器兩端的殘壓。

目前國內外相關研究主要集中在雷電及操作過電壓的識別［2-3］、過電壓在線監測［4-5］、操作過電壓對電器設備的影響［6-12］等方向。對于在供電系統中高壓開關柜的頻繁操作對用電設備絕緣性能累積性破壞的研究較少。本文針對一起操作過電壓導致避雷器爆炸和變壓器短路事故進行原因分析，并提出改進建議。

1 事故系統

事故所在系統可簡化為由110 kV／35 kV變壓器、35kV高壓開關柜Ⅰ、35kV高壓開關柜Ⅱ、35kV／400 V變壓器Ⅰ、低壓用電設備Ⅰ、35 kV高壓開關柜 Ⅲ、35 kV／400 V變壓器Ⅱ、低壓開關柜和低壓用電設備Ⅱ組成，如圖1所示。

圖1 供電系統原理

該供電系統構成方式。110 kV變電站為110 kV／35 kV變壓器提供一次側電源，該變壓器的二次側輸出電壓為35 kV；35 kV高壓開關柜Ⅰ作為主電路的控制開關；35 kV高壓開關柜Ⅱ和Ⅲ并聯連接；35 kV高壓開關柜Ⅱ、35 kV／400 V變壓器Ⅰ和低壓用電設備Ⅰ組成供電支路1；35 kV高壓開關柜 Ⅲ、35 kV／400 V變壓器Ⅱ、低壓開關柜和低壓用電設備Ⅱ組成供電支路2。系統在正常工作時供電支路1和供電支路2不會同時工作。

2 避雷器爆炸事故原因分析

避雷器爆炸事故發生在供電支路1，該支路正常送電過程為：低壓用電設備Ⅰ負載，首先35 kV高壓開關柜Ⅱ閉合，然后35 kV高壓開關柜Ⅰ閉合，經過時間t之后35 kV高壓開關柜Ⅱ斷開，然后35 kV高壓開關柜Ⅰ斷開，供電工作結束。

此次避雷器爆炸事故發生在低壓用電設備Ⅰ空載調試階段，具體過程如下。

事故過程。低壓用電設備Ⅰ空載，首先閉合35 kV高壓開關柜Ⅰ，然后閉合35 kV高壓開關柜Ⅱ。35 kV高壓開關柜Ⅱ閉合的瞬間發生避雷器爆炸事故，繼電保護系統發揮作用使110 kV／35 kV變壓器斷路器及時斷開，阻止了事故的進一步擴大。

圖2 正常安裝的避雷器

圖2為高壓開關柜內正常安裝的避雷器，避雷器安裝于35 kV高壓開關柜的斷路器進線端與接地線之間。

圖3 避雷器爆炸的事故現場

圖3為避雷器爆炸的事故現場，對比圖2可以發現避雷器A相損壞最嚴重，其次是B相，C相損壞較輕。

根據 GB 3906—2006 中條款 6.2.6.2 規定［14］，需要對 35 kV 高壓開關柜采用 1.2 μs／50 μs標準雷電沖擊試驗電壓，對每一試驗條件和正、負極性施加其額定耐受電壓連續15次。但是沒有對高壓開關柜的操作過電壓的提出試驗要求，即在高壓開關柜設計時未考慮操作過電壓對高壓開關柜的性能影響。本次事故的工作環境：高壓開關柜在正常天氣時需要進行頻繁地閉合和斷開操作，在雷雨等惡劣天氣時停止工作。因此高壓開關柜在使用中承受的過電壓實際是操作過電壓，而不是雷電過電壓。

在操作過電壓對避雷器頻繁沖擊的累積作用下，避雷器的絕緣性能下降。

當某一操作過電壓的破壞作用超過避雷器絕緣所能承受的閾值，造成避雷器的絕緣擊穿，形成高壓側單相對地短路，如圖4所示。

圖4 高壓側單相短路

結合圖3和圖4進行分析，發現與高壓側A相連接的避雷器發生單相對地短路，避雷器難以承受短路故障產生的熱量和電動力，造成A相避雷器的爆炸，同時損壞相鄰的B相和C相避雷器。

3 變壓器短路事故原因分析

變壓器短路事故發生在供電支路2，該支路正常送電過程為：35 kV高壓開關柜Ⅲ長期處于閉合狀態，低壓用電設備Ⅱ空載；首先35 kV高壓開關柜Ⅰ閉合，然后低壓開關柜進行閉合和斷開操作，控制低壓用電設備Ⅱ的供電狀態，供電工作結束。

此次變壓器短路事故發生在設備空載調試階段。事故過程為：低壓用電設備Ⅱ空載，35 kV高壓開關柜Ⅲ處于閉合狀態，閉合35 kV高壓開關柜Ⅰ。在35 kV高壓開關柜Ⅰ閉合的瞬間，110 kV／35 kV變壓器和35 kV／400 V變壓器Ⅱ發生短路事故。

該供電支路1和支路2在工作時，都需要35 kV高壓開關柜Ⅰ頻繁閉合和斷開操作，每一次操作都會產生不同程度的過電壓，直接對110 kV／35 kV變壓器、35 kV／400 V變壓器Ⅱ造成操作過電壓沖擊，操作過電壓對變壓絕緣性能的損傷長期積累使得變壓器的絕緣性能下降。

35 kV／400 V變壓器Ⅱ為油浸式變壓器，安裝使用時間較長。在日常的維護保養過程發現存在少量漏油現象，導致變壓器的絕緣性能存在安全隱患。

當某一次操作過電壓超過35 kV／400 V變壓器Ⅱ絕緣性能的閾值，引起高壓側絕緣擊穿，發生相間短路，該變壓器內變壓器油噴出。

35 kV／400 V變壓器Ⅱ高壓側絕緣擊穿通過線路反作用于110kV／35kV變壓器，使得110 kV／35 kV變壓器高壓側和低壓側同時絕緣擊穿。造成高壓側和低壓側發生相間短路，事故之后絕緣電阻測試發現該變壓器的高壓側、低壓側、對地相互之間絕緣電阻5 MΩ左右。

4 改進建議

操作過電壓發生在分合空載線、分合空載變壓器和電抗器、各類故障等情況。系統的運行狀況發生突然變化，導致系統內部電感元件和電容元件之間電磁能量的互相轉換產生操作過電壓。操作過電壓的幅值和持續時間與電網結構參數、斷路器性能、系統接線、操作類型等因素有關。

避雷器類型選擇氧化鋅避雷器，并有效監測避雷器是否在合理的使用范圍之內。避雷器在失效之前及時更換，降低避雷器失效對供電系統安全運行造成的風險。

在35 kV高壓開關柜斷路器的進線端口增加阻容吸收裝置，限制操作過電壓的峰值，吸收操作過電壓的能量。阻容吸收裝置為△連接，避免發生高壓側接地短路。

變壓器低壓側增加阻容吸收裝置，進一步從低壓側限制操作過電壓對供電系統的影響。

5 結語

對一起操作過電壓導致的避雷器爆炸和變壓器短路事故進行了詳細的原因分析，指出高壓開關柜的頻繁操作對高壓用電設備的絕緣性能造成累積性損傷是產生事故的根本原因。針對該供電系統提出了改進建議，有助于提高該供電系統運行的安全性能。

對高壓開關柜頻繁操作產生的操作過電壓對用電設備的影響進行定性分析。針對此問題如何進行定量分析，建立相關的數學模型，設計出相應的設備是下一步工作的重點。

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The Accident Analysis Caused by Operating Overvoltage

WANG Feng,ZHAO Yi,CONG Lin
（Shan Dong Institute for Product Quality Inspection,Jinan 250103,China）

TM862

B

1007－9904（2017）09－0035－04

國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃項目（2016QK098）

2017－08－15

王 鋒（1964），男，高級工程師，從事變壓器、低壓電器產品檢測工作。