某110 kV變電站35 kV側相間故障分析及治理措施研究

(.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 6004；

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

0 引 言

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

四川電網某110 kV變電站35 kV側在12個月內連續發生4起因用戶作業引起相間擊穿進而發展為三相故障，造成嚴重電網損失和較大影響，是現有35 kV供電系統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展過程，找出了引起故障的根本原因，指出現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。當天該地區天氣良好。

根據故障時刻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側發生A、B相間短路，40 ms后演變為A、B、C三相短路故障，主變壓器中壓側電流電壓如圖1所示。

故障發生后，經檢查35 kVⅠ母PT避雷器柜內有多點放電痕跡，35 kVⅠ母 PT避雷器柜內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，避雷器內部未發生故障，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

經現場查勘，故障現象為相間短路，而非相對地短路，故障現象與錄波情況符合。

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側發生A、B相間短路，15.6 ms后演變為A、B、C三相短路故障，如圖3所示。

經檢查，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。

從現場故障現象來看，該次故障為相間短路，故障現象與錄波情況符合。

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 避雷器柜內放電

根據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斷路器間隔內發生B、C相間短路故障，經過48 ms發展為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

經檢查，發現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。

經現場查勘，從現場故障現象來看，該次故障為相間短路，故障現象與錄波情況符合。

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

經檢查發現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，發生B、C相間短路故障，經過65.6 ms發展為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

經現場查勘，從現場故障現象來看，該次故障為相間短路，故障現象與錄波情況符合。

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記錄，得知第4次故障發生時，該鍛造車正在進行鋼水的補料作業，精煉爐在運行。由此推測，4次故障均為該廠進作業時引起。

通過對故障近期錄波文件的調取，發現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到發生故障前，共出現了3次電壓異常波動。根據錄波啟動數據記載，多次出現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次故障前一周內發生了多次35 kV側某藍線間隔內短路，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次故障發生后，對35 kVⅠ母柜內避雷器更換了計數器，第3、4次故障發生后對避雷器動作情況進行抄錄，35 kVⅠ母避雷器計數器動作情況見表1。

表1 避雷器計數器動作情況

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展為三相故障。對于部分特殊負荷，相間過電壓不容忽視，據實測數據表明，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時，由于負荷的特殊工作方式，多次發生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定值的±1%。

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

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

4 結 語

1)大用戶作業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系統未根據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35 kV避雷器動作情況可知，避雷器實現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。