某供電局5座35 kV變電站失壓事故原因仿真計算分析

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任公司，云南 昆明 650217；2. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；3. 云南電網有限責任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000；4. 云南電力技術有限責任公司，云南 昆明 650217；5. 云南電網有限責任公司臨滄供電局，云南 臨滄 677000）

0 前言

雷電是自然大氣中超強、超長放電現象。雷電發生時，其強大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場，以及強烈的電磁輻射等，給人類社會帶來極大的危害，造成人員傷亡、起火爆炸、嚴重損失[1]。雷電災害被聯合國國際減少自然災害十年（IDNDR）公布為“十種最嚴重的自然災害之一”。無論從造成的傷亡人數，還是從所造成的財產損失，雷電災害都已成為我國的主要自然災害之一[2]。雷電災害的危害程度和經濟損失以及社會影響越來越大[3]。近年來，隨著閃電探測手段的提高和雷電防護技術的日趨進步，科技工作者對閃電形成機制、特征、活動規律、雷電災害及防御進行了大量分析研究[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 日出現強烈雷電，發生5 座35 kV 變電站母線失壓事故，本文對該次事故進行仿真分析，將此實際應用案例加以總結提煉，以對后續變電站失壓事故應用工作開展提供參考借鑒。

1 事件概述

2020 年2 月28 日03 時04 分，110 kV SHB 變#1 主變中后備保護動作，#1 主變35 kV側301 開關跳閘，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。

經現場故障設備解剖及仿真計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，造成絕緣子發生多次閃絡，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 段母線系統多次遭受雷擊絕緣子閃絡接地恢復，激發鐵磁諧振，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，產生操作過電壓，造成A 相熔斷器上端頭沿A 相PT沿面閃絡，引起A、B 相弧光短路，進一步發展成A、B、C 三相弧光短路。最終1 號主變保護1、保護2 和35 kV 側過流速斷保護動作跳開35 kV 側301 開關。

2 現場設備檢查情況

2.1 35 kV電磁式電壓互感器

經現場外觀檢查發現110 kV SHB 變35 kV I 段母線A 相PT 有對地沿面閃絡痕跡，B 相PT底部有對地放電碳化痕跡，B 相PT 解體后發現一次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，發現A、B、C 三相熔斷器骨架上熔絲接觸點有明顯碳化痕跡，沿熔絲方向沙粒部分碳化。表現為長時間通過小電流發熱熔斷，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 仿真計算分析

3.1 仿真參數

35 kV ANS 變出線2 僅5 m 電纜，建模時忽略；35 kV EJ 變含1 條出線，其線纜型號及長度未知，仿真設置為10 km，型號為LGJ-120/20。各線路數據如表1 所示。母線電壓互感器因無準確勵磁特性曲線，統一設置為UMEC transformer 飽和特性模型；消諧器模型：35 kV ALB 變為LXQ（D）II-35 消諧器的伏安特性；35 kV ANS 變為LXQ-IV-35 消諧器的伏安特性，數據如表2 所示。

表1 線路導線型號及長度

表2 母線電壓互感器及消諧器

3.2 對比仿真分析

仿真設置雷電流為8/20 標準50 kA 雷電流，在0.1 s 時線路遭受雷擊，0.8 s 時絕緣子閃絡接地，接地時間為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 時刻，線路遭受雷擊，雷電過電壓為120 kV，在避雷器殘壓范圍內。從零序電壓看雷擊線路系統未發生諧振，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 時刻，絕緣子閃絡接地，1 s 時接地故障消失，接地故障消失后激發了穩定的1/2 分頻諧振；A 相接地時間段，接地時刻B、C 相飽和電流峰值最大達4.5 A，諧振時間段，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 之間未發生鐵磁諧振，接地故障時刻電流B 相峰值最大為2.7 A，接地相PT 電流較?。?.8 s 時刻，絕緣子閃絡接地，1s 時接地故障消失，接地故障消失后激發了不穩定1/2 分頻諧振，持續時間為0.45 s；諧振時間段，PT 電流三相相差不大，最大峰值電流出現在接地消失時刻為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 之間未發生鐵磁諧振，接地故障時刻電流B 相為2.7 A，接地相PT 電流較?。?.8 s時刻，絕緣子閃絡接地，1 s 時接地故障消失，接地故障消失后激發了不穩定1/2 分頻諧振，持續時間為0.06 s；諧振時間段，PT 電流三相相差不大，最大峰值電流出現在接地消失時刻為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 接地與接地消失時刻，LXQ（D）II-35 型消諧器接地恢復時刻過電壓最高為9.8 kV，接地時間段的工頻過電壓為6 kV，LXQ-IV-35 型消諧器接地恢復時刻過電壓最高為7.1 kV，接地時間段的工頻過電壓為4.9 kV。35 kV 電磁式電壓互感器N 端設計工頻耐受電壓為5 kV。表明LXQ（D）II-35 型消諧器在系統出現暫態過程中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

通過分析現場檢查資料、試驗及計量終端數據，結合仿真分析判斷事故原因為：

35 kV ANS 線、35 kV YL 線遭受多次雷擊，造成絕緣子發生多次閃絡，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 段母線系統多次遭受雷擊，絕緣子閃絡接地、恢復，激發鐵磁諧振，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，產生操作過電壓，造成A 相熔斷器上端頭沿A 相PT 沿面閃絡，引起A、B 相弧光短路，進一步發展成A、B、C 三相弧光短路。最終1 號主變保護1、保護2 和35 kV 側過流速斷保護動作跳開35 kV 側301 斷路器。

4.2 建議

1）35 kV EJ、35 kV YL 變未安裝消諧器，在當前運行方式下，如發生接地故障，系統可能再次發生鐵磁諧振；建議35 kV EJ、YL 變母線PT 加裝消諧器，使用時應注意全絕緣PT 使用SiC 消諧器，如發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 母所供變電站系統發生過鐵磁諧振，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極易產生操作過電壓，建議選用多斷點式或采用集膚效應熔斷機理的熔斷器，如采用優質廠家的產品（浙江博達、西安庫柏等）。

5 結束語

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，發生單相接地故障易引發諧振。系統處于諧振狀態時，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，不在發生穩定的鐵磁諧振，諧振持續時間僅為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，諧振時間僅為0.06 s，根據行業標準零序電壓振蕩時間小于1 s，認為消諧良好。

3）單相接地故障時：故障相PT 勵磁電流較小，不會在短時間內引起多個變電站熔斷器三相同時熔斷。鐵磁諧振時PT 三相電流同時增大且呈現一定周期性，能引起三相PT 熔斷器在短時間內熔斷。

4）從仿真來看，采用50 kA 的標準雷電流，雷擊線路后未有效激發出持續的鐵磁諧振，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），結合小電流選線系統多次報接地故障，懷疑此次鐵磁諧振由雷擊引起絕緣子對地閃絡故障引起。

5）從仿真來看，接地恢復時刻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 端設計工頻耐受電壓為5 kV。懷疑110 kV SHB 變35 kV I 母PT 尾端絕緣破壞是由于系統多次接地恢復產生的過電壓引起。