10 kV 高壓設備短路故障分析及應對措施

韓一鳴，程國莉

（1.廣東省能源集團貴陽抽水蓄能發電有限公司，貴州 貴陽 550000；2.天生橋一級水電開發有限責任公司水力發電廠，貴州 黔西 562400）

1 概述

水力發電系統的組成結構和運行環境比較復雜，存在較多的客觀原因和不可控因素會引起電力系統出現故障，增加了發生安全事故的概率，同時還會造成經濟損失。造成電力系統短路情況的主要原因在于相與相或者相與地之間絕緣被破壞，形成非正常低阻抗通路，這種現象也稱為短路故障。短路故障所產生的短路電流較大，并且發熱嚴重，進而引起用電設備出現不同程度的損壞。當短路位置與電源之間的距離較近時，隨著短路時間的增加，電力系統中的各個機組不能在同一時間啟動運行，系統的整體穩定性降低。甚至可能出現發電機組損壞的情況，進而導致整個電力系統崩潰。為了避免高壓設備由于短路故障造成破壞，需要對短路故障進行檢測，并及時采取有效措施進行故障排除，從而保證配電網絡的安全穩定運行。

2 10 kV 高壓設備短路故障問題類型

常見的短路故障包括三相短路、單相短路、兩相短路和兩相接地短路四種。

三相短路指的是三相導體間的短路，是一種對稱性短路。三相短路如圖1 所示。

圖1 三相短路

兩相短路指的是系統中任意兩相導體間的短路，是一種不對稱短路。兩相短路如圖2 所示。

圖2 兩相短路

單相短路是指供配電系統中任一相與接地點或接地發生的短路，如圖3 所示。

圖3 單相短路

兩相接地短路是指中性點不接地系統中任意兩相發生單相接地而產生的短路，如圖4 所示。

圖4 兩相接地短路

在電力系統中，發生單相短路的概率最大，大約占到故障發生總數的80%[1]；而三相短路的發生概率較低，但危害最大。對于10 kV 高壓設備而言，常見的短路故障主要包括非金屬性短路故障和金屬性短路故障。其中非金屬性的短路故障指的是故障點電阻為零時所產生的故障。這種故障的特點是短路電流較小，持續時間較長，從而引起電力系統的局部位置的穩定性降低，同時對整個電力系統的安全產生威脅。金屬性短路故障指的是金屬導線之間出現連接或者接觸而產生短路情況。金屬短路的特點是會導致短路點一定范圍內的線路電阻值快速降低到零，并且還會出現明顯的電壓波動。

3 10 kV 高壓設備短路的危害

在電力系統中，高壓設備出現故障的概率非常低，但是一旦出現短路故障，造成的危害卻非常嚴重。短路故障所造成的危害主要包括以下幾點：

（1）電力系統中出現短路時，所產生的電弧對用電設備危害較大，甚至會直接燒毀設備，并對工作人員的生命安全產生危害；

（2）短路故障產生的短路電流非常大，并伴隨嚴重的發熱情況，嚴重威脅用電設備和導體；

（3）電力系統中出現短路故障時，整體電壓降低，無法正常供電，用戶用電遭到限制；

（4）短路故障會造成發電機組的運行穩定性降低；

（5）當短路故障不對稱時，所產生的交變磁場不平衡，會干擾性整個系統。

4 防范10 kV 高壓設備短路的具體措施

4.1 從絕緣材料的選擇上進行防范

對于10 kV 的高壓設備而言，其內部結構比較復雜，包含了較多的細小零件，為了保證設備的品質，零件材料選取非常重要。選取的條件主要包括兩個方面，其一是所選材料必須具有良好的絕緣性，并且耐用性好，整體性能高。采用性能良好的材料從而提高高壓設備的安全性和可靠性。其二，所選材料需要結合使用環境的氣候等因素，根據實際情況選取最合適的材料類型，從而提高高壓設備的穩定性和可靠性，使其能夠在后續的工作過程中保持良好的運行狀態。如126~1 100 kV 盆式絕緣子[2]、絕緣法蘭、絕緣拉桿、絕緣支持件、絕緣筒臺、絕緣板等產品廣泛用于國內中大型高壓開關。

4.2 從外部環境方面進行防范

通常情況下，10 kV 高壓設備的工作環境比較惡劣，出現短路故障的可能性大。需要對外部環境進行監測和控制，從而降低高壓設備的短路故障概率。可以通過RJ145、MODBUS 等總線通信協議以及遠程監控和自動報警控制技術對電力高壓設備的運行參數進行實時監控[3]，包括虛擬曲線、電子地圖等數字化的監控界面，能夠實現實時監控和報警。

4.3 從爬電比距的選取上進行防范

對于高壓設備而言，爬電比距是一項重要的參數，對設備的穩定性具有直接的影響，所以，爬電比距的選取十分重要。在實際運行過程中，工作人員需要根據工作環境，工作需求，選取最合適的值。當沒有特殊要求時，其選取范圍通常為在5~22 mm/kV之間[4]；當有特殊施工工藝要求時，則根據具體需求選取合適的參數，從而保證高壓設備的絕緣性足夠好，進而減少短路故障的發生。

4.4 從繼電保護裝置性能方面進行防范

繼電保護裝置的選取需要根據實際電網需求進行配置，與此同時，對于已有的繼電保護裝置，還需要對其進行優化和維護，從而保證整個高壓電網系統的穩定性。除此以外，高壓設備的電氣容量需要實時關注，并根據實際情況對繼電保護裝置進行升級換代或者對參數進行更改，從而滿足不同的工作環境要求。

在電力系統中，常見的繼電保護方式為三段式短路保護，即Ⅰ段過流保護，Ⅱ段限時電流速斷保護及定時限過流保護，Ⅲ段組合式保護。對繼電保護裝置而言，要求具備選擇性、速動性、靈敏性和可靠性4 個特點，才能在出現短路故障時迅速發生跳閘動作。就速動性而言，在實際工作過程中，由于一些中低壓電力元件能夠通過延時保護來切除故障，所以在速動性要求方面需要結合實際需求而定。而靈敏性指的是保護裝置的反應能力。除此以外，在結構上，繼電保護裝置還需具備簡單、精細以及可靠的特點，從而避免產生較大的誤差。

4.5 從安全用電方面進行防范

由于高壓設備的安裝和使用對于電氣安全具有較高的要求，所以對于工作人員的電氣安全技能要求較高。在施工過程中，不僅要保障開關柜導體接地，保證完全按照工藝標準進行施工，而且相間空氣間隙和對地空氣間隙的值要必須大于125 mm[5]。除此以外，當電網系統比較復雜時，用電設備之間的絕緣性要求更高，尤其是高壓設備。

4.6 從配電線路的管理上進行防范

對于高壓設備，管理人員需要對其進行定時，定期或者有計劃的巡視，并進行維護和管理，關注高壓設備的負荷情況，確保高壓設備能夠保持在穩定運行狀態。

4.7 從制度的建設和落實上進行防范

由于管理人員需要根據企業規章制度執行工作，所以企業制度不僅要健全，另外還要合理，充分考慮工作過程中可能出現的情況，做好緊急預案的同時完善好各個細節。除此以外，開展事故演習，能夠讓工作人員熟悉事故處理環節，同時提高工作人員的反應能力。

4.8 從技術人員的技能上進行防范

通過培訓提高技術人員的業務能力和水平，如應該有完善的巡線機制和應急機制并落實；然后對整個線路進行管理，能夠故障出現的短時間內完成故障的發現、排除以及恢復等工作。最后還需建立檔案對運行過程數據以及技術信息等進行記錄[6]。

5 短路故障分析及應對措施案例

以某變電站故障為例，其一次接線圖如圖5所示。

圖5 某變電站一次接線圖

通過分析短路電弧狀態可知，412 輸送線1 在運行過程中，發生相間的短路，導致35 kV 全失壓，進而發生短路故障。通過現場分析故障點為412 結點短路，母線室的底部有電弧痕跡，并且412 與413和414 的三相之間具有電弧放電點。將回路的母線一級短路器和各個出線部分的斷路器與母線進行連接，對整體進行耐壓測試，該變電系統測試耐壓試驗合格，并未被擊穿。而412 節點位置在進行耐壓測試沒有通過測試，在達到1.85 kV 的時候形成了放電回路，通過分析為母線室的金屬鎧甲與其連接部分實現放電回路。

考慮到事故發生時還存在相間短路的故障情況，因該站10 kV 系統為不接地系統，可能存在設備相間距離不足，當故障相完全接地時，非故障相電壓升高3 倍或接地電弧在燃滅過程引發的弧光接地，過電壓導致非故障相電壓升高3.25~3.35 倍，從而測試相間擊穿放電的可能性。故對相間也進行了耐壓絕緣試驗，試驗結果合格未擊穿。

針對分析提出以下防范對策：在進行接地設置時，消弧線圈接地應選用具備電流顯示功能的接地系統，設備定檢時加強對開關設備及接頭的檢查，發現放電回路及時處理。通過試驗查找設備爬電間隙薄弱之處。應該重視阻燃材料的選擇，進而提高電網高壓開關柜的絕緣性能，同時也可以選擇小電阻接地的方式，減小系統短路所造成的影響，在發生短路時起到良好的切除隔離作用。

6 結語

由上述可知，通過對10 kV 高壓設備的重要性進行分析，找出現階段高壓設備安裝存在的主要問題，提出相應的解決措施，降低用電安全事故的發生，使高壓設備的安全性和穩定性得到保證，促進電力行業的發展。10 kV 配電線路客觀的存在著線路復雜及電氣設備多樣化的現實問題，而高壓設備通常受外部環境、人為因素的影響極易引起短路故障，危害整個電網安全。因此，作為工程技術人員在進行10 kV 高壓設備的施工過程中，應明確故障原因并從多個角度進行防范，實現電網系統的安全運行。