35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故分析

胡 越，陳嘉豪

（國網湖北省電力有限公司天門市供電公司，湖北 天門 431700）

在電力系統(tǒng)運行中，及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，對于保障系統(tǒng)的平穩(wěn)運行具有重要作用。35kV 變電站接地變壓器在電力系統(tǒng)中扮演著至關重要的角色，其正常運行直接關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。然而，在實際運行中，由于各種原因，接地變壓器故障燒損事故時有發(fā)生，給電網安全運行帶來一定威脅。為深入了解和分析35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故，需要研究事故原因，找到問題的癥結所在，并提出相應的解決方案，以防范未來類似的事故。

1 35kV 變電站事故前的運行方式

在事故前的運行方式中，1 號主變已經完成投運，主變壓器是電力系統(tǒng)中能量傳遞的核心設備，其正常運行對電網的穩(wěn)定性會產生直接影響，1 號主變投運意味著系統(tǒng)有了更多的傳輸能力和備用能力；35kV 變電站采用兩段10kV 母線并列運行的方式，使得系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下可以實現(xiàn)備用互換，提高了系統(tǒng)的可靠性，母線并列運行也為系統(tǒng)提供了更好的靈活性，方便對系統(tǒng)進行維護和檢修；在正常運行狀態(tài)下，35kV變電站有6 條10kV 出線同時運行，出線負責將電能傳輸?shù)较掠斡脩艋蚱渌冸娬?，確保電力系統(tǒng)的供需平衡，通過多條出線的運行，系統(tǒng)不僅能夠滿足不同負荷需求，還提高了系統(tǒng)的容錯性；在事故前，35kV 變電站正常運行時帶有4000kW 的負荷，表示系統(tǒng)在事故前處于一種正常運行狀態(tài)，能夠滿足相應的用電需求，負荷的變化會直接影響電網的穩(wěn)定性，而在事故前的運行狀態(tài)下，系統(tǒng)負荷處于合理范圍內[1]。

事故發(fā)生后，仔細檢查接地選線裝置柜內情況，發(fā)現(xiàn)除了干式接地變壓器外殼存在放電痕跡外，柜內還有3 根熔斷器熔斷，接地變壓器中性點避雷器擊穿，選線裝置控制器僅有熔絲熔斷告警，沒有其他接地故障記錄。

2 35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故經過

事故發(fā)生時間為2021 年4 月25 日12 時13 分15秒至18 秒左右，系統(tǒng)發(fā)生了一次間歇性的U 相弧光接地故障，并伴隨著極高弧光過電壓，通過對I 段電壓互感器柜控制器接地故障錄波的詳細分析，能夠更清晰地了解事故的經過。在事故發(fā)生的瞬間，系統(tǒng)中U相發(fā)生了間歇性的弧光接地故障，該類型的故障通常由于設備老化、絕緣損壞或操作不當?shù)仍蛞?，U 相弧光接地導致電流異常升高，產生了大量的高次諧波；通過I 段電壓互感器柜控制器接地故障錄波分析，觀察到系統(tǒng)在故障期間伴隨著大量的高次諧波，是由于弧光的高溫和電弧振蕩所引起，高次諧波的產生加劇了電網中的電壓畸變，對設備和系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了嚴重影響；由于故障引起的弧光過電壓，使得電壓互感器零序電壓輸出呈現(xiàn)平頂波的異常波形，情況表明系統(tǒng)中出現(xiàn)了過高的零序電壓，導致設備的絕緣擊穿，對電網的穩(wěn)定性產生不可忽視的威脅。

異常的零序電壓直接影響了接地變壓器中性點保護系統(tǒng)，引起了其中的可控硅避雷器反復動作，由于零序電壓過高，避雷器受到不斷的沖擊，反復觸發(fā)并逐漸受損；避雷器和連接銅排在故障期間受到了巨大的電流沖擊，留下了明顯的放電痕跡，表明避雷器在保護系統(tǒng)的過程中受到了嚴重的擊穿和損壞；經過實際測量，發(fā)現(xiàn)3 只串聯(lián)避雷器中存在明顯的異常，其中1 只避雷器完全被擊穿，阻抗為零，另外2 只避雷器阻抗降低，閥片損壞，進一步證實了避雷器在事故中的關鍵作用，并顯示出在電弧接地故障下的嚴重受損程度[2]。

3 35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故原因分析

事故中最直接的原因在于接地變壓器中性點避雷器的設計動作值偏低，在事故中，避雷器的設計動作值并未能有效地抵御弧光接地情況下的高電壓，導致其發(fā)生擊穿，設計動作值過低使得避雷器在事故發(fā)生時無法提供足夠的防護，從而直接導致了事故的發(fā)生；弧光接地是導致事故的另一個重要因素，在系統(tǒng)中當出現(xiàn)弧光接地情況時，電壓會突然升高，對各個設備都帶來了巨大的電壓沖擊，在本次事故中，弧光接地導致中性點電壓升高，避雷器在高電壓的作用下失效。

在事故前，系統(tǒng)的最高電壓為12kV，根據(jù)中性點計算值（12kV÷3≈6.93kV），避雷器直流1mA 值不低于12.3kV，但是接地變壓器中性點避雷器的設計動作值為12.6kV，說明其設計值偏低，而線路避雷器額定電壓為17kV，折算到中性點的電壓值為9.82kV，氧化鋅閥片直流1mA 動作值不低于13.9kV，事故中避雷器的性能與電壓計算值不匹配，進一步加劇了其在弧光接地情況下的失效。事故中避雷器不僅用于過電壓的保護，還作為并聯(lián)在高壓可控硅兩端的保護元件，然而由于避雷器設計動作值偏低，其在可控硅不同期導通時并未起到作用；因為避雷器設計動作值偏低，使得在弧光接地情況下避雷器反復動作，導致避雷器不僅要承受弧光接地帶來的高電壓，還需要反復忍受工頻放電能量，增大了避雷器損壞的風險，反復動作與工頻放電能量的結合，使得避雷器在事故中扮演了不良的角色。

在事故分析的初期，對避雷器進行解剖是關鍵的步驟，而解剖過程中的發(fā)現(xiàn)揭示了制作工藝上的明顯瑕疵，瑕疵是導致事故中發(fā)生的重要因素，促成了避雷器的失效；事故中解剖發(fā)現(xiàn)，該型號避雷器采用了環(huán)氧筒套裝結構，但是該結構相對簡單，很難保證閥片側面的爬電安全，閥片側面的爬電安全對于避雷器的正常運行具有重要作用，而制作工藝簡單的結構存在缺陷，增加了閥片爬電的風險；在制作過程中，硅橡膠壓模封裝是常見的工藝，然而解剖庫存避雷器時發(fā)現(xiàn)，閥片表面存在殘留的硅橡膠，殘留導致閥片與其他部件之間的不良接觸，影響避雷器的正常運行，進而對系統(tǒng)的安全性產生嚴重威脅[3]。

在事故中，保護熔斷器未能快速開斷是造成接地變壓器故障燒損的重要原因，故障點的接地阻抗突然下降主要是由于設備故障、絕緣損壞或其他因素引起，導致故障電流的急劇增加，使得熔斷器需要迅速響應，然而如果熔斷器設計不當或存在故障，就無法在短時間內完成快速開斷；單相短路電流的劇增表明系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴重的電氣故障，熔斷器應當能夠迅速斷開電路，防止進一步的損壞，但是熔斷器的額定電流或快速開斷特性不符合實際需求，導致在高電流條件下無法快速開斷；熔斷器在流經大電流時會產生熱量，熱量無法迅速散失或熔斷器設計存在缺陷，就導致繞組的過熱，最終導致開裂和噴弧，造成熔斷器動作的延遲，失去快速開斷的效果。此外，單相短路電流的異常增加是事故的關鍵節(jié)點，短時間內無法迅速切斷高電流導致設備過載和燒損。

4 35kV 變電站接地變壓器故障燒損事故處理措施

4.1 優(yōu)化避雷器選型

在重新選型避雷器之前，首先需要全面評估35kV變電站的電氣系統(tǒng)參數(shù)，包括系統(tǒng)電壓、電流特性、接地變壓器的額定電流和額定電壓等，通過對參數(shù)的詳細了解，可以為選型提供準確的依據(jù)，確保新避雷器符合系統(tǒng)實際需求；重新選型避雷器時，要考慮35kV 變電站的電氣系統(tǒng)頻率與波形，不同系統(tǒng)頻率和波形對避雷器的性能有不同的要求，需要確保選擇的避雷器在實際運行中能夠有效工作，防范因頻率和波形變化導致的問題。在遭受接地變壓器故障燒損事故后，需要對系統(tǒng)故障模式進行深入分析，了解故障模式有助于確定新避雷器的性能需求，不同的故障模式對避雷器的選擇產生不同的影響，因此需要有針對性地進行選型；重新選型避雷器時，需注意技術參數(shù)的優(yōu)化選擇，包括擊穿電壓、動作電流、動作時間等，優(yōu)化參數(shù)可以提高避雷器在系統(tǒng)中的適應性和響應速度，從而更好地保護電氣設備免受過電壓的影響。根據(jù)35kV 變電站的實際需求，需要選擇合適的避雷器類型，常見的避雷器類型包括氧化鋅避雷器、鋇鎢避雷器等，不同類型的避雷器具有不同的特性，需要根據(jù)具體情況進行選擇，以確保其在實際運行中發(fā)揮最佳作用；在確定了新的避雷器選型方案后，需要進行全面的試驗與驗證，包括在實驗室條件下對避雷器進行性能測試，以及在35kV 變電站實際運行環(huán)境中進行驗證，通過試驗與驗證可以確保新選型的避雷器能夠穩(wěn)定可靠地工作[4]。

4.2 優(yōu)化熔斷器選型

熔斷器在電氣系統(tǒng)中擔任著過電流保護的關鍵角色，合理選擇熔斷器可以更有效地隔離故障、保護設備、減小事故影響范圍，而在35kV 變電站接地變壓器的故障處理中，優(yōu)化熔斷器選型顯得尤為重要。在優(yōu)化熔斷器選型時，需要充分考慮接地變壓器的負載特性，不同的負載情況導致過電流的幅度和持續(xù)時間不同，因此應選擇熔斷器具有較寬的過載容量范圍，以適應不同負載條件；瞬時過載和熱過載是熔斷器需要考慮的兩個主要因素，瞬時過載是由于短路等突發(fā)事件引起的，而熱過載則是由長時間的過載引起，熔斷器的選型應兼顧兩個方面，確保在短時間內迅速動作，同時能夠承受一定時間的額定負載；根據(jù)35kV 變電站接地變壓器的具體情況，選擇適用的熔斷器類型也是優(yōu)化選型的關鍵，常見的熔斷器類型包括高壓熔斷器、熔斷開關等，其工作原理和適用場景有所不同，需根據(jù)變電站的實際需求和設備特性進行選擇；35kV 變電站通常處于惡劣的環(huán)境中，例如高溫、高濕等，在熔斷器選型時需要考慮環(huán)境因素對設備的影響，選擇具有良好環(huán)境適應性的熔斷器，確保其穩(wěn)定可靠運行；在確定熔斷器選型之前，可以通過系統(tǒng)仿真和實際試驗來驗證所選熔斷器的性能，通過模擬不同故障情況，檢驗熔斷器的動作時間、動作特性等，以確保其能夠在實際故障發(fā)生時快速而可靠地動作。

4.3 構建故障信息收集系統(tǒng)

在接地變壓器的關鍵位置部署各類傳感器，包括溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等，傳感器能夠實時監(jiān)測設備運行狀態(tài)的變化，一旦發(fā)生異常，即可產生報警信號，通過信息收集系統(tǒng)傳送到監(jiān)控中心；引入智能監(jiān)測裝置，通過先進的數(shù)據(jù)采集技術，對接地變壓器的關鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測，裝置能夠通過網絡將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑹占到y(tǒng)，形成完整的設備運行數(shù)據(jù)。對35kV 變電站的遙測遙控系統(tǒng)進行升級，使其具備更強的實時性和準確性，通過遙測遙控系統(tǒng)，可以實時獲取接地變壓器的運行數(shù)據(jù)，同時可以對設備進行遙控，提高設備運行的可控性；采用紅外熱像技術，對接地變壓器的熱情況進行監(jiān)測，通過紅外熱像技術可以直觀地觀察設備的熱分布情況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障點，為故障的提前預警提供可靠依據(jù)。在關鍵的設備位置安裝攝像頭，建設視頻監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以實時監(jiān)測設備的外部情況，如果發(fā)生異常，能夠通過圖像傳輸迅速反饋到信息收集系統(tǒng)；利用先進的故障診斷技術，對接地變壓器的故障信息進行深度分析，通過故障診斷技術，可以精準地判斷故障的類型、位置以及可能的原因，為事故處理提供有力支持[5]。

4.4 及時更換裝置損壞元器件

接地變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設備之一，其元器件的正常運行直接關系到電網的穩(wěn)定性和安全性，發(fā)生元器件損壞后，如果不能及時更換將導致設備進一步損壞，甚至引發(fā)事故，所以需要及時更換裝置損壞元器件。為了及時發(fā)現(xiàn)裝置元器件的潛在故障，需要建立定期的巡檢和監(jiān)測機制，通過使用先進的監(jiān)測設備，包括紅外熱像儀、振動傳感器等，對接地變壓器的元器件進行全面、細致的監(jiān)測，以提前發(fā)現(xiàn)元器件的異常情況；根據(jù)巡檢和監(jiān)測的結果以及維護記錄，制定科學合理的元器件更換計劃，該計劃應包括元器件更換的時機、更換的具體步驟、更換所需的時間等詳細信息，從而可以有序地進行元器件更換工作，最大限度地減小對電網的影響；建立完善的備件管理體系，確保所需的元器件備件能夠隨時準備就緒，備件儲備應充足，并進行分類管理，以便在發(fā)生故障時能夠迅速調配，并確保更換元器件的高效進行。

5 結語

35kV 變電站事故前的運行方式表明系統(tǒng)在正常運行狀態(tài)下，設備分布合理，供電能力充足，事故后的分析顯示出一些潛在的問題，如干式接地變壓器絕緣老化、熔斷器熔斷、避雷器擊穿等。為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，建議優(yōu)化避雷器與熔斷器選型，并對設備進行定期檢測與維護，加強對監(jiān)測設備的功能評估，以及強化事故發(fā)生后的詳細記錄與分析。