敖非，李輝

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

110 kV變電站直流電源系統(tǒng)事故分析

敖非，李輝

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

某110 kV變電站蓄電池存在隱患情況下，監(jiān)控裝置突發(fā)故障失控，最終導(dǎo)致蓄電池起火，燒毀整個保護室。分析調(diào)查該事故指出，變電站直流電源系統(tǒng)存在潛在的安全隱患、并作出相應(yīng)的改進與預(yù)防措施，進而避免安全事故的發(fā)生、提高系統(tǒng)工作的可靠性。

蓄電池；直流系統(tǒng)；事故；改進

直流電源的故障會導(dǎo)致繼電保護及安全自動裝置無法動作，進而在系統(tǒng)發(fā)生故障時引起保護裝置越級跳閘，擴大事故范圍。變電站的保護、自動裝置及其控制回路、信號回路都需要直流電源穩(wěn)定可靠的工作，因此，直流電源在變電站中有著舉足輕重的地位，確保直流電源系統(tǒng)的可靠運行是變電站安全運行面臨的關(guān)鍵問題。

文中介紹了1例110 kV變電站直流電源系統(tǒng)事故及調(diào)查分析過程，并提出相關(guān)建議，供今后處理類似問題參考。

1 事故概況

1.1 運行方式

該110 kV變電站簡化電氣主接線如圖1所示。110 kV A線帶3號變，B線帶2號變，母聯(lián)500斷路器熱備用；2號變帶10 kVⅡ母，3號變帶10 kVⅢ母，母聯(lián)300斷路器熱備用。10 kV出線共22條，其中19條運行，3條冷備用。故障前A線2號變負荷6.7 MW；3號變負荷6.9 MW。

圖1 站內(nèi)一次接線示意圖

站內(nèi)配置1套充電裝置和1組固定型閥控式鉛酸蓄電池，電池組容量為200 Ah，浮充時的蓄電池單只電壓為2.25 V左右，共配有103只，組屏安裝，于2010年11月投運。

1.2 事故經(jīng)過

2014年5月2日15時47分起，某供電公司調(diào)控中心頻繁收到事故變公用測控蓄電池 “總保險熔斷”、 “直流屏通信告警”、 “直流屏母線告警”等告警信號，通知檢修人員前往處理。檢修人員于18時到達現(xiàn)場事故變對直流系統(tǒng)進行了檢查，檢查結(jié)果及結(jié)論如下:

1)檢查直流系統(tǒng)電壓。直流正、負極之間電壓為233 V，正對地＋119 V，負對地－112 V，直流正負保險上下端頭之間無壓差，保險外觀完好，直流保險頂針未觸發(fā)，19時蓄電池總保險熔斷信號自動復(fù)歸，直到20時離開時，也無其他異常信號發(fā)出。

2)檢查監(jiān)控裝置歷史記錄。從5月2日下午15時17分開始，該裝置頻繁發(fā)出模塊故障、過壓、欠壓、交流故障、通訊異常、熔斷器熔斷等信號20多條，均持續(xù)短至數(shù)秒，長至數(shù)分后自動復(fù)歸。

3)檢查直流系統(tǒng)運行情況。整站負荷為6.3 A，其中蓄電池充電電流為0.2 A，浮充狀態(tài)，4個充電模塊輸出電流均在1.6～1.9 A之間。

直流系統(tǒng)正、負壓差正常，各模塊輸出正常，負荷電流正常，無異常現(xiàn)象，并確認公用測控屏已收到監(jiān)控模塊所發(fā)異常信號，故檢修人員判斷為直流監(jiān)控裝置誤發(fā)信號，通知廠家前來處理，同時屏蔽了后臺相關(guān)直流電源系統(tǒng)告警信號，告警信息傳輸路徑示意圖如圖2所示。

圖2 告警信息傳輸路徑示意圖

2014年5月3日6時14分，該供電公司監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)事故變電站遠動信號全部中斷；6時45分事故變電站內(nèi)值守人員發(fā)現(xiàn)保護室內(nèi)起火；6時48分調(diào)控中心拉開對側(cè)變電站A線526，B線528斷路器；7時30分拉開事故變3號變330，2號變320斷路器；7時50分至10時47分進行10 kV負荷轉(zhuǎn)供操作，所有負荷全部恢復(fù)。

1.3 事故調(diào)查

事故發(fā)生后，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)保護室內(nèi)蓄電池屏燒毀最為嚴重，懷疑為蓄電池起火導(dǎo)致保護室火災(zāi)?；謴?fù)站內(nèi)監(jiān)控視頻，從視頻中確認5月3日6時8分40秒左右蓄電池組Ⅲ屏最上一層在事故時刻先有2次電弧閃爍 (每個蓄電池屏共分3層，蓄電池組Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ同層之間直接連通，無隔斷，如圖3所示)，隨即起火，火勢逐漸蔓延至蓄電池組Ⅱ屏、蓄電池組Ⅰ屏、充電屏及其他屏柜，最終導(dǎo)致保護室內(nèi)二次設(shè)備基本損毀。

圖3 蓄電池組及充電屏排列位置示意圖

2 事故原因分析

2.1 監(jiān)控裝置頻發(fā)告警分析

火災(zāi)后現(xiàn)場對蓄電池組總?cè)蹟嗥鬟M行了檢查(安裝在充電屏最底層，未燒毀)，直流保險頂針確未觸發(fā)，說明熔斷器熔斷信號并未發(fā)給直流電源系統(tǒng)監(jiān)控裝置，公用測控和后臺收到的熔斷器熔斷信號，應(yīng)是直流監(jiān)控裝置誤發(fā)信號。結(jié)合現(xiàn)場查勘情況，基本可判定事故前運行中監(jiān)控裝置內(nèi)部模塊已損壞，導(dǎo)致裝置頻繁誤發(fā)告警信息。同時由于監(jiān)控裝置告警與控制功能共用同一塊CPU，CPU模塊損壞后將導(dǎo)致監(jiān)控裝置限流、恒壓等控制功能喪失，極有可能使蓄電池過充電，發(fā)生熱失控。

2.2 熱失控產(chǎn)生的原因

閥控密封鉛酸蓄電池在充電將完成的時候，正極會析出氧氣并逐漸擴散到負極，進而生成水，此過程構(gòu)成了閉合氧循環(huán)并散發(fā)熱量。此充電過程中輸入的電能大部分作為化學(xué)能得到存儲，小部分則直接或間接地轉(zhuǎn)化為熱能，使電池溫度升高。充電過程中電池溫度隨時間的變化而升高，當電池散熱不良時，電池溫度上升過快導(dǎo)致發(fā)熱積累，進而惡性循環(huán)，電池溫度將急劇上升，此即所謂熱失控現(xiàn)象。

事故站內(nèi)閥控密封鉛酸蓄電池為組屏安裝，蓄電池間隙緊密，熱容小，未考慮電池?zé)崾Э貢r的散熱。如果站內(nèi)監(jiān)控裝置失控，出現(xiàn)充電電壓過高，充電電流過大，造成氧的大量析出，加速了負極去極化作用，必然產(chǎn)生過多的熱量，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高，內(nèi)阻下降；內(nèi)阻下降又加大了充電電流，相互作用，溫升進一步加劇，最終不可控制，極有可能導(dǎo)致電池因過熱而槽體變形、膨脹、開裂〔1〕。

2.3 蓄電池起火原因分析

正常情況下，鉛酸蓄電池的全部材料和物質(zhì)成分都不是易燃物，不會發(fā)生自燃、引燃。但由于蓄電池組在運行中存在電流，因電流的持續(xù)能量供給，如果形成了回路或接觸電阻很大就有可能發(fā)生過熱，最終釀成火災(zāi)?？赡艿脑蛑饕?種:

1)電池端連線松動。電池端子、連線、連條均為良好的導(dǎo)熱體。如果連接螺栓松動，在松動處接觸電阻很大，接觸點發(fā)熱，并持續(xù)向兩側(cè)擴散。高溫軟化端子封膠、電池蓋及電池殼體，烤焦連線絕緣層，發(fā)展到嚴重程度時就會冒煙著火。

2)電池損傷或電解液漏出形成電流回路。電池內(nèi)部的電解液是優(yōu)良的電導(dǎo)體，若外力、撞擊、碰傷、膨脹、裂紋等使某個電池破裂，電解液滲出、漏出，同時2只或多只蓄電池的漏液腐蝕柜底漆層形成導(dǎo)電回路，這時由于蓄電池內(nèi)阻很小，會產(chǎn)生很大短路電流，在漏點處會形成火星、火花。漏點逐漸擴大，電流更大，火花更多，從而引起火災(zāi)〔2〕。

結(jié)合事故變復(fù)原視頻，可推斷在事故時刻2次電弧閃爍應(yīng)是蓄電池漏液短路產(chǎn)生。

2.4 事故原因

通過現(xiàn)場事故調(diào)查，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)綜合分析，可推斷此次事故應(yīng)是由于監(jiān)控裝置突發(fā)故障失控，使得蓄電池長時間過充電，蓄電池組熱失控漏液引起短路起火，火勢蔓延最終導(dǎo)致保護室內(nèi)二次設(shè)備燒毀。監(jiān)控裝置突發(fā)故障失控，是最終引發(fā)火災(zāi)的間接原因，蓄電池漏液引起短路，是最終引發(fā)火災(zāi)的直接原因。

3 改進措施及建議

目前110 kV變電站典型設(shè)計普遍采用單電單充直流電源系統(tǒng)供電模式。直流電源系統(tǒng)故障極有可能導(dǎo)致整個變電站失去直流電源，使得全站保護失去作用，擴大事故停電范圍。為解決這一問題，可以采取以下3方面措施來提高其可靠性。

3.1 加強變電站直流電源系統(tǒng)運檢管理

1)電池組安裝前應(yīng)用橡膠板墊底，避震且防短路，安裝過程中要輕拿輕放防止碰傷電池，安裝完畢后要用1 000 V搖表檢查整組蓄電池正、負極分別對地絕緣，絕緣電阻均不應(yīng)小于0.2 MΩ，使用前3天重點觀察是否存在漏液現(xiàn)象。

2)工作人員應(yīng)嚴格巡視并檢查蓄電池的狀態(tài)，對存在隱患的電池及時更換。

3)定期開展對蓄電池的校驗。新安裝的閥控蓄電池在驗收時應(yīng)進行核對性充放電試驗，以后每2年應(yīng)進行1次核對性充放電，運行了4年以后的閥控蓄電池，每年進行1次核對性充放電試驗，僅配置1組蓄電池時宜用備用蓄電池組臨時代替，進行全核對性放電試驗；對蓄電池組所有單體內(nèi)阻的測量，投運后必須每年至少1次；對蓄電池所有的單體浮充端電壓，應(yīng)每個月至少記錄1次；每3年開展1次對直流屏的設(shè)備試驗。設(shè)備試驗數(shù)據(jù)若不符合相關(guān)標準要求，應(yīng)及時進行更換和維修〔3〕。

3.2 蓄電池獨立成室

目前大量110 kV及以下變電站蓄電池均采取集中組屏和與二次設(shè)備共室布置的方式，此方式存在以下風(fēng)險:

1)蓄電池與保護測控裝置共室和組屏安裝方式存在一定的安全運行風(fēng)險，當蓄電池發(fā)生故障時易造成主控室 “火燒連營”，如此次事故，損毀共室二次設(shè)備，危害電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2)蓄電池采用組屏安裝方式時，蓄電池組散熱效果不佳，屏柜內(nèi)溫度普遍超過35℃，不利于蓄電池長期穩(wěn)定運行。

3)組屏安裝方式下屏柜內(nèi)空間狹小，不便于開展蓄電池端電壓測試、內(nèi)阻測試等常規(guī)試驗，造成了部分蓄電池試驗項目開展不全，而這些試驗是對蓄電池組的容量是否正常、是否存在開路、短路等現(xiàn)象的重要判斷依據(jù)。同時組屏安裝方式下屏柜內(nèi)不能直觀觀測到每只蓄電池是否存在漏液，外觀有無異常變形；不便于檢測接線螺栓有無發(fā)熱現(xiàn)象，螺栓是否松動或腐蝕污染，造成部分缺陷和隱患不能及時發(fā)現(xiàn)。

故有條件的已投運變電站應(yīng)逐步將蓄電池組移出保護室，存放于獨立的蓄電池室內(nèi)。對110 kV及以下新改擴建變電站應(yīng)考慮設(shè)計單獨的蓄電池室或采取與其他設(shè)備防火防爆有效隔離方式。

3.3 規(guī)范直流電源系統(tǒng)告警信息處理流程

1)監(jiān)控中心發(fā)現(xiàn)直流電源系統(tǒng)異常、故障或事故等告警信號后，應(yīng)及時進行分析判斷，并通知現(xiàn)場運維人員。條件具備時監(jiān)控中心應(yīng)通過工業(yè)視頻系統(tǒng)開展直流電源系統(tǒng)遠程核查。

2)在未對信息進行分析判斷前，監(jiān)控中心和現(xiàn)場運維人員嚴禁采取任何措施屏蔽信號。若確認所發(fā)信息為誤發(fā)信息，需采取臨時屏蔽措施時必須經(jīng)相關(guān)分管領(lǐng)導(dǎo)批準〔4〕。

3)缺陷未消除前，運維人員應(yīng)加強監(jiān)視設(shè)備缺陷的發(fā)展趨勢，并通知調(diào)控中心對危急、嚴重缺陷設(shè)備加強運行監(jiān)視。

4)對于蓄電池出口熔斷器熔斷等一些重要的硬接點信號可直接接至公用測控屏，減少中間環(huán)節(jié)，降低誤告警的概率〔5〕。

4 結(jié)束語

通過對110 kV變電站直流電源系統(tǒng)火災(zāi)事故的調(diào)查與分析，從運檢管理、安裝設(shè)計、告警處理3方面提出改進措施以避免此類安全事故的發(fā)生。運行實踐證明這3方面改進措施能有效降低變電站內(nèi)直流電源系統(tǒng)故障的風(fēng)險，保證繼電保護及自動裝置的可靠運行。

〔1〕中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T 5044—2004電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程 〔S〕.北京:中國電力出版社，2004.

〔2〕國網(wǎng)公司直流電源系統(tǒng)運行規(guī)范 〔S〕.國家電網(wǎng)生計 〔2005〕172號.

〔3〕黃森炯，王曉，王晴.一起因蓄電池故障造成繼電保護越級跳閘事故的分析 〔J〕.電氣自動化，2012，34(6):39-41.

〔4〕趙軍，石光，黃小川，等.一起變電站直流母線失電原因分析及解決方案 〔J〕.電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37(23): 122-124.

〔5〕徐凱.對110 kV變電站直流系統(tǒng)改造方案的探討 〔J〕.電力系統(tǒng)保護與控制，2010，38(7):116-118，123.

Analysis of DC system faults for a 110 kV substation

AO Fei，LI Hui

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In the case of batteries failures in a certain 110 kV substation，the monitoring device was out of control，eventually led to the battery fire，and burned the whole substation relay room.By incident analysis，the paper points out the existent hidden danger and proposes the corresponding improvement measure to avoid the similar incident and improve power supply reliability.

batteries；DC system；fault；improvement

TM732

B

1008-0198(2015)05-0051-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.015

敖非(1983)，男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護及自動化技術(shù)，直流電源系統(tǒng)技術(shù)。

2014-12-10 改回日期:2015-05-13

李輝(1983)，男，博士，工程師，研究方向為高壓直流輸電、電力系統(tǒng)繼電保護及自動化技術(shù)。