徐興發(fā)

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān) 512026)

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一起線路跳閘引起35 kV變電站失壓的故障分析

徐興發(fā)

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局，廣東 韶關(guān) 512026)

針對(duì)雷擊過(guò)電壓引起35 kV架空線路絕緣子閃絡(luò)，導(dǎo)致L1、L2相間接地短路、35 kV變電站全站失壓及其電纜損壞的狀況進(jìn)行調(diào)查和分析，說(shuō)明故障前電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式與35 kV南紅線保護(hù)裝置動(dòng)作行為正確的同時(shí)，分析導(dǎo)致線路跳閘與電纜井電纜損壞的故障原因；針對(duì)35 kV及以上容易遭受雷電過(guò)電壓影響引起跳閘的輸電線路及紅嶺變電站一次接線現(xiàn)狀，提出一系列針對(duì)性的整改措施，從而可大大提高變電站供電可靠性及其設(shè)備的安全性。

35 kV線路；跳閘；變電站；故障分析；整改措施

2016年4月12日14時(shí)18分0.118秒，35 kV南紅線41號(hào)桿塔發(fā)生雷擊過(guò)電壓，引起L2相絕緣子串閃絡(luò)，系統(tǒng)電源南龍側(cè)線路保護(hù)裝置U、V相發(fā)生過(guò)流II段保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)斷路器QF311；負(fù)荷紅嶺側(cè)線路保護(hù)裝置啟動(dòng)，沒(méi)有保護(hù)裝置動(dòng)作出口跳閘。雷擊過(guò)電壓沿線至35 kV高壓室，引起鋁排對(duì)墻體、隔離網(wǎng)、電纜井放電，導(dǎo)致電纜井內(nèi)二次電纜損壞。本文對(duì)故障情況進(jìn)行深入分析并制定一系列針對(duì)性的防范整改措施，可大大提高變電站供電可靠性及其設(shè)備的安全性。

1 事故前運(yùn)行方式

1.1 110 kV南龍變電站事故前運(yùn)行狀態(tài)

110 kV南龍變電站110 kV翁南線在運(yùn)行狀態(tài)，110 kV 1號(hào)母線W1與2號(hào)母線W2互聯(lián)運(yùn)行，110 kV田南線在熱備用狀態(tài)；1號(hào)主變壓器高壓側(cè)QF1101、中壓側(cè)QF301、低壓側(cè)QF501均在合閘狀態(tài)；2號(hào)主變壓器高壓側(cè)QF1102、中壓側(cè)QF302、低壓側(cè)QF502均在合閘狀態(tài)；35 kV分段QF300在合閘狀態(tài)，35 kV南紅線QF311、35 kV南巖線QF312、35 kV南黃線QF321均在合閘狀態(tài)，電壓互感器(voltage transformer, VT)VT31與VT 32均在合閘位置；10 kV W1與W2分段QF500在合閘狀態(tài)。110 kV W1和W2之間沒(méi)有專用的分段斷路器，只有分段隔離開(kāi)關(guān)，并且隔離開(kāi)關(guān)在合閘位置。南龍變電站主接線如圖1所示。

圖1 110 kV南龍變電站的主接線

1.2 35 kV紅嶺變電站事故前運(yùn)行狀態(tài)

35 kV紅嶺變電站南紅線在運(yùn)行狀態(tài)、VT 31在檢修狀態(tài)，避雷器已退出運(yùn)行； 1號(hào)主變壓器高壓側(cè)QF301、低壓側(cè)QF501均在合閘狀態(tài)；2號(hào)主變壓器高壓側(cè)、中壓側(cè)QF302、低壓側(cè)QF502均在合閘狀態(tài)；10 kV W1與W2分段QF500在分閘位置。35 kV紅嶺變電站主接線如圖2所示。

圖2 35 kV紅嶺變電站的主接線

2 跳閘過(guò)程分析

35 kV南紅線L1、L2相接地故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)序見(jiàn)表1。

表1 保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)序情況

分析保護(hù)裝置的動(dòng)作報(bào)文可知，南龍變電站側(cè)過(guò)流II段保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)故障線路斷路器，而紅嶺側(cè)保護(hù)裝置未動(dòng)作出口，只有啟動(dòng)量。

3 保護(hù)動(dòng)作行為分析

3.1 南龍變電站35 kV南紅線故障電流、母線電壓分析

110 kV南龍變電站35 kV線路采用國(guó)電南瑞NSR 612RF保護(hù)裝置，查詢監(jiān)控后臺(tái)故障事件記錄與保護(hù)裝置報(bào)文一致。

故障時(shí)，35 kV母線W1與W2的三相電壓降低，產(chǎn)生零序電壓，判斷發(fā)生U、V相接地故障。U相故障接地二次過(guò)電流16.70 A，V相故障接地二次過(guò)電流17.15 A，電流互感器(current transformer, CT)變比為400/5，即故障U相一次電流1 372 A，V相一次電流1 336 A，過(guò)流保護(hù)定值見(jiàn)表2。

表2 南紅線QF311保護(hù)裝置過(guò)流定值

序號(hào)名稱狀態(tài)及定值1過(guò)流I段保護(hù)投入過(guò)流I段保護(hù)電流定值/A20過(guò)流I段保護(hù)時(shí)限定值/s02過(guò)流II段保護(hù)投入過(guò)流II段保護(hù)電流定值/A10過(guò)流II段保護(hù)時(shí)限定值/s0.303過(guò)流III段保護(hù)投入過(guò)流III段保護(hù)電流定值/A6.50過(guò)流III段保護(hù)時(shí)限定值/s0.60

現(xiàn)場(chǎng)檢查保護(hù)裝置，14時(shí)17分59.817秒時(shí)過(guò)流II段保護(hù)裝置啟動(dòng)(故障電流16.70 A，大于過(guò)流II段保護(hù)電流定值10 A)，故障持續(xù)301 ms，保護(hù)裝置動(dòng)作出口跳閘，經(jīng)過(guò)56 ms斷路器跳開(kāi)后QF311沒(méi)有重合閘，原因是35 kV南紅線QF311投閉鎖重合閘壓板1LP5已投入。綜上所述，故障中南龍側(cè)35 kV南紅線保護(hù)正確動(dòng)作。

3.2 紅嶺變電站35 kV南紅線故障分析

紅嶺變電站只有一條35 kV紅嶺線與系統(tǒng)側(cè)110 kV南龍變電站聯(lián)系，屬于負(fù)荷側(cè)。35 kV線路采用北京四方CSL-216E保護(hù)裝置，CT變比為100/1，其配置的保護(hù)過(guò)流定值見(jiàn)表3。

表3 35 kV南紅線保護(hù)過(guò)流定值

序號(hào)名稱定值1過(guò)流I段保護(hù)電流定值/A122過(guò)流I段保護(hù)時(shí)限定值/s03過(guò)流II段保護(hù)電流定值/A1.304過(guò)流II段保護(hù)時(shí)限定值/s1.205加速過(guò)流定值/A2.306過(guò)流加速時(shí)間/s0.20

檢查35 kV紅嶺線保護(hù)裝置，只有過(guò)流II段保護(hù)裝置啟動(dòng)，但是未動(dòng)作出口跳閘。U、V相接地故障時(shí)，電源側(cè)南龍變電站過(guò)流II段啟動(dòng)后經(jīng)301 ms，QF311跳閘，而負(fù)荷側(cè)紅嶺站提供的故障電流無(wú)法滿足過(guò)流I及過(guò)流II保護(hù)定值，因此，線路保護(hù)裝置未能出口跳閘，實(shí)屬正確行為。

4 故障原因分析

4.1 一次設(shè)備故障分析

故障線路跳閘后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)41號(hào)桿塔線路上的L2相玻璃絕緣子串(3片)過(guò)電壓全部閃絡(luò)，掉落到橫擔(dān)上，導(dǎo)致L2相接地故障，同時(shí)引起L1相接地。

2016 年 4月13日14時(shí)18分左右，南龍變電站及其周邊區(qū)域?yàn)槔子晏鞖猓治鼋^緣子閃絡(luò)的故障現(xiàn)象，本次跳閘事故的直接原因?yàn)槔讚暨^(guò)電流導(dǎo)致41號(hào)桿塔線路上L2相玻璃絕緣子串閃絡(luò)而造成L2相接地短路。

雷擊過(guò)電壓沿線侵入至35 kV紅嶺變電站高壓室(VT31在檢修狀態(tài)，母線避雷器退出運(yùn)行)，35 kV線路及母線失去防雷保護(hù)，導(dǎo)致35 kV高壓室進(jìn)線南紅線L1相穿墻套管與線路側(cè)隔離開(kāi)關(guān)QS3114連接的鋁排對(duì)樓頂、隔離網(wǎng)、電纜井外殼有長(zhǎng)時(shí)間明顯的電弧放電痕跡，釋放能量，從而損壞35 kV主控室電纜井內(nèi)電纜、網(wǎng)線。由于雷電過(guò)電壓作用在鋁排上，隔離網(wǎng)、樓頂、電纜井外殼對(duì)地電位為零，形成電位差，空氣被擊穿從而產(chǎn)生間隙放電，進(jìn)一步發(fā)展成為電弧放電，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。電弧放電產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致墻體上主控室的電纜井電纜在各種因素的作用下，電纜受到嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)鋁排在劇烈電弧放電中灼燒損壞。

電弧在QS3114靠線路側(cè)連接的鋁排放電，引起旁邊墻體上主控室的二次電纜井電纜、網(wǎng)線被電弧損壞。檢查后發(fā)現(xiàn)2號(hào)主變壓器低壓側(cè)QF502后備保護(hù)電流電纜、QF502保護(hù)測(cè)控電流電纜、站用變壓器低壓側(cè)電纜、部分通信電纜損壞。檢查站內(nèi)南紅線QF311、1號(hào)主變壓器保護(hù)裝置無(wú)異常[1]。檢查避雷器動(dòng)作情況：1號(hào)主變壓器中性點(diǎn)4次，變壓器低壓側(cè)U相1次、V相2次、W相1次，VT51 W相2次。因此，進(jìn)一步認(rèn)定是雷電過(guò)電壓導(dǎo)致的故障。

4.2 雷電過(guò)電壓的原因分析

對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研、分析，總結(jié)引起設(shè)備損壞的原因有以下幾點(diǎn)：

a) 架空線路受雷電過(guò)電壓影響，容易引起線路絕緣子串閃絡(luò)、線路跳閘。

b) 紅嶺變電站35 kV母線失去防雷保護(hù)。事故發(fā)生前，35 kV紅嶺變電站VT31故障在檢修狀態(tài)，變電運(yùn)行人員將VT31的隔離開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，引起與VT31并聯(lián)的避雷器退出運(yùn)行，導(dǎo)致35 kV室內(nèi)母線失去防雷保護(hù)。當(dāng)雷電形成過(guò)電壓沿線傳輸?shù)?5 kV紅嶺變電站高壓母線上，無(wú)法從避雷器流入大地，導(dǎo)致35 kV高壓室進(jìn)線南紅線L1相穿墻套管與線路側(cè)QS3114連接的鋁排對(duì)樓頂、隔離網(wǎng)、電纜井外殼長(zhǎng)時(shí)間電弧放電，從而導(dǎo)致35 kV主控室電纜井內(nèi)電纜、網(wǎng)線損壞。

c) 變電站進(jìn)出線的1至2號(hào)基桿塔未安裝避雷器，導(dǎo)致雷電過(guò)電壓沿線路一直侵入到35 kV高壓室母線。

d) 站內(nèi)避雷針接地存在不規(guī)范設(shè)計(jì)，避雷針接地直接接入站內(nèi)地網(wǎng)，共用接地網(wǎng)。

5 防護(hù)(整改)措施

分析事故原因是雷擊過(guò)電壓引起絕緣子閃絡(luò)，線路跳閘，導(dǎo)致35 kV紅嶺變電站全站失壓以及35 kV母線失去防雷保護(hù)，為此，提出一些有建設(shè)意義的防護(hù)措施[2-5]。

5.1 安裝避雷器或避雷線

具體做法有以下幾點(diǎn)：

a) 將35 kV紅嶺變電站故障VT31退出運(yùn)行， VT31隔離開(kāi)關(guān)與VT的保險(xiǎn)斷開(kāi)后，投入VT31隔離開(kāi)關(guān)，保障避雷器在運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)35 kV母線保護(hù)。

b) 靠近變電站1 km的桿塔上全線安裝避雷線，并且在變電站進(jìn)出線的1至2基桿塔安裝避雷器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

注：虛線框內(nèi)為斷路器及隔離開(kāi)關(guān)；HY5Wz為母線隔離開(kāi)關(guān)及避雷器型號(hào)；GJ-35為避雷線型號(hào)；GB1、GB2為桿塔上安裝的線路型避雷器。圖3 35 kV 變電站簡(jiǎn)易保護(hù)的接線

c) 采用環(huán)形電極帶外串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。當(dāng)感應(yīng)雷或直擊雷產(chǎn)生的高幅值過(guò)電壓作用時(shí)，引流環(huán)與導(dǎo)線之間形成的串聯(lián)間隙被擊穿，避雷器以非線性電阻特性釋放雷電能量。在避雷器動(dòng)作瞬間，工頻續(xù)流亦沿該雷電流通道入地，在經(jīng)過(guò)環(huán)形電極外串間隙避雷時(shí)，非線性電阻限流元件利用其電壓高時(shí)阻值小、電壓低時(shí)阻值大的非線性特性，將正弦波形的工頻續(xù)流轉(zhuǎn)變成為尖頂波。尖頂波電流在過(guò)零前在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)電流幅值較小，同時(shí)，限流元件的殘壓削減放電電壓，使電弧瞬間熄滅，阻斷工頻續(xù)流，此時(shí)串聯(lián)間隙起隔離作用，保護(hù)限流元件耐受較高的過(guò)電壓而不損壞。因此，在雷擊架空線路后，雷電流通過(guò)引流環(huán)與導(dǎo)線之間形成的串聯(lián)間隙流過(guò)非線性電阻限流元件，工頻續(xù)流及時(shí)被切斷，避免發(fā)生絕緣子閃絡(luò)或擊穿、架空導(dǎo)線路斷線的事故[6-8]。

d) 停電檢修時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)避雷器及其接地引下線裝置進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)。

5.2 校核耐雷水平與接地電阻

依據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》第6.1.3條規(guī)定：有避雷線的線路，在一般土壤電阻率地區(qū)，其耐雷水平不宜低于表4所列數(shù)值。

表4 有避雷線線路的耐雷水平

標(biāo)稱電壓/kV耐雷水平電壓/kA變電所進(jìn)線保護(hù)段電流/kA3520～30306630～606011040～757522075～110110330100～150150500125～175175

定期對(duì)架空線路絕緣子串的耐雷水平進(jìn)行電測(cè)校核，更換存在風(fēng)險(xiǎn)隱患的桿塔絕緣子，保障線路的耐雷水平符合表3數(shù)值，對(duì)架空線路絕緣子進(jìn)行以下維護(hù)管理：

a)及早發(fā)現(xiàn)與更換劣質(zhì)絕緣子。運(yùn)行線路上的絕緣子因長(zhǎng)期處在交變電場(chǎng)中，絕緣性能逐漸下降，在受到雷擊大氣過(guò)電壓或操作過(guò)電壓時(shí)會(huì)發(fā)生閃烙、擊穿，絕緣性能為零。

b) 增加易擊地區(qū)桿塔絕緣子片數(shù)，提高桿塔絕緣子電氣絕緣強(qiáng)度，提高耐雷水平，降低雷擊跳閘率。

c) 新建、技改規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)采用絕緣性能較好的鋼化玻璃絕緣子。

d) 執(zhí)行DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》第6.1.4規(guī)定：有避雷線的線路，每基桿塔不連避雷線的工頻接地電阻，在雷季干燥時(shí)，不宜超過(guò)表5所列數(shù)值。雷電過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理，接地電阻直接影響直擊雷過(guò)電壓與感應(yīng)雷過(guò)電壓。針對(duì)雷電活動(dòng)強(qiáng)烈的地方和經(jīng)常發(fā)生雷擊故障的桿塔和線段，應(yīng)改善接地裝置，架設(shè)避雷線,適當(dāng)加強(qiáng)絕緣或架設(shè)耦合地線。

表5 有避雷線的線路桿塔的工頻接地電阻

土壤電阻率/Ωm接地電阻/Ω≤10010100～50015500～1000201000～200025>200030

e) 加強(qiáng)對(duì)線路的專項(xiàng)巡視，重點(diǎn)檢查接地引下線是否銹蝕，避免失去接地點(diǎn)，同時(shí)對(duì)接地電阻進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)不滿足要求的接地電阻進(jìn)行整改。降低接地電阻可以有效地減小塔頂電位，提高線路的耐雷水平，減少絕緣子串閃絡(luò)故障率。

5.3 站內(nèi)避雷針接地方式的整改

執(zhí)行DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》第7.1.6規(guī)定：獨(dú)立避雷針宜設(shè)獨(dú)立的接地裝置。在非高土壤電阻率電阻地區(qū)，其接地電阻不宜超過(guò)10 Ω；在高土壤電阻率地區(qū)，如接地電阻難以降到10 Ω，允許采用較高的電阻值，但空氣中距離與地中距離必須符合要求。當(dāng)有困難時(shí)，避雷針接地裝置可與主接地網(wǎng)連接，但避雷針與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)至35 kV及以下設(shè)備與主接地網(wǎng)的地下連接點(diǎn)之間，沿接地體的長(zhǎng)度不得小于15 m。因此，紅嶺站內(nèi)避雷針接地不能直接接入站內(nèi)地網(wǎng)，需要整改。

5.4 完善相關(guān)設(shè)備接地信號(hào)

41號(hào)桿線路上L2相掉在橫擔(dān)上，導(dǎo)致L2相接地，由于VT31退出，無(wú)接地信號(hào)發(fā)出，因此，需要完善線路接地信號(hào)及其監(jiān)控系統(tǒng)，保障接地故障能夠快速、準(zhǔn)確地發(fā)出相關(guān)信號(hào)。

5.5 測(cè)量相對(duì)橫梁距離

線路上L1相對(duì)橫梁放電，說(shuō)明在無(wú)避雷器保護(hù)的情況下，在極端時(shí)，L1相對(duì)橫梁距離不夠，參考過(guò)電壓規(guī)程，要滿足450 mm(戶外線路距離)，否則不應(yīng)該發(fā)生放電。因此，務(wù)必測(cè)量L1相對(duì)橫梁距離，對(duì)不滿足規(guī)程要求的線路進(jìn)行整改。

5.6 紅嶺變電站基建整改

35 kV紅嶺變電站與系統(tǒng)只有一條35 kV南紅線連接，當(dāng)線路故障跳閘，將導(dǎo)致全站失壓?，F(xiàn)結(jié)合翁源地區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提出1套整改方案，如圖4所示。

圖4 紅嶺變電站整改簡(jiǎn)化后的主接線

整改的具體方案如下:

a) 增加一條35 kV線路，實(shí)現(xiàn)雙端電源供電;新建一條從110 kV銅鑼變電站35 kV側(cè)到紅嶺變電站的線路。

b) 紅嶺變電站35 kV單母接線方式整改為35 kV單母分段，增加QF300及其兩側(cè)隔離開(kāi)關(guān)。

c) 整改接線方式。1號(hào)主變壓器高壓側(cè)接35 kV W1上，2號(hào)主變壓器高壓側(cè)接35 kV W2上，35 kV南紅線、35 kV銅紅線分別接在35 kV W1、35 kV W2上。

d) 增加1套QF300分段備用自動(dòng)投入設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱“備自投”)。當(dāng)其中一條35 kV線路故障跳閘后，備自投正確動(dòng)作合上QF300，保障全站2臺(tái)主變壓器及其10 kV線路穩(wěn)定運(yùn)行，保障供電可靠性。

e) 增加35 kV母線VT，對(duì)原35 kV VT31進(jìn)行檢修，升壓測(cè)試，保障VT質(zhì)量滿足要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)故障狀況進(jìn)行調(diào)研分析，得出雷擊過(guò)電壓引起35 kV架空線路絕緣子閃絡(luò)，導(dǎo)致L1、L2兩相接地短路，35 kV變電站全站失壓及其電纜損壞的結(jié)論。為此，針對(duì)35 kV及以上輸電線路容易遭受雷電過(guò)電壓影響引起跳閘的故障及紅嶺站一次接線的現(xiàn)狀，提出了一系列針對(duì)性的整改措施，從而保障全站供電可靠性及其設(shè)備安全。

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(編輯 王夏慧)

Fault Analysis for Voltage-loss in 35 kV Substation due to Line Tripping

XU Xingfa

(Shaoguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Shaoguan, Guangdong 512026, China)

This paper investigates and analyzes faults of L1 and L2 phase grounding short-circuit, voltage-loss in one 35 kV substation and damages of cables on account of lightning over-voltage causing insulator flashover on 35 kV overhead lines. It expounds that both operation mode of the power system and protection devices of 35 kV Nanhong line are in correct operation, meanwhile, it analyzes reasons for causing line tripping and cable damages. In allusion to problems of 35 kV and the above power transmission line tripping caused by lightning over-voltage and status quo of the primary connection in Hongling substation, a series pointed rectification measures are proposed to greatly improve power supply reliability and security of equipment.Key words： 35 kV line; tripping; substation; fault analysis; rectification measure

2016-05-17

2016-06-28

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.014

TM755

A

1007-290X(2016)10-0079-06

徐興發(fā)(1986)，男，廣東韶關(guān)人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與自動(dòng)化技術(shù)工作。