韓一鳴，程國(guó)莉

（1.廣東省能源集團(tuán)貴陽(yáng)抽水蓄能發(fā)電有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.天生橋一級(jí)水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 黔西 562400）

1 概述

水力發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，存在較多的客觀原因和不可控因素會(huì)引起電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障，增加了發(fā)生安全事故的概率，同時(shí)還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。造成電力系統(tǒng)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(xiàn)象也稱為短路故障。短路故障所產(chǎn)生的短路電流較大，并且發(fā)熱嚴(yán)重，進(jìn)而引起用電設(shè)備出現(xiàn)不同程度的損壞。當(dāng)短路位置與電源之間的距離較近時(shí)，隨著短路時(shí)間的增加，電力系統(tǒng)中的各個(gè)機(jī)組不能在同一時(shí)間啟動(dòng)運(yùn)行，系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性降低。甚至可能出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組損壞的情況，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)崩潰。為了避免高壓設(shè)備由于短路故障造成破壞，需要對(duì)短路故障進(jìn)行檢測(cè)，并及時(shí)采取有效措施進(jìn)行故障排除，從而保證配電網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 10 kV 高壓設(shè)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(dǎo)體間的短路，是一種對(duì)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(tǒng)中任意兩相導(dǎo)體間的短路，是一種不對(duì)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(tǒng)中任一相與接地點(diǎn)或接地發(fā)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(diǎn)不接地系統(tǒng)中任意兩相發(fā)生單相接地而產(chǎn)生的短路，如圖4 所示。

圖4 兩相接地短路

在電力系統(tǒng)中，發(fā)生單相短路的概率最大，大約占到故障發(fā)生總數(shù)的80%[1]；而三相短路的發(fā)生概率較低，但危害最大。對(duì)于10 kV 高壓設(shè)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(diǎn)電阻為零時(shí)所產(chǎn)生的故障。這種故障的特點(diǎn)是短路電流較小，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從而引起電力系統(tǒng)的局部位置的穩(wěn)定性降低，同時(shí)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全產(chǎn)生威脅。金屬性短路故障指的是金屬導(dǎo)線之間出現(xiàn)連接或者接觸而產(chǎn)生短路情況。金屬短路的特點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致短路點(diǎn)一定范圍內(nèi)的線路電阻值快速降低到零，并且還會(huì)出現(xiàn)明顯的電壓波動(dòng)。

3 10 kV 高壓設(shè)備短路的危害

在電力系統(tǒng)中，高壓設(shè)備出現(xiàn)故障的概率非常低，但是一旦出現(xiàn)短路故障，造成的危害卻非常嚴(yán)重。短路故障所造成的危害主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路時(shí)，所產(chǎn)生的電弧對(duì)用電設(shè)備危害較大，甚至?xí)苯訜龤гO(shè)備，并對(duì)工作人員的生命安全產(chǎn)生危害；

（2）短路故障產(chǎn)生的短路電流非常大，并伴隨嚴(yán)重的發(fā)熱情況，嚴(yán)重威脅用電設(shè)備和導(dǎo)體；

（3）電力系統(tǒng)中出現(xiàn)短路故障時(shí)，整體電壓降低，無(wú)法正常供電，用戶用電遭到限制；

（4）短路故障會(huì)造成發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性降低；

（5）當(dāng)短路故障不對(duì)稱時(shí)，所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)不平衡，會(huì)干擾性整個(gè)系統(tǒng)。

4 防范10 kV 高壓設(shè)備短路的具體措施

4.1 從絕緣材料的選擇上進(jìn)行防范

對(duì)于10 kV 的高壓設(shè)備而言，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包含了較多的細(xì)小零件，為了保證設(shè)備的品質(zhì)，零件材料選取非常重要。選取的條件主要包括兩個(gè)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(shè)備的安全性和可靠性。其二，所選材料需要結(jié)合使用環(huán)境的氣候等因素，根據(jù)實(shí)際情況選取最合適的材料類型，從而提高高壓設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，使其能夠在后續(xù)的工作過(guò)程中保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。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(tái)、絕緣板等產(chǎn)品廣泛用于國(guó)內(nèi)中大型高壓開關(guān)。

4.2 從外部環(huán)境方面進(jìn)行防范

通常情況下，10 kV 高壓設(shè)備的工作環(huán)境比較惡劣，出現(xiàn)短路故障的可能性大。需要對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，從而降低高壓設(shè)備的短路故障概率。可以通過(guò)RJ145、MODBUS 等總線通信協(xié)議以及遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)報(bào)警控制技術(shù)對(duì)電力高壓設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]，包括虛擬曲線、電子地圖等數(shù)字化的監(jiān)控界面，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。

4.3 從爬電比距的選取上進(jìn)行防范

對(duì)于高壓設(shè)備而言，爬電比距是一項(xiàng)重要的參數(shù)，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性具有直接的影響，所以，爬電比距的選取十分重要。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，工作人員需要根據(jù)工作環(huán)境，工作需求，選取最合適的值。當(dāng)沒有特殊要求時(shí)，其選取范圍通常為在5~22 mm/kV之間[4]；當(dāng)有特殊施工工藝要求時(shí)，則根據(jù)具體需求選取合適的參數(shù)，從而保證高壓設(shè)備的絕緣性足夠好，進(jìn)而減少短路故障的發(fā)生。

4.4 從繼電保護(hù)裝置性能方面進(jìn)行防范

繼電保護(hù)裝置的選取需要根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)需求進(jìn)行配置，與此同時(shí)，對(duì)于已有的繼電保護(hù)裝置，還需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和維護(hù)，從而保證整個(gè)高壓電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。除此以外，高壓設(shè)備的電氣容量需要實(shí)時(shí)關(guān)注，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行升級(jí)換代或者對(duì)參數(shù)進(jìn)行更改，從而滿足不同的工作環(huán)境要求。

在電力系統(tǒng)中，常見的繼電保護(hù)方式為三段式短路保護(hù)，即Ⅰ段過(guò)流保護(hù)，Ⅱ段限時(shí)電流速斷保護(hù)及定時(shí)限過(guò)流保護(hù)，Ⅲ段組合式保護(hù)。對(duì)繼電保護(hù)裝置而言，要求具備選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性4 個(gè)特點(diǎn)，才能在出現(xiàn)短路故障時(shí)迅速發(fā)生跳閘動(dòng)作。就速動(dòng)性而言，在實(shí)際工作過(guò)程中，由于一些中低壓電力元件能夠通過(guò)延時(shí)保護(hù)來(lái)切除故障，所以在速動(dòng)性要求方面需要結(jié)合實(shí)際需求而定。而靈敏性指的是保護(hù)裝置的反應(yīng)能力。除此以外，在結(jié)構(gòu)上，繼電保護(hù)裝置還需具備簡(jiǎn)單、精細(xì)以及可靠的特點(diǎn)，從而避免產(chǎn)生較大的誤差。

4.5 從安全用電方面進(jìn)行防范

由于高壓設(shè)備的安裝和使用對(duì)于電氣安全具有較高的要求，所以對(duì)于工作人員的電氣安全技能要求較高。在施工過(guò)程中，不僅要保障開關(guān)柜導(dǎo)體接地，保證完全按照工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，而且相間空氣間隙和對(duì)地空氣間隙的值要必須大于125 mm[5]。除此以外，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)比較復(fù)雜時(shí)，用電設(shè)備之間的絕緣性要求更高，尤其是高壓設(shè)備。

4.6 從配電線路的管理上進(jìn)行防范

對(duì)于高壓設(shè)備，管理人員需要對(duì)其進(jìn)行定時(shí)，定期或者有計(jì)劃的巡視，并進(jìn)行維護(hù)和管理，關(guān)注高壓設(shè)備的負(fù)荷情況，確保高壓設(shè)備能夠保持在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

4.7 從制度的建設(shè)和落實(shí)上進(jìn)行防范

由于管理人員需要根據(jù)企業(yè)規(guī)章制度執(zhí)行工作，所以企業(yè)制度不僅要健全，另外還要合理，充分考慮工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的情況，做好緊急預(yù)案的同時(shí)完善好各個(gè)細(xì)節(jié)。除此以外，開展事故演習(xí)，能夠讓工作人員熟悉事故處理環(huán)節(jié)，同時(shí)提高工作人員的反應(yīng)能力。

4.8 從技術(shù)人員的技能上進(jìn)行防范

通過(guò)培訓(xùn)提高技術(shù)人員的業(yè)務(wù)能力和水平，如應(yīng)該有完善的巡線機(jī)制和應(yīng)急機(jī)制并落實(shí)；然后對(duì)整個(gè)線路進(jìn)行管理，能夠故障出現(xiàn)的短時(shí)間內(nèi)完成故障的發(fā)現(xiàn)、排除以及恢復(fù)等工作。最后還需建立檔案對(duì)運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)以及技術(shù)信息等進(jìn)行記錄[6]。

5 短路故障分析及應(yīng)對(duì)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(guò)分析短路電弧狀態(tài)可知，412 輸送線1 在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生相間的短路，導(dǎo)致35 kV 全失壓，進(jìn)而發(fā)生短路故障。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析故障點(diǎn)為412 結(jié)點(diǎn)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(diǎn)。將回路的母線一級(jí)短路器和各個(gè)出線部分的斷路器與母線進(jìn)行連接，對(duì)整體進(jìn)行耐壓測(cè)試，該變電系統(tǒng)測(cè)試耐壓試驗(yàn)合格，并未被擊穿。而412 節(jié)點(diǎn)位置在進(jìn)行耐壓測(cè)試沒有通過(guò)測(cè)試，在達(dá)到1.85 kV 的時(shí)候形成了放電回路，通過(guò)分析為母線室的金屬鎧甲與其連接部分實(shí)現(xiàn)放電回路。

考慮到事故發(fā)生時(shí)還存在相間短路的故障情況，因該站10 kV 系統(tǒng)為不接地系統(tǒng)，可能存在設(shè)備相間距離不足，當(dāng)故障相完全接地時(shí)，非故障相電壓升高3 倍或接地電弧在燃滅過(guò)程引發(fā)的弧光接地，過(guò)電壓導(dǎo)致非故障相電壓升高3.25~3.35 倍，從而測(cè)試相間擊穿放電的可能性。故對(duì)相間也進(jìn)行了耐壓絕緣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果合格未擊穿。

針對(duì)分析提出以下防范對(duì)策：在進(jìn)行接地設(shè)置時(shí)，消弧線圈接地應(yīng)選用具備電流顯示功能的接地系統(tǒng)，設(shè)備定檢時(shí)加強(qiáng)對(duì)開關(guān)設(shè)備及接頭的檢查，發(fā)現(xiàn)放電回路及時(shí)處理。通過(guò)試驗(yàn)查找設(shè)備爬電間隙薄弱之處。應(yīng)該重視阻燃材料的選擇，進(jìn)而提高電網(wǎng)高壓開關(guān)柜的絕緣性能，同時(shí)也可以選擇小電阻接地的方式，減小系統(tǒng)短路所造成的影響，在發(fā)生短路時(shí)起到良好的切除隔離作用。

6 結(jié)語(yǔ)

由上述可知，通過(guò)對(duì)10 kV 高壓設(shè)備的重要性進(jìn)行分析，找出現(xiàn)階段高壓設(shè)備安裝存在的主要問題，提出相應(yīng)的解決措施，降低用電安全事故的發(fā)生，使高壓設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性得到保證，促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展。10 kV 配電線路客觀的存在著線路復(fù)雜及電氣設(shè)備多樣化的現(xiàn)實(shí)問題，而高壓設(shè)備通常受外部環(huán)境、人為因素的影響極易引起短路故障，危害整個(gè)電網(wǎng)安全。因此，作為工程技術(shù)人員在進(jìn)行10 kV 高壓設(shè)備的施工過(guò)程中，應(yīng)明確故障原因并從多個(gè)角度進(jìn)行防范，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。