江蘇省電力有限公司蘇州供電公司 趙巳瑋

小電流接地系統(tǒng)頻繁發(fā)生單相接地多次引發(fā)過電壓從而造成開關(guān)柜設(shè)備爆炸，對維護(hù)人員人身安全以及電網(wǎng)和設(shè)備的維護(hù)、供電的可靠性都較為不利。因此，如何優(yōu)化提升開關(guān)柜的安全性，是當(dāng)前需要重點(diǎn)解決的問題[1]。

1 事故簡要經(jīng)過

1.1 事故背景

某220kV 變電站10kV 側(cè)小電流接地系統(tǒng)為單母分段接線，未配置消弧線圈。2臺(tái)220kV 主變壓器分別經(jīng)10kV Ⅰ、Ⅱ段母線供2臺(tái)站用變，400V站用電系統(tǒng)同樣為單母線分段接線，10kV 母線和400V 母線均分列運(yùn)行。

1.2 事故經(jīng)過

一是事故動(dòng)作情況：#1、#2主變同時(shí)過流Ⅰ段動(dòng)作，2臺(tái)主變10kV 開關(guān)跳閘，1XX 線保護(hù)啟動(dòng)（開關(guān)未跳），10kV 母線和400V 母線全部失電，2臺(tái)主變風(fēng)冷全停；在事故發(fā)生前，10kV Ⅰ段母線曾發(fā)生單相接地?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)故障為10kV 母聯(lián)開關(guān)后倉內(nèi)部發(fā)生爆炸。二是事故處理：由于2臺(tái)尚在運(yùn)行中的強(qiáng)油風(fēng)冷變壓器失去風(fēng)冷，10kV 母線無其他明顯故障點(diǎn)，處理人員通過斷開母聯(lián)刀閘手車隔離故障點(diǎn)（10kV 母聯(lián)開關(guān)），依靠外來電源試送10kV Ⅰ段母線恢復(fù)供電。隨后試送主變開關(guān)，恢復(fù)10kV Ⅰ段母線和站用電系統(tǒng)。1XX 線保護(hù)啟動(dòng)（開關(guān)未跳），結(jié)合單相接地現(xiàn)象，立即隔離1XX 線。

2 事故原因分析

10kV 母聯(lián)為熱備用狀態(tài)，導(dǎo)致其后倉發(fā)生爆炸主要原因如下：10kV 配電裝置為早期的落地式開關(guān)柜，制造工藝落后，設(shè)計(jì)不夠完善，后部母線倉（連接10kV Ⅰ段母線）和出線倉（連接母聯(lián)刀閘--10kV Ⅱ段母線）未設(shè)計(jì)隔板。檢查確認(rèn)10kV 母聯(lián)開關(guān)斷開，開關(guān)柜前倉無故障，后倉內(nèi)部發(fā)生絕緣故障，后倉炸開。

線路部門發(fā)現(xiàn)1XX 線某處發(fā)生過弧光接地，故10kV Ⅱ段母線發(fā)接地信號。由于某變10kV 母線未配置消弧線圈，接地點(diǎn)容性電弧難以熄滅，10kV Ⅱ段母線上產(chǎn)生弧光接地過電壓，理論上最高可達(dá)到相電壓的3～4倍。如圖1所示，過電壓首先擊穿100母聯(lián)開關(guān)后倉內(nèi)下導(dǎo)電臂（連接至Ⅱ段母線）的絕緣。由于上方母線倉未設(shè)計(jì)隔板，短路飛弧引起了上導(dǎo)電臂（Ⅰ段母線）發(fā)生相間短路。至此，兩段母線先后發(fā)生相間短路，導(dǎo)致兩臺(tái)主變低后備保護(hù)幾乎同時(shí)動(dòng)作跳閘[2]。

圖1 10kV 母聯(lián)開關(guān)柜故障爆炸推演圖

3 暴露問題

3.1 小電流接地系統(tǒng)的弧光接地過電壓問題

單相接地故障是電力系統(tǒng)中的主要故障形式，我國低壓配電網(wǎng)多采用在小電流接地（中性點(diǎn)不接地）系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，故障點(diǎn)流過較小的容性電流，系統(tǒng)的三相電源電壓仍維持其對稱性，不影響對外供電，允許帶故障運(yùn)行一段時(shí)間（不超過2h），但是單相接地會(huì)使健全相對地電壓上升到線電壓，系統(tǒng)中流過容性的接地電流。故障電流I=√3I2=3ωC Uph。即：單相接地時(shí)流過故障點(diǎn)的容性電流I與線路對地電容和系統(tǒng)額定電壓成正比。

實(shí)際架空線路的接地多為非金屬性接地，比如導(dǎo)線對樹枝放電，出現(xiàn)間歇性電弧。若系統(tǒng)較小，對地電容小，接地電流也小，電弧容易自動(dòng)熄滅。然而隨著系統(tǒng)的發(fā)展，單相接地故障電流將成比例增加。比如10kV線路，總長度超過1000km 時(shí)，電容電流超過30A，電弧將難以自動(dòng)熄滅，進(jìn)而產(chǎn)生弧光接地過電壓。

假定A 相發(fā)生接地故障，設(shè)以UA、UB、UC代表三相電源電壓，以U1、U2、U3代表三相線路的對地電壓。故障點(diǎn)發(fā)弧后，電路中將有一電磁振蕩過程，在這個(gè)過程中，故障相電容C1的電荷通過電弧電流泄放入地，電壓突然降為零。兩健全相電容C2、C3則有一個(gè)由電源線電壓通過電源內(nèi)電抗Ls 進(jìn)行充電的高頻振蕩過程。設(shè)A 相在達(dá)到最大值Uphm 時(shí)發(fā)弧，發(fā)弧前t-前電壓分別為：

U1（t-）=Uphm

U2（t-）=U3（t-）=-0.5Uphm

以上是振蕩過程的電壓起始值。其穩(wěn)態(tài)值則為：

U1（t+）=0

U2（t+）=UBA=-Uphm+（-Uphmcos60°）=-1.5Uphm

U3（t+）=UCA=-Uphm+（-Uphmcos60 °）=-1.5Uphm

由于振蕩引起的過電壓由兩部分組成，一為穩(wěn)態(tài)值，二為振蕩部分。振蕩部分的幅值為穩(wěn)態(tài)值減起始值，所以：

過電壓=穩(wěn)態(tài)值+振蕩值=穩(wěn)態(tài)值+[穩(wěn)態(tài)值-起始值]=2倍穩(wěn)態(tài)值-振蕩值

即：Umax=-2.5Uphm

電源電壓A 相由正半周轉(zhuǎn)為負(fù)半周，如在其最大值時(shí)重燃，則過電壓將達(dá)到-3.5Uphm。

由于電弧過程的強(qiáng)烈隨機(jī)性，過電壓倍數(shù)亦具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。據(jù)國內(nèi)外實(shí)測，弧光接地過電壓一般不超過3倍，個(gè)別可達(dá)3.5倍甚至4倍。這種過電壓持續(xù)時(shí)間可能較長，若不采取措施，可能危及設(shè)備絕緣，引起相間短路，使事故擴(kuò)大。

由于10kV 配網(wǎng)線路越來越長，并且大量敷設(shè)電纜，導(dǎo)致系統(tǒng)對地電容節(jié)節(jié)攀升，早期設(shè)計(jì)已無法解上述問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某公司所轄各變電站10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的平均電容電流在2008年時(shí)為49.67A，該數(shù)值在2016年已攀升至103.54A。此外，根據(jù)有關(guān)檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在雷雨等惡劣天氣多發(fā)季節(jié)，變電站平均每站單月發(fā)生6次母線單相接地，部分變電站會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)數(shù)十次的頻繁接地，間歇性弧光接地過電壓發(fā)生的概率大為增加。

3.2 開關(guān)柜的設(shè)計(jì)、工藝質(zhì)量及運(yùn)行維護(hù)等問題

在本次事故中，由于母線倉和出線倉未設(shè)置隔板，導(dǎo)致短路故障范圍擴(kuò)大，全站低壓側(cè)失電的危急事故。近10年來，某公司所轄變電站頻繁發(fā)生開關(guān)柜爆炸事故，其中多數(shù)與系統(tǒng)發(fā)生接地有直接關(guān)系。鎧裝式高壓開關(guān)柜結(jié)構(gòu)緊湊，倉內(nèi)空間狹小，對產(chǎn)品工藝和安裝施工要求高，絕緣裕度低。一旦發(fā)生過電壓，易發(fā)生絕緣擊穿故障。此外，由于本地區(qū)天氣多雨，部分開關(guān)室布置在變電站一層，開關(guān)柜下方即是電纜溝，倉內(nèi)易受潮、凝露、銹蝕等，加劇了開關(guān)柜的絕緣問題。

3.3 保護(hù)配置問題

低壓側(cè)小電流接地系統(tǒng)中的母線主保護(hù)采用的是主變相應(yīng)電壓等級后備過流保護(hù)，通常帶有一定延時(shí)，為了和線路保護(hù)配合，該保護(hù)的延時(shí)時(shí)間較長，本次事故發(fā)生時(shí)，主變10kV 側(cè)后備保護(hù)延時(shí)1.5s 出口跳閘切除故障。如圖2所示，紅色區(qū)域?yàn)槟妇€范圍，一旦此處發(fā)生短路，為變壓器出口處的近區(qū)短路故障，故障電流巨大。但沒有靈敏可靠的速動(dòng)保護(hù)與之匹配，巨大的短路電流在狹小的開關(guān)柜空間內(nèi)經(jīng)“漫長”的延時(shí)才被切除，勢必造成劇烈的爆炸。如果同類問題發(fā)生在老式的戶內(nèi)敞開式設(shè)備上，事故劇烈程度則減輕不少。這是一二次設(shè)備在當(dāng)下電網(wǎng)運(yùn)行情況下面臨的新問題。

圖2 開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備保護(hù)區(qū)域

綜上所述，由于戶內(nèi)布置的母線故障概率較低，低壓側(cè)母線未配置速動(dòng)主保護(hù)。鎧裝式開關(guān)柜進(jìn)行了全封閉處理，故障概率理論上進(jìn)一步降低。但持續(xù)擴(kuò)張的配電網(wǎng)絡(luò)伴隨著不斷上漲的系統(tǒng)對地電容電流，與此同時(shí)線路單相接地故障也日益增加，綜合導(dǎo)致數(shù)量劇增的弧光接地過電壓把變電站外部的電網(wǎng)異常轉(zhuǎn)換成了變電站內(nèi)部的設(shè)備故障，將原有的安全防線一舉“擊穿”，引發(fā)嚴(yán)重的設(shè)備事故--開關(guān)柜爆炸。

4 整改防范措施

4.1 加裝消弧線圈防止小電流接地系統(tǒng)出現(xiàn)間歇性弧光接地過電壓

任何形式的單相接地故障，都存在由暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過渡過程，金屬性接地其接觸前的瞬間也存在著空氣放電的問題。所以減少接地故障時(shí)的電容電流是降低弧光接地時(shí)的重燃次數(shù)、降低弧光接地過電壓的有效措施。因此，須監(jiān)視小電流接地系統(tǒng)電容電流，當(dāng)10kV 系統(tǒng)對地電容電流大于30A 時(shí)，須加裝消弧線圈。

安裝消弧線圈的目的：減少接地時(shí)的殘流值，減緩恢復(fù)電壓的上升速度，抑制諧振過電壓的產(chǎn)生，本次事故發(fā)生后，某公司立即對其10kV 系統(tǒng)加裝了接地變和消弧線圈。

4.2 保護(hù)接地處理時(shí)的人身安全

在接地異常處理中，對于系統(tǒng)對地電容電流較大的變電站，尤其是配電裝置為開關(guān)柜者，處理人員切記冒然進(jìn)入開關(guān)室內(nèi)檢查，應(yīng)穿戴好安全防護(hù)，確保接地消失后方可進(jìn)開關(guān)室內(nèi)檢查，防止弧光過電壓引發(fā)爆炸事故，同時(shí)應(yīng)注意跨步電壓等危險(xiǎn)。

4.3 改善低壓側(cè)母線的保護(hù)配置

應(yīng)當(dāng)更加精細(xì)的區(qū)分主變后備保護(hù)的保護(hù)范圍和優(yōu)化配合，如圖3所示。

圖3 主變后備保護(hù)范圍情況

主變10kV（35kV）側(cè)后備應(yīng)配置高低兩個(gè)定值。其中，較低定值用于保護(hù)線路，經(jīng)過復(fù)合電壓閉鎖，并采用較長延時(shí)與線路保護(hù)配合。較高定值應(yīng)充分匹配站內(nèi)母線發(fā)生故障的短路情況，按母線故障Klm ≥1.5整定，不經(jīng)復(fù)壓電壓閉鎖，經(jīng)短時(shí)限跳本側(cè)開關(guān)，保護(hù)母線，經(jīng)較長時(shí)限跳主變各側(cè)，保護(hù)死區(qū)及開關(guān)拒動(dòng)故障，高定值延時(shí)均應(yīng)短于低定值延時(shí)。

此外，可以嘗試新技術(shù)的運(yùn)用。比如，在開關(guān)柜內(nèi)部配置光傳感器，當(dāng)內(nèi)部發(fā)生短路放電時(shí)立即啟動(dòng)主變后備保護(hù)，解決開關(guān)柜母線倉內(nèi)短路故障時(shí)的保護(hù)配合問題，提升保護(hù)速度，大大降低開關(guān)柜爆炸的發(fā)生概率[3]。

4.4 加強(qiáng)對開關(guān)柜的運(yùn)行維護(hù)和檢測

新的探測儀器和技術(shù)逐步運(yùn)用于開關(guān)柜的早期故障偵測。各類絕緣缺陷發(fā)展到最終擊穿，釀成事故之前，往往先經(jīng)過局部放電階段，局部放電的強(qiáng)度能夠在一定程度上反映絕緣的狀態(tài)，因此可通過在線監(jiān)測局部放電來判斷絕緣狀態(tài)。對母線等金屬導(dǎo)體包裹絕緣熱縮套可以一定程度上解決開關(guān)柜內(nèi)部絕緣裕度低等問題。與此同時(shí)，也應(yīng)考慮開關(guān)柜內(nèi)部散熱及受潮等問題的影響。

4.5 低壓側(cè)配網(wǎng)的接地方式選擇

對于小電流接地系統(tǒng)，加裝消弧線圈只是大幅降低間歇性接地發(fā)生的概率，并不能絕對消除這一過電壓，因此有些變電站雖然配置有消弧線圈，但仍有發(fā)生接地時(shí)設(shè)備爆炸。一些變電站的10kV 母線對地電容電流已超過150A（單臺(tái)消弧線圈最大補(bǔ)償電流為150A），甚至部分變電站超過了200A。只能采用并接方式對消弧線圈進(jìn)行擴(kuò)容。

與此同時(shí)，城市配網(wǎng)自動(dòng)化等新技術(shù)的推廣，原有的電網(wǎng)設(shè)計(jì)理念已經(jīng)逐漸發(fā)生改變，供電可靠性不必過度依賴單條線路的“堅(jiān)持”運(yùn)行。因此，將10kV配網(wǎng)改為直接接地系統(tǒng)很好的解決了上述問題，通過配置零序保護(hù)，當(dāng)發(fā)生母線單相接地時(shí)，立即切除故障線路，從根本上杜絕弧光接地過電壓問題。