2018, Vol. 36 
2. 内蒙古电力科学研究院, 呼和浩特 010020;
3. 国网山西省电力公司, 太原 030000;
4. 国网河北省电力有限公司新河县供电分公司, 河北 邢台 055650
2. Inner Mongolia Power Research Institute, Hohhot 010020, China;
3. Shanxi Electric Power Company, Taiyuan 030000, China;
4. Hebei Electric Power Co., Ltd., Xinhe County Power Supply Branch, Xingtai 055650, China
某220 kV变电站220 kVⅠ段母线、Ⅱ段母线并列运行，110 kVⅠ段母线、Ⅱ段母线并列运行，35 kV Ⅲ段、Ⅳ段、Ⅴ段母线分列运行，变电站故障前运行方式如图 1所示。
|
图 1 变电站故障前运行方式 |
2016-06-12T12：07，该变电站35 kV Ⅳ段母线接地，系统接地运行约10 min后，和美Ⅳ回线过流保护动作，19341开关跳闸。13：00，4号主变压器低压侧后备保护动作跳开19304开关，35 kV Ⅳ段母线失压。在此期间，35 kV Ⅳ段开关柜内起火且迅速蔓延，致使19341、19342、19300开关柜严重损毁。为了控制火情并确保救火人员的人身安全，对35 kV Ⅲ段、Ⅴ段母线进行了紧急限停。在消防人员的支援下，于17：40被完全扑灭。
2 现场设备检查 2.1 和美Ⅳ回线路及用户侧设备检查该变电站35 kV Ⅳ段母线失压后，对和美Ⅳ回线用户设备进行了故障排查。线路巡检结果为和美Ⅳ回线19341侧1号—8号塔正常。用户侧发现2处故障，1处为某化工厂用户2号炉变压器V相电缆头故障，找到时用户已经将故障处理完毕，用户侧电缆故障已恢复；另1处为该用户2号电容器W相高压套管炸毁，现场情况如图 2所示。用户侧进线速断保护及2号炉变压器速断保护出口侧动作[1-3]。
|
图 2 用户侧2号炉变压器V相电缆及2号电容器W相故障情况 |
4号主变压器油样色谱分析结果正常。火情解除后，运维人员检查高压室内设备，发现19341、19342、19300开关柜严重烧毁，靠近开关柜后柜门位置的电缆燃烧仅剩下铜芯，现场情况如图 3所示。
|
图 3 19341、19342、19300开关柜电缆烧损情况 |
火情消除后，各相关专业立即开展变电站故障设备的恢复工作。
(1) 将35 kV Ⅳ段19341、19342、19300间隔母线室内管母线拆除、隔离。
(2) 对35 kV Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ段所有设备进行了全面清擦、传动检查及耐压试验。
(3) 35 kVⅤ段于13日07：20恢复送电，Ⅳ段及4号变压器于13日20：00恢复送电，35 kV Ⅲ段于14日18：00恢复送电。
4 故障原因分析 4.1 故障过程该变电站和美Ⅳ回19341开关柜内电缆头运行了12 a，正常运行期间负荷较重，6月份最大电流587 A，平均电流336 A。U相电缆头局部存在发热情况，电缆头材质的阻燃性能已经严重劣化，随着时间积累电缆头温升加剧，致使电缆头绝缘材料熔化并起火。
根据故障录波图及自动记录信息分析，2016-06-12T12：07：43，U相电缆头绝缘材料熔化后，导电部分和屏蔽层形成放电通道，造成35 kV Ⅳ段母线接地。放电通道的形成过程是1个由非金属接地向金属性接地发展的过程，接地点弧光产生的高温起到了助燃作用。在弧光过电压的作用下，系统V相、W相电压升高[4-6]。
12：17，和美Ⅳ回用户侧的1处绝缘薄弱点(即2号炉变压器V相高压电缆头)绝缘击穿，形成异地L1相、L2相两相接地短路故障。L1相、L2相故障大约持续了110 ms，和美Ⅳ回用户侧L3相的另1处薄弱点(即电容器W相高压套管)再次发生故障，进而形成了异地三相接地短路故障。经过50 ms后，用户侧进线保护出口侧动作，开关跳闸，W相故障点被隔离，该变电站35 kV Ⅳ段母线L3相电压恢复至接近线电压的水平，但此时该变电站侧开关柜内已经发展为U相、V相两相接地短路故障。40 ms后，开关柜内三相短路并持续30 ms后，和美Ⅳ回过流一段保护出口动作(整定定值35.0 A、时限0.15 s)，开关跳闸，故障被隔离。
根据4号主变压器录波波形推算，和美Ⅳ回线故障电流约为8488 A。
4.2 故障发展原因分析19341开关跳开后，故障虽然被切除，但火并没有熄灭。最初是柜内电缆头燃烧，因柜内空间狭小，没有泄压通道，随着柜内温度急剧上升，进而导致绝缘护套着火，最后电流互感器环氧树脂也被引燃。开关柜出线室和母线室虽已隔开，但隔板上有栅格状空隙，火势顺着空隙蔓延至母线室。
同时，从故障录波图(见图 4)看出，19341开关跳闸后，故障电流虽然消失，但母线电压仍处于异常状态，三相电压幅值在相电压和线电压之间呈周期性交替变化，有明显谐振特征，振荡周期约100 ms。振荡初期，由于母线外层绝缘护套还未完全烧损，绝缘性能基本保持，但绝缘护套烧融后，母线绝缘性能下降，在振荡过电压的作用下，最终引发母线故障[7-8]。
|
图 4 3号主变压器保护PST1200U装置录波图(由上至下分别为UW、UV、UU、IW、IV、IU) |
2016-06-12T13：00：14.882，4号主变压器低压侧后备保护(限时速动，0.6 s)出口动作，切除母线故障。
根据现场设备烧损情况分析，在和美Ⅳ回线19341开关柜后柜门下TA处，L3相灼烧最为严重，已彻底从底座处断裂脱落；L3相TA脱落后, 开关柜前后柜贯通，火势继续蔓延至小车开关室。在火势蔓延过程中，和美Ⅳ回线19341开关柜内保护装置及二次元件全部烧毁，接线绝缘烧毁、铜线裸露。
5 故障仿真分析及预防措施采用PSCAD电力系统电磁暂态仿真软件，对和美Ⅳ线路由L1相接地短路逐步发展为三相短路故障过程进行仿真[9]。
5.1 仿真分析在PSCAD中建立上述仿真模型进行故障仿真再现。仿真波形见图 5。仿真波形与故障录波波形完全一致。
|
图 5 故障仿真分析波形(由上至下分别为UW、UV、UU、IW、IV、IU) |
(1) 第1阶段，该变电站和美Ⅳ线19341电缆L1相接地短路。此时，L1相电压接近于0，L2相、L3相电压为线电压。L1相电流为故障电容电流，L2相、L3相电流为负荷电流。
(2) 第2阶段，由于L2相、L3相电压长期(10 min)处于线电压水平，击穿和美Ⅳ线路对侧L3相，造成对侧L3相接地短路。此时，该变电站和美Ⅳ回线L2相电压接近于0；L3相电压在对侧为0，该变电站为短路电流在线路阻抗上的压降，小于正常电压水平；L3相无故障，电压接近线电压。L2相、L3相电流为异地异相两相短路电流，L3相为正常电流。
(3) 第3阶段，约110 ms后，和美Ⅳ回线路对侧L3相击穿，造成L3相对地短路。此时，该变电站和美Ⅳ回线侧L1相电压接近于0；L2相、L3相电压在对侧为0，该变电站侧为短路电流在线路阻抗上的压降，小于正常电压水平；L1相、L2相、L3相电流为流过异地异相三相短路电流。
(4) 第4阶段，约50 ms左右，和美Ⅳ线路对侧断路器跳闸，切除对侧L2相、L3相接地故障。由于该变电站和美Ⅳ线路侧L1相接地故障仍然存在，L2相、L3相电压在上升至线电压的同时，该变电站和美Ⅳ线路侧L3相击穿，造成L3相接地故障。此时，该变电站和美Ⅳ线侧L1相、L2相电压接近为零，L3相电压为线电压；L1相、L2相电流为L1相、L2相相间短路电流，L3相电流为0。
(5) 第5阶段，约40 ms左右，该变电站和美Ⅳ线路侧由L1相、L2相相间短路发展为L1相、L2相、L3相三相短路。此时该变电站和美Ⅳ线路侧L1相、L2相、L3相电压接近于0，L1相、L2相、L3相电流为L1、L2、L3三相短路电流。
(6) 第6阶段，约30 ms左右，该变电站和美Ⅳ线路侧断路器跳闸，故障切除，该变电站和美Ⅳ线路侧L1相、L2相、L3相电压恢复正常，电流为0。
5.3 预防措施(1) 变电站设计时，35 kV应设计为双母线接线，增设备自投装置。该变电站建议采用双向备自投装置进行改造[10]。
(2) 加强电力电缆日常巡视工作，开关柜内设备及电缆红外测温应改造专用测温孔，确保能直接对设备及电缆本体进行红外测温。及时开展开关柜局放测试工作，尤其是重载及运行年限超过10 a的电力电缆应重点关注，对检测结果异常的开关柜及附属设备，立即安排计划进行处理，确保开关柜及电力电缆安全可靠运行。
(3) 组织进行电力电缆和开关柜普查工作，制定周期性电缆检修预试滚动计划，严格按照规程周期和技术要求，开展电力电缆和开关柜试验；对试验不合格的电力电缆要及时更换，对试验不合格的开关柜进行隐患治理。
(4) 扎实开展电力电缆状态评价，全面及时搜集设备运行、检修、预试等各环节数据报告，根据评价细则真实客观评价设备状况，及时安排检修预试计划，对运行工况不满足规程要求的电力电缆及时储备项目安排技术改造。
(5) 加强对视频监控等辅助设施的运行维护，确保设备既具备实施监控功能，又具有视频信息存储、调阅功能。
(6) 梳理排查各变电站防火报警信息是否能够上送调度，对不满足要求的变电站应立即进行整改。
6 结语结合现场检查情况以及现场录波图，通过还原现场故障的发展过程，并利用PSCAD电力系统电磁暂态仿真软件，对该变电站失压过程进行了仿真，仿真结果与现场录波图完全一致，验证了故障原因分析的正确性，为类似故障的原因查找提供了1种方法[11-14]。
| [1] | 杨珊, 卓琛, 林魁, 等. 一起雷击引起110 kV变电站全停事故的分析[J]. 电气技术, 2017(4): 153–155. |
| [2] | 张强, 吴绍武, 史达. 一起线路故障引起变电站主变全停的原因分析[J]. 电气技术, 2016(10): 128–131. DOI:10.3969/j.issn.1673-3800.2016.10.028 |
| [3] | 侯佳才, 孟庆党. 巢湖发电厂单机运行及220 kV线路跳闸时的安全性分析[J]. 安徽电力, 2008, 25(4): 32–34. |
| [4] | 彭向阳, 钱冠军, 李鑫, 等. 架空输电线路跳闸故障智能诊断[J]. 高电压技术, 2012, 38(8): 1966–1972. |
| [5] | 尹迪迪. 220 kV桂湘线跳闸故障原因分析及建议[J]. 广西电力, 2011, 34(5): 80–82. |
| [6] | 陈楷, 王卉. 220 kV气体绝缘组合断路器设备母线事故处理[J]. 供用电, 2011(1): 52–54. |
| [7] | 国家电力调度通信中心. 电网调度运行实用技术问答[M]. 2版. 北京: 中国电力出版社, 2008. |
| [8] | 吴有中. 变电站二次电压并列几种方式问题讨论[J]. 科技与生活, 2011, 22(2): 103, 121. |
| [9] | 侯保军, 史永果. 封闭式共箱母线的应用[J]. 电气时代, 2009(1): 94–96. |
| [10] | 段薇薇. 一起启备变低压侧共箱母线故障的分析及处理[J]. 硅谷, 2013(9): 90. |
| [11] | 贺晓华. 330 MW发电机组共箱母线故障的分析及对策[J]. 宁夏电力, 2008(3): 31–33. |
| [12] | 刘成, 包龙卿, 王洪见. 浅谈如何提高共箱封闭母线的绝缘性能[J]. 科技情报开发与经济, 2010, 20(31): 199–200. |
| [13] | 金超亮, 周原, 李化, 等. 220 kV母线高压电抗器投切对电力系统的影响[J]. 广东电力, 2017, 30(5): 119–123. |
| [14] | 魏忠明, 魏欣, 袁峻, 等. 500 kVGIS母线失压故障诊断方法[J]. 云南电力技术, 2015, 43(S1): 43–44. |