變電站高壓開關(guān)柜設(shè)備故障原因分析及對(duì)策探討

李承義

【摘要】高壓開關(guān)柜作為變電站中普遍應(yīng)用的設(shè)備，其可靠性直接關(guān)系著電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。本文講述一起由線路接地故障引起的變電站高壓開關(guān)柜設(shè)備事故，對(duì)故障發(fā)生情況及故障原因進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和分析，并提出防范措施和對(duì)策，為提高變電站高壓開關(guān)柜的安全運(yùn)行水平提供參考與借鑒。

【關(guān)鍵詞】高壓開關(guān)柜? ?接地故障? ?諧波? ?避雷器? ?防范措施

0 引言

高壓開關(guān)柜是電網(wǎng)使用比例最高多的一次設(shè)備，近年來電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，用戶對(duì)供電穩(wěn)定性與可靠性要求的不斷提高。變電站高壓開關(guān)柜作為用戶送電的源頭，高壓開關(guān)柜性能質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系著運(yùn)行狀態(tài)，在保證電力系統(tǒng)供電可靠性和滿足社會(huì)對(duì)電力供應(yīng)的依賴性等方面有著非常重要的作用。

1 設(shè)備故障簡(jiǎn)述

2019年8月4日，某110 kV變電站門崗值班人員通知當(dāng)值運(yùn)行人員10kV高壓室有異常響聲，隨后有爆炸響聲并散出濃煙。地調(diào)通知當(dāng)值運(yùn)行人員，10kV某F07開關(guān)跳閘，重合閘動(dòng)作后，開關(guān)再次跳閘，要求運(yùn)行人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查。運(yùn)行人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，發(fā)現(xiàn)10kV高壓室充滿濃煙并伴有異味，后續(xù)發(fā)現(xiàn)10kV某F07開關(guān)柜后門縫隙周圍被熏黑，開關(guān)柜后上門外鼓變形，打開開關(guān)柜門，可見該出線電纜頭、線路避雷器及其相連銅排燒毀（見圖1），隨后檢修人員檢查10kV某線F07 C相避雷器完全擊穿。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)開關(guān)柜設(shè)備燒毀情況

2 原因分析

2.1 繼保保護(hù)裝置動(dòng)作情況

根據(jù)以上保護(hù)動(dòng)作情況，結(jié)合保護(hù)裝置錄波及歷史報(bào)文可知這是一起典型的10kV系統(tǒng)C相接地故障，故障后本相對(duì)地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高，最終發(fā)展為三相短路導(dǎo)致高壓開關(guān)柜設(shè)備燒毀。

2.2 故障錄波裝置文件及保護(hù)動(dòng)作分析

圖2 保護(hù)動(dòng)作前10kV母線錄波圖（A相接地～諧波）

圖3 保護(hù)動(dòng)作前10kV母線錄波圖（諧波～B相接地～C相接地）

圖4 保護(hù)動(dòng)作前10kV母線錄波圖（C相接地～諧波～C相接地）

圖5 10kV某線F07保護(hù)動(dòng)作主變變低及10kV母線錄波圖（C相接地～三相短路跳閘～重合閘～三相短路跳閘）

圖6 10kV 某線F07保護(hù)裝置保護(hù)動(dòng)作錄波圖

圖7 10kV某線F07第二次保護(hù)動(dòng)作隔離故障后10kV IM母線錄波圖（諧波～C相接地）

圖8 10kV某線F07第二次保護(hù)動(dòng)作隔離故障后10kV IM母線錄波圖（C相接地～恢復(fù)正常）

保護(hù)動(dòng)作分析：根據(jù)錄波文件、保護(hù)裝置及后臺(tái)報(bào)文顯示，17時(shí)36分54秒228毫秒，10kV系統(tǒng)A相瞬時(shí)接地，故障持續(xù)約30毫秒后諧波出現(xiàn)，二次諧波最高電壓約200V（見圖2）。17時(shí)37分03秒522毫秒，10kV 系統(tǒng)B相接地，故障持續(xù)約270毫秒后，B相接地消失，C相接地（見圖3）。17時(shí)39分11秒463毫秒，10kV系統(tǒng)諧波再次出現(xiàn)，持續(xù)13秒左右諧波消失，C相接地仍未消除（見圖4）。17時(shí)39分24秒779毫秒，10kV系統(tǒng)C相接地，同時(shí)10kV系統(tǒng)所屬間隔（F01、F07、F09）有接地告警信號(hào)。17時(shí)39分37秒060毫秒10kV某線F07由單相接地短路發(fā)展為三相短路（見圖6），10kV某線F07三相電流增大（二次值瞬時(shí)到達(dá)134A，根據(jù)變比300/5推算一次故障電流約8000A），三相電壓降低，經(jīng)過300mS后由過流Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作出口，于17時(shí)39分37秒405毫秒開關(guān)跳閘，10kV某線故障隔離后，10kV系統(tǒng)電壓未恢復(fù)正常（A相接地）。17時(shí)39分45秒458毫秒重合閘動(dòng)作，17時(shí)39分45秒512毫秒開關(guān)合閘，10kV 系統(tǒng)A相接地消失，C相接地（見圖5），17時(shí)39分49秒122毫秒再次發(fā)展為三相短路，電流速增、電壓降低，保護(hù)啟動(dòng)（二次故障電流達(dá)到175A，根據(jù)變比300/5推算一次故障電流約10000A）。17時(shí)39分49秒498毫秒過流Ⅰ段動(dòng)作出口，17時(shí)39分49秒545毫秒，開關(guān)跳閘。10kV某線F07第二次保護(hù)動(dòng)作隔離故障后，17時(shí)39分50秒200毫秒，10kV系統(tǒng)諧波并未消失，17時(shí)40分30秒589毫秒，10kV 系統(tǒng)母線系統(tǒng)C相接地（見圖7）。17時(shí)44分43秒410 毫秒，調(diào)度對(duì)10kV某某線F01開關(guān)控分，17時(shí)44分43秒445毫秒，10kV 系統(tǒng)母線系統(tǒng)C相接地消失，10kV系統(tǒng)系統(tǒng)恢復(fù)正常（見圖8）。

2.3 故障原因分析

（1）線路避雷器故障

綜上所述，由于10kV系統(tǒng)A相瞬時(shí)接地，B、C相對(duì)地電壓升高，隨后諧波的出現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)A、B、C相對(duì)地電壓持續(xù)偏高、10kV系統(tǒng)B、C相避雷器對(duì)地絕緣降低，先造成10kV系統(tǒng)10kV某線F07 B相避雷器接地（持續(xù)0.3秒后恢復(fù)，推斷是由于避雷器接地后由于工頻電容電流過小熄?。僭斐?0kV某線F07 C相避雷器完全擊穿持續(xù)接地，諧波再次出現(xiàn)系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓，因此10kV某線由單相接地短路發(fā)展為三相短路故障，使保護(hù)啟動(dòng)，由保護(hù)出口跳開F07開關(guān)隔離故障。F07開關(guān)跳開后，10kV系統(tǒng)母線系統(tǒng)A相接地，說明10kV母線其他間隔仍有A相接地。經(jīng)過8053mS后10kV某線F07重合閘動(dòng)作（重合閘時(shí)間8S）合上F07開關(guān)后，10kV系統(tǒng)母線系統(tǒng)A相接地消失，由于10kV某線F07 C相避雷器已擊穿，所以F07開關(guān)重合于C相接地故障，并經(jīng)3.3秒后由單相接地短路發(fā)展為三相短路故障，使保護(hù)啟動(dòng)，再次由保護(hù)出口跳開F07開關(guān)隔離故障。由于第一次重合閘動(dòng)作后只經(jīng)過約3.3S重合閘未能完成充電（裝置判據(jù)重合閘充電時(shí)間 15S），所以第二次過流Ⅰ段動(dòng)作后，并沒有重合。

10kV某線F07第二次保護(hù)動(dòng)作隔離故障后，10kV系統(tǒng)再次產(chǎn)生諧波，根據(jù)錄波圖判斷10kV 系統(tǒng)仍有C相接地，隨后調(diào)度遙控分開另外一條10kV某線F01開關(guān)，10kV系統(tǒng)C相接地消失，10kV系統(tǒng)系統(tǒng)恢復(fù)正常，表明另外一條10kV某線F01線路設(shè)備C相有接地有接地。后經(jīng)檢修人員對(duì)10kV某線F01間隔設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)10kV某線F01 C相避雷器也已擊穿，驗(yàn)證了以上推斷結(jié)果。

（2）線路接地故障系統(tǒng)諧波

根據(jù)事故錄波圖分析結(jié)果可知，系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓，是造成一次設(shè)備絕緣性能降低、最終發(fā)生相間短路的主要原因。故障發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)為雷雨天氣，線路遭受雷擊或發(fā)生單相接地時(shí)，系統(tǒng)的電感元件達(dá)到飽和狀態(tài)，造成等值電感、電抗減小，電感參數(shù)與電容參數(shù)達(dá)到匹配條件而引發(fā)鐵磁諧振，電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)，從而引發(fā)過電壓。

3 改進(jìn)思路及防范措施

3.1 線路避雷器拆除或遷移至戶外出線構(gòu)架

通過分析本次事故避雷器故障前后臺(tái)動(dòng)作的記錄，有一個(gè)共同點(diǎn)是都報(bào)單相接地信號(hào)，多為瞬時(shí)金屬性接地，且短時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)接地的次數(shù)較為頻繁。由于高壓開關(guān)柜內(nèi)空間有限，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，容易在柜內(nèi)產(chǎn)生電弧，加之諧振過電壓影響，單相電弧接地轉(zhuǎn)變?yōu)橄嚅g短路故障幾率很大。因此，本次建議一次將安裝在開關(guān)柜內(nèi)的線路避雷器進(jìn)行拆除，若條件允許，需要在本間隔戶外出線構(gòu)架處安裝線路避雷器，保證元件間的空氣間隙在要求范圍，降低短路問題的出現(xiàn)概率，保護(hù)開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行。

3.2 裝設(shè)消弧線圈

該站由于投運(yùn)初期出線間隔很少少，沒有考慮安裝消弧線圈。隨著10kV出線的增多，10kV系統(tǒng)的電容電感分布出現(xiàn)了變化，且已經(jīng)十分接近電壓互感器的鐵磁諧振的起諧點(diǎn)，有必要采取措施減小諧振電流。10kV 電力系統(tǒng)當(dāng)中，可以通過在不接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)通過加裝加裝消弧線圈，有效解決出現(xiàn)的諧振產(chǎn)生過電壓?jiǎn)栴}。

3.3 加裝消諧裝置

若加裝加裝消弧線圈短時(shí)間無法實(shí)現(xiàn)，可以通過加裝對(duì)應(yīng)型號(hào)的消諧裝置來實(shí)現(xiàn)抑制諧波。消諧裝置是一種非線性電阻消諧阻尼器件，電阻值隨電壓變化而變化，呈非線性關(guān)系，以抑制諧波量，采取在PT二次電壓端加裝消諧裝置的臨時(shí)措施，有效避免鐵磁諧振，防止高壓開關(guān)柜設(shè)備故障。

4 結(jié)語：

本文針對(duì)某變電站一起由于接地故障引起10kV開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備短路燒毀故障事故進(jìn)行了分析探討，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢查并結(jié)合故障錄波分析，還原事故原因，再結(jié)合筆者多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)高壓柜運(yùn)行現(xiàn)狀提出了改進(jìn)思路及防范措施，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

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