一起變電站雷擊事故分析
01
概述
XX年X月X日19時許,110kV某變電站區(qū)域持續(xù)降雨雷暴天氣,據(jù)當?shù)厝撕途€路維護站職工反映,故障發(fā)生時,雷聲不斷,云頭很低,落雷密度很大。19時17分左右,突降雷暴,10kV53、14、15線路在距變電站不到100m處斷線,線路瓷瓶炸裂,隨即引發(fā)變電站設(shè)備損毀事故,造成2臺主變損壞、1#主變35kV側(cè)刀閘及開關(guān)損壞、10kVI段母線的開關(guān)柜燒損。事故后經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,作出如下分析及防范措施建議。 02 事故前運行方式 變電站接線示意圖 110kV04開關(guān)運行,1#、2#變并列運行,帶35kVⅠ、Ⅱ段負荷。2#變10kV側(cè)開關(guān)斷開,僅由1#主變帶10kVⅠ、Ⅱ段負荷,10kV分段開關(guān)10在合閘位置。 當時運行方式安排為2臺主變110kV側(cè)中性點不接地,35kV側(cè)中性點不接地。 03 運行記錄及開關(guān)跳閘記錄 19:11 10kV 13開關(guān)速斷動作,重合成功; 19:17 10kV母線分段開關(guān)10開關(guān)跳閘,發(fā)#變后備保護10KV過流保護動作信號; 19:21 站值守人員電話反映站內(nèi)10KV高壓室起火, 1#主變起火; 19:25 110kV上級開關(guān)跳閘。 04 設(shè)備受損情況 1)110KV:1#主變外殼燒損嚴重,2#主變內(nèi)部繞組損傷,變壓器油呈黑色,中低壓繞組開路(見附錄1、附錄2)。 2)35KV:31開關(guān)燒損,316刀閘三相僅剩下底座(見附件3),311刀閘A相僅剩底座,35KVI段母線A、C相瓷瓶炸損,B相瓷瓶破碎導(dǎo)線脫落。 3)10KV:10KVI段母線所有開關(guān)柜及連接設(shè)備均燒損,53開關(guān)柜內(nèi)CT被炸成碎片,14、15出線同桿架設(shè)處絕緣線斷線,瓷瓶損傷, 53出線0-1#桿斷線,5、6#桿三相瓷瓶炸裂。 4)1#變附近電纜溝電纜燒損嚴重, 1#主變至10KV高壓室出線電纜燒毀。 05 事故后現(xiàn)場檢查及各方面調(diào)查情況 1)地網(wǎng)及避雷針: 該站地網(wǎng)2005年9月測量值為0.308Ω, 按照投運后應(yīng)小于0.7Ω算,接地電阻合格。事故后復(fù)測值為0.31Ω.地網(wǎng)經(jīng)開挖2處檢查,有部分生銹,但無嚴重腐蝕。地網(wǎng)和接地引下線均為φ12mm圓鋼(少數(shù)為φ14mm圓鋼)。事故后復(fù)核了避雷針的直擊雷保護范圍,結(jié)論為合格。 2)35kV出線: 35kV出線的1.5km架空線進線段設(shè)有雙避雷線。4條出線經(jīng)巡查未見雷擊現(xiàn)象。站內(nèi)35kV出線間隔電氣設(shè)備均正常,現(xiàn)已恢復(fù)送電。 3)主變檢查: 1#變油化驗色譜分析數(shù)據(jù)顯示有過熱,但無乙炔。因中低壓側(cè)套管已損壞,未進行電氣試驗檢查。 2#變油已呈深褐色,油樣數(shù)據(jù)嚴重超標,顯示有內(nèi)部電弧放電。2#變高壓側(cè)直流電阻合格,但是中、低壓側(cè)有開路現(xiàn)象。 4)避雷器及動作記錄檢查: 110kV和35kV母線避雷器外觀正常。35kVII段母線互32避雷器已臨時恢復(fù)送電,110kV母線避雷器和35kV I段母線互31避雷器事故后電氣試驗結(jié)果合格。據(jù)集控中心操巡隊7月5日記錄與事故后避雷器計數(shù)器的動作次數(shù)比對,在此期間互31避雷器A相動作2次、B相動作1次。 5)母線短路電流計算值: 據(jù)調(diào)度提供的2008年該變電站母線三相短路電流計算值:110kV :3.05kA, 35kV :3.5kA, 10kV :8.3kA(二相短路電流小于上述值)。 6)雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù): 據(jù)查詢雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù),因該站未經(jīng)GPS時鐘校準,將查詢時段定為19:15-19:22,查詢范圍2km, 查詢結(jié)果是在此時段內(nèi)站附近對地落雷30個,雷電流最大128kA,最小16kA。 7)35、10kV系統(tǒng)的對地電容電流 該站35、10kV系統(tǒng)事故時為不接地系統(tǒng),對地電容電流未測量過。主變35kV側(cè)中性點的消弧線圈因認為線路不長、估計電容電流為6A,未超過規(guī)定的10A,長期未投運。 06 故障經(jīng)過分析 19時17分,10kV53線路在變電站近區(qū)遭雷擊,絕緣外皮的架空線雷擊斷線造成線路弧光過電壓,過電壓沿線路侵入53開關(guān),導(dǎo)致柜中CT被擊穿發(fā)生爆炸,使53開關(guān)保護動作掉牌,但開關(guān)未能跳閘。由于故障電流的存在1#主變低壓側(cè)后備保護動作,延時1秒跳開10kV分段開關(guān)10將10kVI、II段母線隔離,避免了II段母線設(shè)備損毀。 緊接著,10kVI段14、15線路因與10kV53線路相同原因造成CT爆炸。根據(jù)低壓側(cè)后備保護的動作時間及現(xiàn)場損壞情況分析,低壓側(cè)過流保護1秒跳分段,1.3秒跳11,在1.3秒前分段開關(guān)10跳同時,由于CT的爆炸造成直流短路。10kV直流保護電源空開被跳開。(根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況,該站直流的配置情況是10kV的直流控制電源與保護電源共用一路直流電源,并經(jīng)由一個空開控制。35kV、110kV直流控制電源與保護電源公用一路直流電源也經(jīng)由一個空開控制。也就是說,只要有10kV或35kV戶外直流電源瞬時短路,就會造成10kV保護或35kV保護失去直流工作電源,屬設(shè)計不合理。事故中10kV、35kV、110kV直流空開已跳開。) 造成1#主變低壓側(cè)過流保護直流工作電源消失而返回。11主變低壓開關(guān)無法跳開。因短路點不能切除,造成14、15開關(guān)柜持續(xù)放電,使CT爆炸后形成的金屬蒸氣彌漫至整個高壓室,造成I段母線及所連開關(guān)柜內(nèi)部多處相間及對地短路,出現(xiàn)連鎖起火,部分控制電纜燒毀。引發(fā)直流系統(tǒng)多點接地,直流母線電壓急劇下降,導(dǎo)致站內(nèi)所有保護及控制回路失效。同時,因1#主變10kV側(cè)短路持續(xù),導(dǎo)致了1#主變低壓側(cè)出口至10kV室的電纜燒斷。 在10kV開關(guān)柜爆炸的同時,室外1#主變35kV側(cè)31開關(guān)區(qū)域遭直擊雷,強大雷電流導(dǎo)致316、311刀閘粉碎性爆炸,B相母線瓷瓶炸裂,刀閘碎片將1#主變散熱器擊穿數(shù)十處,變壓器油沿擊穿孔外噴。雷擊同時造成35kV母線A、B兩相同時經(jīng)構(gòu)架接地體發(fā)生接地,導(dǎo)致A、B兩相經(jīng)構(gòu)架接地體短路;母線構(gòu)架及311刀閘構(gòu)架接地引下線承受強大短路電流后,在電桿根部燒斷,同時引發(fā)接地體在熔斷處電弧放電,電弧引燃泄漏出的變壓器油,致使1#主變散熱器起火燃燒。 大火將1#主變35kV、10kV引線燒斷,使1#主變中低壓側(cè)與故障隔離。在一次設(shè)備遭受雷擊同時,31開關(guān)機構(gòu)箱、端子箱也被摧毀,造成35kV、110kV直流空開跳閘,全站保護直流電源無工作電源。由于直流保護電源的中斷,在后續(xù)的故障擴大轉(zhuǎn)換的過程中,包括差動保護、瓦斯保護、110kV側(cè)的后備保護均無法動作切除故障。 35kV母線短路后短路電流造成B相母線瓷瓶連接處鐵附件熔斷,導(dǎo)線脫落搭接在31開關(guān)與35KV母線引下線上,導(dǎo)致35KV母線三相完全短路。當時,1#、2#變35kV側(cè)并列運行,由于1#主變35kV側(cè)因316刀閘粉碎性炸裂使主變與35KV母線斷開,使1#主變35kV側(cè)避免了短路電流沖擊,但2#變35kV出口處因持續(xù)短路,造成2#變內(nèi)部繞組嚴重受損,絕緣油變色發(fā)黑。 在站內(nèi)發(fā)生故障期間,該站110kV進線近區(qū)因雷擊A相接地,19:21該線路首端線路保護接地距離二段動作,開關(guān)跳閘并重合成功。 根據(jù)保護整定原則,該線路保護范圍不包括1#、2#主變中、低壓側(cè)。開關(guān)重合后,因中低壓故障未切除,造成首端線路開關(guān)過負荷動作。經(jīng)4分鐘后,19:25,110kV線路再次發(fā)生單相接地故障而動作跳閘,跳閘后未重合(因過負荷閉鎖重合閘),至此,該站全站失壓,故障切除。事故后,站內(nèi)保護經(jīng)檢驗定值正確,整組試驗動作正確。 07 事故原因分析 遭遇多次、多處雷擊是造成此次事故的主要原因。雷電定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)也顯示有多次落雷。 10kV的3條線路在變電站出口處先后遭遇雷擊,GG1A開關(guān)柜設(shè)備陳舊,CT的絕緣薄弱發(fā)生爆炸,使線路保護失效。因開關(guān)柜不是封閉式,一臺開關(guān)爆炸就迅速波及至整個母線隔室。 關(guān)于1#主變35kV側(cè)區(qū)域的直擊雷,4個獨立避雷針位于站的4個角(有一個在圍墻外),雖經(jīng)校核保護范圍合格,但1#主變的35kV側(cè)區(qū)域處于正中的“鍋底區(qū)”,被保護的裕度最小。35kV線路及站內(nèi)出線間隔的設(shè)備均完好,無證據(jù)說明是沿線路進波。1#主變的35kV側(cè)316刀閘支柱瓷瓶和金屬件粉碎、僅余底座,水泥構(gòu)架支柱損壞嚴重,但是35kV母線的三相短路電流僅3.5kA,不至于造成如此嚴重的后果。因此認為此處是直擊雷。 從繼電保護保護動作情況可見,造成本次事故擴大的主要原因是電源設(shè)計配置不合理。由于老站設(shè)計上的缺陷,控制電源與保護電源未分開,某一控制電源在事故中瞬時短路,將造成保護電源中斷而使保護無法工作。 08 存在的問題 (1)由于該站為1976年建站,雖經(jīng)多次改造,但防雷設(shè)施未經(jīng)大的改造,站內(nèi)整體防雷水平偏低,存在防雷薄弱點。 (2)電纜溝內(nèi)強、弱電纜混合敷設(shè)。 (3)控制電源與保護電源未分開設(shè)置。 (4)10KV開關(guān)柜為GG1A式開關(guān)柜,一旦著火,極易殃及相鄰間隔。 (5)事故發(fā)生時,運行人員應(yīng)急處理不及時。 09 防范措施 (1)提高該站防雷水平。在110kV、35kV母線構(gòu)架上增設(shè)避雷針,將構(gòu)架φ12接地體更換為60*6扁鋼。 (2)更換10kV開關(guān)柜為封閉性開關(guān)柜,柜內(nèi)CT選用高質(zhì)量CT。 (3)將變壓器三側(cè)電源分開,并將各側(cè)控制電源與保護電源分開設(shè)置。 (4)電纜敷設(shè)時嚴格隔離強電、弱電電纜。 (5)10kV主變出口避雷器增設(shè)計數(shù)器。 (6)測量35kV和10kV系統(tǒng)的對地電容電流,如超標應(yīng)投入、安裝消弧線圈。 (7)加強運行人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn),開展有針對性反事故演練,提高應(yīng)急處理能力。