白莲河抽水蓄能电站厂用10 kV设备遭雷击事故分析

陈 秋，杨洪涛，刘 英

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北 罗田 438600）

0 引 言

白莲河抽水蓄能电站装设4台单机容量为300 MW的单级混流可逆式水泵水轮电动发电机组，平均年发电量9.67亿kW·h，年抽水耗用低谷电量12.89亿kW·h，属日调节纯抽水蓄能电站。电站以一回500 kV出线接入黄冈变，在华中电网中承担调峰、填谷、调频、调相、事故备用及黑起动的任务。电站主体工程于2005年8月1日正式开工，机电设备安装于2006年10月正式开始，首台机组于2009年5月22日首次启动，11月21日完成30 d考核试运行，最后一台机于2010年12月27日完成30 d考核试运行。

电站厂用电采用10 kV和0.4 kV两级供电方式。厂用电电源由每台发电电动机端引接一回，并从白莲河水电厂引接一回10 kV作为厂用电备用电源，1台10 kV柴油发电机组作为电站的保安电源，同时增加1回引自地方10 kV农网外来电源，接至地下厂房10 kVⅠ段母线。

1 厂用电1 0 kV运行方式

2、3、4号主变带电运行，2号厂高变由4号主变低压侧厂高开关204带电运行。10 kV I段母线由101开关供电处于热备用状态 （调试期间，101开关由外来10 kV供电，因受其容量1 000 kV·A限制，当时仅作为备用电源），10 kV II段由102开关供电运行；10 kV I、II段备自投退出。电站10 kV系统运行方式见图1。

图1 10 kV厂用电运行方式

3、4号机组停备，2号机组处于分部调试阶段，1号机组处于安装阶段。

2 事故经过

2010年7月19日18:53分开始，白莲河地区突下短时大到暴雨，并伴有强雷电发生，出现极端恶劣天气，地面副厂房及设备仓库门窗有明显可见的放电现象，室外部分照明灯具损坏。19:16:20，2号厂高变差动保护动作，厂用Ⅱ段10 kV进线102开关跳闸，同时听见10 kV开关室有爆炸声，全厂工作照明消失，事故照明投入工作。运行值班人员立即到10 kV开关室进行现场查看，发现10 kV开关室有浓烟冒出伴有火光，19:18:06，4号主变差动保护动作，莲5003开关跳闸。

3 事故原因分析

3.1 雷电侵入分析

事故发生后，在湖北雷电定位系统上及时查询事故发生时前后1 min、距电站2 km范围内雷电分布图 （见图2），从图中可知，当时最大的落雷为3号雷，雷电电流为77.8 kA，时间为19:16:16，距电站500 kV出线1号塔1 813 m，距中控楼约1 700 m。10kV绝缘架空线 （从开关站至上库配电房）平均高度约为7 m，400 V照明线高度5 m。经简化计算：由500 kV导线感应的最大侵入204开关的雷电冲击电压幅值约为34 kV；由10 kV架空导线感应的最大侵入204开关的雷电冲击电压幅值约为27 kV；由400 V照明线路最大入侵204开关的雷电冲击电压幅值约5.4 kV。

经现场查看，500 kV户外避雷器及地下GIS避雷器均无动作记录；对10 kV母线避雷器及上库架空线路避雷器 （型号为HY5WS2-17/50）进行预防性试验，3组避雷器均正常无损坏。

从上述计算看出，雷电侵入电压均低于低压电气设备的雷电冲击水平，因此保护范围内的避雷器均未动作，也未受损坏，这与现场查看及试验结果吻合。

3.2 10 kV开关起火原因分析

电站10 kV厂用开关拒型号为8BK88-12金属封闭铠装中置柜，柜内配3AH5404型真空断路器。开关出厂配置的过电压保护设备选用的是自动脱离式、大容量、免维护三相组合式过电压保护BOD装置，该产品主要功能是为保护高压负载 （电动机），电站选用的BOD型号为BOD-Z-10/29.8。经查厂家该型号BOD技术参数，工频放电电压和雷电冲击电流下残压分别为21.1 kV和29.9 kV。

在电站范围内遭受强雷侵袭时，无论是通过500 kV导线还是10 kV架空导线感应的最大雷电冲击侵入电压幅值均达到或接近BOD动作电压值，10 kV开关柜内的BOD会动作。但如果BOD动作后，其脱离装置不能自动脱离或被击穿，则会造成两相或三相短路，导致BOD爆炸。通过对现场10 kV II段开关柜内BOD勘查，发现仅102开关柜内BOD完全爆裂，因此判断10 kV开关柜着火原因是因102开关柜内BOD爆炸引起。

图2 电站7月19日19：16：20前后1 min雷电分布

3.3 厂高变差动保护动作原因

电站厂高变为干式变压器，额定容量为6 300 kV·A， 额定电压为 15.75±2×2.5%/10.5 kV。 厂高变配有差动保护和绕组温度保护。厂高开关为SF6断路器，从厂高开关204 CT配置接线及10 kV开关柜布置图 （见图3）可知，10 kV开关柜内BOD装在CT下端，厂高变差动保护范围为102开关进线CT至204开关进线CT，保护范围包括204开关及开关内避雷器、出线电缆、厂高变、102开关进线电缆及BOD。当102开关柜内BOD爆炸时，造成102开关柜内短路 （过电压保护装置相间短路）引起厂高变差动保护动作。

图3 2号厂高变差动保护配置

3.4 204开关拒跳原因分析

事故发生时，厂高变保护装置及时动作，10 kV102开关及时跳闸，10 kVⅡ段电源消失，但204开关拒动，204开关接线原理简图如图4，该开关配一个跳闸线圈，且有跳闸监视回路至全厂计算机监控系统。从监控事件逻辑以及厂高变保护装置内部记录显示，从19:16:20.728至故障切除，厂高变差动保护动作次数多达到41次，温度过高保护动作次数也多达20次，至到保护装置电源消失，204开关均未跳闸。后查204开关跳闸回路外部接线正确，但查开关内部回路时发现204开关跳闸线圈烧损，导致204开关拒跳。同时对跳闸回路监视进行检查时发现柜内出口至监控系统报警回路不通，因开关合闸辅助接点CZ6-CZ46内部线接错，误接成CZ6-CZ16，因此跳闸线圈断线功能一直未能正常投运，导致运行人员无法及时发现跳闸回路已断线。

3.5 2号厂高变受损原因分析

因204开关拒跳，故障点未能及时切除，从主变高压侧电流及电压录波可以看出，在19:16:20至19:18:06之间，主变压器高压侧三相电流一直保持在70 A左右，由此计算出厂高变高压侧电流约为2 333 A，持续时间约为106 s，后因过热致使厂高变受损。

3.6 4号主变差动保护动作原因

从图3可知，厂高开关204出线CT分别接入主变差动保护A、B套，保护范围包括了主变高压侧至204开关下端。因204开关拒跳，故障点未能及时切除，在19:18:06左右，主变压器高压侧三相电流突然增大，500 kV母线电压降低，事后查看原因是因204开关进线电缆C相接头被烧损接地，同时厂高变受损，厂高变高压侧短路，主变差动保护A、B套同时动作，主变高压侧断路器5003开关跳闸 （跳闸时故障录波图如图5），短路电源被切除，故障点被切除。

4 问题分析

从上面事故原因分析可知，在电站设计、设备选型及安装、调试、试运行过程中主要存在以下几个方面问题。

（1）设计对雷电波通过户外设备及线路侵入地下厂房设备系统重视不够。电站为雷电多发山区，未考虑针对性的重点防范保护措施。

（2）10 kV开关柜配置的过电压保护装置BOD不太适合有较高防雷要求的多雷区电站厂用电系统。

本文通过引入二极管—电感并联网络[15-16],构建了一个新型的改进型文氏桥混沌振荡器,简化了电路的复杂度[12]。

（3）厂高204开关可靠性较低。作为电站重要负荷开关未设置双跳闸线圈 （尽管合同中明确要双线圈），跳/合闸线圈在调试过程中曾出现过线圈受损，说明该线圈存在一定的质量缺陷。且该开关在出厂时开关合闸位置辅助接点接错，暴露出开关在出厂试验及出厂验收时不严格。

图4 204开关接线原理示意

图5 主变差动保护动作时机组故障录波

（4）在设备安装调试阶段，对一些重要辅助回路和功能检查不严，模拟试验不到位，导致设备存在出厂缺陷时未能及时发现并消除。

（5）厂用10 kV开关室的设备布置不尽合理，电缆桥架布置在10 kV开关柜上部，在开关柜与桥架之间未采取防火隔离措施，一旦10 kV开关爆炸，会引起电缆着火。

（6）在机组调试阶段，对电站厂用电系统运行安全问题未引起足够重视，10 kV系统运行方式不够合理，未能根据机组投运及时对厂用电运行方式作出调整，对全厂失电风险分析不够，预控措施不严。

（7）电站运行维护人员对代管的设备，特别是10 kV开关柜配置的BOD未引起足够的重视，对该设备的作用、性能、原理缺乏深入的了解，运行维护中维护检查不到位。

（8）基建与生产过渡期的生产技术管理未能及时跟上。基建阶段在部分设备投运后，未按生产管理要求及时进行相关设备预试；相关生产人员对新投产设备未能全面了解，未能及时建立10 kV、400 V避雷器及过压保护装置台帐。

5 改进及防范措施

（2）将10 kV真空开关过电压保护装置BOD改为氧化锌避雷器，彻底消除BOD危险源。

（3）加强对204开关跳合闸线圈检查预试力度，将单跳闸线圈改为双跳闸线圈。同时对开关的辅助接点及跳闸回路进行全面检查整改，加强对跳闸回路的检查维护力度。

（4）全面检查梳理完善电站电缆及盘柜的防火封堵。完善厂用10 kV开关室的防火隔离措施，在开关柜与上部的电缆桥架之间加装防火隔板。

（5）加强生产人员的技术培训工作，特别是有针对性的进行现场设备培训，提高生产人员的业务技能水平和现场处置能力。

（6）加强设备的运行维护和巡视；加强设备安装、机组调试质量控制，严把工程验收和交接验收关；加强技术资料管理，健全设备技术档案。

6 结 语

由于抽水蓄能电站地下厂房的特殊性，电站厂用电系统的安全直接关系到厂房设备的安全，因此对电站厂用电系统从设计、设备选型到出厂验收、安装调试各个阶段均应引起足够的重视，特别是对多雷区电站，应充分考虑电站厂用电系统防雷的特殊要求，任何细微的错误或不足，均可能对电站安全带来较大风险。同时，在抽水蓄能电站工程建设和运营过程中，无论是在基建阶段，还是在基建转生产阶段，甚至是在电站完全投运后，电站厂用电系统运行方式应根据机组的投运 （或检修）做出及时调整，电站厂用电系统的安全是确保电站工程建设和运营安全的最基本保障。