一起线路跳闸引起35 kV变电站失压的故障分析

徐兴发

(广东电网有限责任公司韶关供电局，广东 韶关 512026)



一起线路跳闸引起35 kV变电站失压的故障分析

徐兴发

(广东电网有限责任公司韶关供电局，广东 韶关 512026)

针对雷击过电压引起35 kV架空线路绝缘子闪络，导致L1、L2相间接地短路、35 kV变电站全站失压及其电缆损坏的状况进行调查和分析，说明故障前电力系统的运行方式与35 kV南红线保护装置动作行为正确的同时，分析导致线路跳闸与电缆井电缆损坏的故障原因；针对35 kV及以上容易遭受雷电过电压影响引起跳闸的输电线路及红岭变电站一次接线现状，提出一系列针对性的整改措施，从而可大大提高变电站供电可靠性及其设备的安全性。

35 kV线路；跳闸；变电站；故障分析；整改措施

2016年4月12日14时18分0.118秒，35 kV南红线41号杆塔发生雷击过电压，引起L2相绝缘子串闪络，系统电源南龙侧线路保护装置U、V相发生过流II段保护动作，跳开断路器QF311；负荷红岭侧线路保护装置启动，没有保护装置动作出口跳闸。雷击过电压沿线至35 kV高压室，引起铝排对墙体、隔离网、电缆井放电，导致电缆井内二次电缆损坏。本文对故障情况进行深入分析并制定一系列针对性的防范整改措施，可大大提高变电站供电可靠性及其设备的安全性。

1 事故前运行方式

1.1 110 kV南龙变电站事故前运行状态

110 kV南龙变电站110 kV翁南线在运行状态，110 kV 1号母线W1与2号母线W2互联运行，110 kV田南线在热备用状态；1号主变压器高压侧QF1101、中压侧QF301、低压侧QF501均在合闸状态；2号主变压器高压侧QF1102、中压侧QF302、低压侧QF502均在合闸状态；35 kV分段QF300在合闸状态，35 kV南红线QF311、35 kV南岩线QF312、35 kV南黄线QF321均在合闸状态，电压互感器(voltage transformer, VT)VT31与VT 32均在合闸位置；10 kV W1与W2分段QF500在合闸状态。110 kV W1和W2之间没有专用的分段断路器，只有分段隔离开关，并且隔离开关在合闸位置。南龙变电站主接线如图1所示。

图1 110 kV南龙变电站的主接线

1.2 35 kV红岭变电站事故前运行状态

35 kV红岭变电站南红线在运行状态、VT 31在检修状态，避雷器已退出运行； 1号主变压器高压侧QF301、低压侧QF501均在合闸状态；2号主变压器高压侧、中压侧QF302、低压侧QF502均在合闸状态；10 kV W1与W2分段QF500在分闸位置。35 kV红岭变电站主接线如图2所示。

图2 35 kV红岭变电站的主接线

2 跳闸过程分析

35 kV南红线L1、L2相接地故障保护动作时序见表1。

表1 保护装置动作时序情况

分析保护装置的动作报文可知，南龙变电站侧过流II段保护动作，跳开故障线路断路器，而红岭侧保护装置未动作出口，只有启动量。

3 保护动作行为分析

3.1 南龙变电站35 kV南红线故障电流、母线电压分析

110 kV南龙变电站35 kV线路采用国电南瑞NSR 612RF保护装置，查询监控后台故障事件记录与保护装置报文一致。

故障时，35 kV母线W1与W2的三相电压降低，产生零序电压，判断发生U、V相接地故障。U相故障接地二次过电流16.70 A，V相故障接地二次过电流17.15 A，电流互感器(current transformer, CT)变比为400/5，即故障U相一次电流1 372 A，V相一次电流1 336 A，过流保护定值见表2。

表2 南红线QF311保护装置过流定值

序号名称状态及定值1过流I段保护投入过流I段保护电流定值/A20过流I段保护时限定值/s02过流II段保护投入过流II段保护电流定值/A10过流II段保护时限定值/s0.303过流III段保护投入过流III段保护电流定值/A6.50过流III段保护时限定值/s0.60

现场检查保护装置，14时17分59.817秒时过流II段保护装置启动(故障电流16.70 A，大于过流II段保护电流定值10 A)，故障持续301 ms，保护装置动作出口跳闸，经过56 ms断路器跳开后QF311没有重合闸，原因是35 kV南红线QF311投闭锁重合闸压板1LP5已投入。综上所述，故障中南龙侧35 kV南红线保护正确动作。

3.2 红岭变电站35 kV南红线故障分析

红岭变电站只有一条35 kV红岭线与系统侧110 kV南龙变电站联系，属于负荷侧。35 kV线路采用北京四方CSL-216E保护装置，CT变比为100/1，其配置的保护过流定值见表3。

表3 35 kV南红线保护过流定值

序号名称定值1过流I段保护电流定值/A122过流I段保护时限定值/s03过流II段保护电流定值/A1.304过流II段保护时限定值/s1.205加速过流定值/A2.306过流加速时间/s0.20

检查35 kV红岭线保护装置，只有过流II段保护装置启动，但是未动作出口跳闸。U、V相接地故障时，电源侧南龙变电站过流II段启动后经301 ms，QF311跳闸，而负荷侧红岭站提供的故障电流无法满足过流I及过流II保护定值，因此，线路保护装置未能出口跳闸，实属正确行为。

4 故障原因分析

4.1 一次设备故障分析

故障线路跳闸后，经现场检查，发现41号杆塔线路上的L2相玻璃绝缘子串(3片)过电压全部闪络，掉落到横担上，导致L2相接地故障，同时引起L1相接地。

2016 年 4月13日14时18分左右，南龙变电站及其周边区域为雷雨天气，分析绝缘子闪络的故障现象，本次跳闸事故的直接原因为雷击过电流导致41号杆塔线路上L2相玻璃绝缘子串闪络而造成L2相接地短路。

雷击过电压沿线侵入至35 kV红岭变电站高压室(VT31在检修状态，母线避雷器退出运行)，35 kV线路及母线失去防雷保护，导致35 kV高压室进线南红线L1相穿墙套管与线路侧隔离开关QS3114连接的铝排对楼顶、隔离网、电缆井外壳有长时间明显的电弧放电痕迹，释放能量，从而损坏35 kV主控室电缆井内电缆、网线。由于雷电过电压作用在铝排上，隔离网、楼顶、电缆井外壳对地电位为零，形成电位差，空气被击穿从而产生间隙放电，进一步发展成为电弧放电，持续时间长。电弧放电产生的热量，导致墙体上主控室的电缆井电缆在各种因素的作用下，电缆受到严重损坏，同时铝排在剧烈电弧放电中灼烧损坏。

电弧在QS3114靠线路侧连接的铝排放电，引起旁边墙体上主控室的二次电缆井电缆、网线被电弧损坏。检查后发现2号主变压器低压侧QF502后备保护电流电缆、QF502保护测控电流电缆、站用变压器低压侧电缆、部分通信电缆损坏。检查站内南红线QF311、1号主变压器保护装置无异常[1]。检查避雷器动作情况：1号主变压器中性点4次，变压器低压侧U相1次、V相2次、W相1次，VT51 W相2次。因此，进一步认定是雷电过电压导致的故障。

4.2 雷电过电压的原因分析

对事故现场进行调研、分析，总结引起设备损坏的原因有以下几点：

a) 架空线路受雷电过电压影响，容易引起线路绝缘子串闪络、线路跳闸。

b) 红岭变电站35 kV母线失去防雷保护。事故发生前，35 kV红岭变电站VT31故障在检修状态，变电运行人员将VT31的隔离开关断开，引起与VT31并联的避雷器退出运行，导致35 kV室内母线失去防雷保护。当雷电形成过电压沿线传输到35 kV红岭变电站高压母线上，无法从避雷器流入大地，导致35 kV高压室进线南红线L1相穿墙套管与线路侧QS3114连接的铝排对楼顶、隔离网、电缆井外壳长时间电弧放电，从而导致35 kV主控室电缆井内电缆、网线损坏。

c) 变电站进出线的1至2号基杆塔未安装避雷器，导致雷电过电压沿线路一直侵入到35 kV高压室母线。

d) 站内避雷针接地存在不规范设计，避雷针接地直接接入站内地网，共用接地网。

5 防护(整改)措施

分析事故原因是雷击过电压引起绝缘子闪络，线路跳闸，导致35 kV红岭变电站全站失压以及35 kV母线失去防雷保护，为此，提出一些有建设意义的防护措施[2-5]。

5.1 安装避雷器或避雷线

具体做法有以下几点：

a) 将35 kV红岭变电站故障VT31退出运行， VT31隔离开关与VT的保险断开后，投入VT31隔离开关，保障避雷器在运行状态，实现对35 kV母线保护。

b) 靠近变电站1 km的杆塔上全线安装避雷线，并且在变电站进出线的1至2基杆塔安装避雷器，其结构如图3所示。

注：虚线框内为断路器及隔离开关；HY5Wz为母线隔离开关及避雷器型号；GJ-35为避雷线型号；GB1、GB2为杆塔上安装的线路型避雷器。图3 35 kV 变电站简易保护的接线

c) 采用环形电极带外串联间隙金属氧化物避雷器。当感应雷或直击雷产生的高幅值过电压作用时，引流环与导线之间形成的串联间隙被击穿，避雷器以非线性电阻特性释放雷电能量。在避雷器动作瞬间，工频续流亦沿该雷电流通道入地，在经过环形电极外串间隙避雷时，非线性电阻限流元件利用其电压高时阻值小、电压低时阻值大的非线性特性，将正弦波形的工频续流转变成为尖顶波。尖顶波电流在过零前在相当长的时间内电流幅值较小，同时，限流元件的残压削减放电电压，使电弧瞬间熄灭，阻断工频续流，此时串联间隙起隔离作用，保护限流元件耐受较高的过电压而不损坏。因此，在雷击架空线路后，雷电流通过引流环与导线之间形成的串联间隙流过非线性电阻限流元件，工频续流及时被切断，避免发生绝缘子闪络或击穿、架空导线路断线的事故[6-8]。

d) 停电检修时，应加强对避雷器及其接地引下线装置进行专项检测。

5.2 校核耐雷水平与接地电阻

依据DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》第6.1.3条规定：有避雷线的线路，在一般土壤电阻率地区，其耐雷水平不宜低于表4所列数值。

表4 有避雷线线路的耐雷水平

标称电压/kV耐雷水平电压/kA变电所进线保护段电流/kA3520～30306630～606011040～757522075～110110330100～150150500125～175175

定期对架空线路绝缘子串的耐雷水平进行电测校核，更换存在风险隐患的杆塔绝缘子，保障线路的耐雷水平符合表3数值，对架空线路绝缘子进行以下维护管理：

a)及早发现与更换劣质绝缘子。运行线路上的绝缘子因长期处在交变电场中，绝缘性能逐渐下降，在受到雷击大气过电压或操作过电压时会发生闪烙、击穿，绝缘性能为零。

b) 增加易击地区杆塔绝缘子片数，提高杆塔绝缘子电气绝缘强度，提高耐雷水平，降低雷击跳闸率。

c) 新建、技改规划设计应采用绝缘性能较好的钢化玻璃绝缘子。

d) 执行DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》第6.1.4规定：有避雷线的线路，每基杆塔不连避雷线的工频接地电阻，在雷季干燥时，不宜超过表5所列数值。雷电过电压产生机理，接地电阻直接影响直击雷过电压与感应雷过电压。针对雷电活动强烈的地方和经常发生雷击故障的杆塔和线段，应改善接地装置，架设避雷线,适当加强绝缘或架设耦合地线。

表5 有避雷线的线路杆塔的工频接地电阻

土壤电阻率/Ωm接地电阻/Ω≤10010100～50015500～1000201000～200025>200030

e) 加强对线路的专项巡视，重点检查接地引下线是否锈蚀，避免失去接地点，同时对接地电阻进行校验，对不满足要求的接地电阻进行整改。降低接地电阻可以有效地减小塔顶电位，提高线路的耐雷水平，减少绝缘子串闪络故障率。

5.3 站内避雷针接地方式的整改

执行DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》第7.1.6规定：独立避雷针宜设独立的接地装置。在非高土壤电阻率电阻地区，其接地电阻不宜超过10 Ω；在高土壤电阻率地区，如接地电阻难以降到10 Ω，允许采用较高的电阻值，但空气中距离与地中距离必须符合要求。当有困难时，避雷针接地装置可与主接地网连接，但避雷针与主接地网的地下连接点至35 kV及以下设备与主接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不得小于15 m。因此，红岭站内避雷针接地不能直接接入站内地网，需要整改。

5.4 完善相关设备接地信号

41号杆线路上L2相掉在横担上，导致L2相接地，由于VT31退出，无接地信号发出，因此，需要完善线路接地信号及其监控系统，保障接地故障能够快速、准确地发出相关信号。

5.5 测量相对横梁距离

线路上L1相对横梁放电，说明在无避雷器保护的情况下，在极端时，L1相对横梁距离不够，参考过电压规程，要满足450 mm(户外线路距离)，否则不应该发生放电。因此，务必测量L1相对横梁距离，对不满足规程要求的线路进行整改。

5.6 红岭变电站基建整改

35 kV红岭变电站与系统只有一条35 kV南红线连接，当线路故障跳闸，将导致全站失压。现结合翁源地区电网结构，提出1套整改方案，如图4所示。

图4 红岭变电站整改简化后的主接线

整改的具体方案如下:

a) 增加一条35 kV线路，实现双端电源供电;新建一条从110 kV铜锣变电站35 kV侧到红岭变电站的线路。

b) 红岭变电站35 kV单母接线方式整改为35 kV单母分段，增加QF300及其两侧隔离开关。

c) 整改接线方式。1号主变压器高压侧接35 kV W1上，2号主变压器高压侧接35 kV W2上，35 kV南红线、35 kV铜红线分别接在35 kV W1、35 kV W2上。

d) 增加1套QF300分段备用自动投入设备(以下简称“备自投”)。当其中一条35 kV线路故障跳闸后，备自投正确动作合上QF300，保障全站2台主变压器及其10 kV线路稳定运行，保障供电可靠性。

e) 增加35 kV母线VT，对原35 kV VT31进行检修，升压测试，保障VT质量满足要求。

6 结束语

本文对故障状况进行调研分析，得出雷击过电压引起35 kV架空线路绝缘子闪络，导致L1、L2两相接地短路，35 kV变电站全站失压及其电缆损坏的结论。为此，针对35 kV及以上输电线路容易遭受雷电过电压影响引起跳闸的故障及红岭站一次接线的现状，提出了一系列针对性的整改措施，从而保障全站供电可靠性及其设备安全。

[1] 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): 25-30.

YIN Didi. Analysis and Suggestion on Tripping Fault of 220 kV Xianggui Transmission Line[J]. Guangxi Electric Power，2011, 34(5):25-30.

[2] 刘建明. 一起线路跳闸造成500kV变电站交流系统失压事故的分析[J]. 电力科学与技术学报, 2013，28 (4): 78-82.

LIU Jianming. Research of a 500 kV Substation-used AC System Voltage-loss Caused by Transmission Line Trip-out[J].Journal of Electric Power Science and Technology, 2013, 28(4): 78-82.

[3] 尹创荣, 徐征. 110 kV景沙甲乙线双地线断落原因分析及对策[J]. 广东电力，2015，28(1): 72-76.

YIN Chuangrong, XU Zheng. Analysis on Reasons for Fragmentation of Double Ground Wires of 110 kV Jingsha AB Line and Countermeasures[J]. Guangdong Electric Power, 2015, 28(1): 72-76.

[4] 陈维江, 孙昭英, 王献丽, 等. 35 kV架空送电线路防雷用并联间隙研究[J]. 电网技术, 2007，31(2)：61-65.

CHEN Weijiang, SUN Zhaoying, WANG Xianli, et al. Study on Shunt Gap Lightning Protection for 35 kV Overhead Transmission Lines[J]. Power System Technology , 2007，31(2)：61-65.

[5] 陈智, 陶凤源, 周锋, 等. 某35 kV配电架空线路防雷保护装置应用研究[J]. 电瓷避雷器, 2011, 6(244): 46-49.

CHEN Zhi,TAO Fengyuan, ZHOU Feng, et al. Study on the Lightning Protection of 35 kV Transmission and Distribution Line[J]. Insulators and Surge Arresters, 2011, 6(244): 46-49.

[6] 徐兴发，聂一雄，徐亮，等. 10 kV架空绝缘导线雷击断线原因分析与解决对策[J]. 广东电力，2012，25(12)：110-114.

XU Xingfa, NIE Yixiong, XU Liang, et al. Reason Analysis on Broken Line Caused by Lightning Stroke of 10 kV Overhead Insulated Conductor and Solutions[J]. Guangdong Electric Power, 2012，25(12)：110-114.

[7] 宰红斌. 35 kV输电线路差异化防雷治理措施的研究与应用[J]. 山西电力, 2015, 3(192): 45-48.

ZAI Hongbin. Research and Application of 35 kV Transmission Line Differentiation Lightning Protection Measures[J]. Shanxi Electric Power , 2015, 3(192): 45-48..

[8] 赵浩波, 弓建新, 刘愈倬. 35 kV及以下电缆损坏原因分析及防范措施[J]. 山西电力, 2013, 2(179):34-36.

ZHAO Haobo, GONG Jianxin, LIU Yuzhuo. The Cause Analysis and Prevention Measures of No-higher-than 35 kV Cable Damage[J]. Shanxi Electric Power , 2013, 2(179): 34-36.

(编辑 王夏慧)

Fault Analysis for Voltage-loss in 35 kV Substation due to Line Tripping

XU Xingfa

(Shaoguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Shaoguan, Guangdong 512026, China)

This paper investigates and analyzes faults of L1 and L2 phase grounding short-circuit, voltage-loss in one 35 kV substation and damages of cables on account of lightning over-voltage causing insulator flashover on 35 kV overhead lines. It expounds that both operation mode of the power system and protection devices of 35 kV Nanhong line are in correct operation, meanwhile, it analyzes reasons for causing line tripping and cable damages. In allusion to problems of 35 kV and the above power transmission line tripping caused by lightning over-voltage and status quo of the primary connection in Hongling substation, a series pointed rectification measures are proposed to greatly improve power supply reliability and security of equipment.Key words： 35 kV line; tripping; substation; fault analysis; rectification measure

2016-05-17

2016-06-28

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.10.014

TM755

A

1007-290X(2016)10-0079-06

徐兴发(1986)，男，广东韶关人。工程师，工学硕士，主要从事电力系统继电保护与自动化技术工作。