变电所大修中低压母线三相短路故障分析

刘永春

(厦门大学嘉庚学院，福建 厦门 363105)

0 引言

变电所通常是企业或者生产装置电力负荷分配控制的中心，变电所设备主要包括高低压开关柜、电力变压器等。南方某特大型石化企业苯乙烯装置变电所大修主要包括高低压开关柜的更换、继电保护的整组试验以及大修后正式送电试运行等内容。变电所大修具有时间短，开关设备的拆卸、安装任务重的特点，安全环节多，完成大修项目要比新建项目更复杂、危险更大；同时，大修涉及部门多，且受到人员素质、作业环境及施工进度等诸多因素的影响，安全管理难度大，稍有不慎，就可能出现安全纰漏，引发安全事故。

1 苯乙烯装置变电所大修

该企业苯乙烯装置变电所是一座靠近装置区的2层小楼，1楼是电缆室，2楼是开关设备。变电所原安装有12台6 kV高压开关柜和30多台380 V低压开关柜，这些开关设备是1995年连同生产装置一起从意大利整体引进的。在设备航运过程中，由于受到海水浸蚀，许多电气控制元件氧化严重，加上十多年的运行，设备暴露出很多问题，对苯乙烯装置的安全、稳定生产都产生了比较大的影响。为此，在苯乙烯装置大检修期间，该企业决定对变电所的高、低压开关设备进行全面的大修、更换和改造。

在12台高压开关柜中，有2台6 kV/380 V的变压器配电柜。变压器(从意大利引进)容量均为2 000 kVA，一/二次的额定电流分别为183/2 886 A。变压器高压侧各由高压开关柜通过高压电缆与6 kV母线Ⅰ，II段相连，低压侧各通过铜质母线排与低压进线柜进线开关相连，低压开关所带2段低压母线Ⅰ，II之间设联络开关。可见，变压器两侧开关设备的更换不仅涉及高压开关柜，也涉及低压开关柜、低压侧配电母线排的拆装。不难看出，这种检修改造难度比较大。

大修开始后，由于2台变压器原有的低压配电母线排接口与新的低压开关柜连接部分并不配套，需要拆除，所以施工单位先将低压柜顶部到变电所穿墙部分原有的一段母线排拆除，并根据母线与低压进线柜入口处的相序排列，在拆开部位的母线端口上从右到左清楚标注N，A，A，A，B，B，B和C，C，C的辨识字样。可以看出，从变压器出来的低压母线排是由10根母排组成，其中零线N只有1根，而A，B，C三相各由3根母排并联组成。拆除之后，就步入新设备的安装以及调试阶段。

苯乙烯变电所的新设备安装就位后，经过各项调试工作，具备试送电条件。在低压母线拆除和安装的过程中，苯乙烯变电所的电工班长、车间工程师、车间主任、机动科科长、企业的电气老总等专业管理人员以及施工单位的专业技术人员等，先后在低压进线柜的顶部对两边母线的连接相序一一都进行了核实和确认，并对变压器的二次输出端相序进行了核实和确认。经过确认，待两边母线的相序与拆除时的标注完全一致后，将变压器二次低压母线与新的低压开关柜对应母线一一连接到位。

2 变压器试送电时发生三相短路故障

2.1 故障现象

大修工作接近尾声，首次送电时，2台6 kV高压进线柜、2段高压母线以及母线PT柜都一次送电成功，运行正常。但是，接下来给2台变压器柜送电时却出现了问题。

送电前，临时拆开2台变压器低压侧中性点接地点，并断开2台变压器对应的低压母线Ⅰ，II联络开关，合上各自的低压进线柜开关。检测2台变压器6 kV高压侧对地的绝缘电阻以及高、低压侧间绝缘电阻，均为50 MΩ；检测变压器380 V低压侧连同出线母线排对地绝缘电阻值，均为0.5 MΩ。虽然低压侧的绝缘电阻偏低，但根据电气专业的规程规定，0.5 MΩ也是符合规程要求的。

在第1次试送电时，2台变压器都发出差动保护动作信号，瞬时跳闸。根据这个情况，现场人员分析认为，可能是差动保护的整定值偏小，躲不过变压器送电时的励磁涌流。所以，将变压器综合保护整定值调出来进行核对，果然发现差动保护的整定值偏小。

随后将整定值按要求调大，再对1号变压器进行第2次试送电。当变压器的高压开关刚刚合闸，现场人员看到1号变压器高压配电柜200 A和6 kV高压1号进线柜800 A的电流表指针瞬间都打到了头，整个低压Ⅰ段母线似乎与变电所的2楼楼板都发生了振动，并伴随着强烈“嗡嗡”的交流声，瞬间又来差动保护信号跳闸，之后恢复了平静。

2.2 故障检查

面对第2次送电后差动保护又动作跳闸的异常情况，现场人员感到蹊跷。现场送电总指挥根据第2次送电时6 kV 1号进线柜电流表指针的摆度情况，推断1号变压器高压侧的电流已经远远超过1 000 A，这电流绝不是涌流过大的问题，而是一种短路故障，甚至可能是严重的三相短路故障。所以，总指挥排除继续送试电意见，决定停止一切送电操作，将有关设备改检修后，对变压器的输出配电环节进行全面检查。

现场施工人员将变压器的二次侧与出口母线排全部拆开，并拆开二次侧中性接地点；再从低压进线柜入口处拆开与变压器侧配电母线排的连接，将变压器的低压配电母线排与变压器、低压开关柜完全分离。全面检查相关各部分的绝缘电阻，确认变压器高压侧对地、低压侧对地以及高、低压侧间绝缘正常，低压开关柜内绝缘亦正常，但发现低压三相母线排相间绝缘电阻为0.5 MΩ。此阻值较低，按理不会引起三相短路，因此怀疑500 V绝缘摇表存在问题。经校对，发现绝缘摇表回零值在0.5 MΩ的位置上，而不是在零位。校准后，重新测定该母线排的三相相间绝缘，摇表指针指在零位上。由此认定，低压母线排确实存在三相短路故障。

3 查找低压母线排的短路故障

变压器低压配电母线排出现三相短路故障，现场人员对变压器配电母线的结构和接线方式进行进一步的分析。检修前，变压器低压配电母线的结构示意如图1所示，图1(a)是变压器低压母线排安装结构示意，图1(b)是低压母线排的展开及相序排列示意。其中，图1(b)左侧连接的是低压进线开关柜，右侧连接的是变压器的二次输出端。

图1 检修前的低压配电母线排结构示意

从图1(b)可以看出，母线两端的相序排列是完全一致的，在其两端有1，2号转换箱。

图2是检修时的低压母线拆除位置及安装后的母线排结构示意，图2(a)是大修安装后的变压器低压母线排结构示意，图2(b)是安装后的低压母线排展开及相序排列示意。图2(b)左侧的相序排列顺序是大修施工单位按照大修前的低压进线开关柜与母线拆开之前的相序标注，表面看起来与变压器二次输出的相序一致。

图2 检修拆除1号转换箱后母线结构示意

从图2可以看出，大修时拆除了母线入口处的1号转换箱，安装时将低压进线开关柜与母线从拆除处直接连在了一起。如果母线存在短路故障，那么短路点就在2号转换箱里。

操作人员和施工单位一起检查了1号转换箱，发现里面母线接线错综复杂，A，B，C三相进行了交叉换位，这说明母线2号转换箱也进行了交叉换位，经过检查果然如此。图3就是母线带有2个转换箱时内部的母线布局相序示意。

从图3可以看出，母线两端的相序都是N，A，A，A，B，B，B，C，C，C的排列，且A，B，C三相每相都有3条母线并列连接。但是，在2个转换箱之间相序变成了N，A，B，C，A，B，C和A，B，C的排列。在图3中，可以看到2个转换箱的真正用意是母线排的交叉换位。国内对母线排交叉换位比较少见，交叉换位可改善母线排的分布参数。

图3 原母线内部接线示意

拆除1号转换箱后，施工单位按照拆除处所标注的N，A，A，A，B，B，B和C，C，C的相序，将低压进线开关柜与低压母线排连在一起，但实际上接成N，A，B，C，A，B，C和A，B，C的交叉相序。拆除了1号转换箱后，母线内部的相序接线如图4所示。

图4 拆除后的母线内部接线示意

从图4可以看出，按照A，B，C的连接顺序，9条母线分别与开关柜内的A，B，C相短接了3处，变成三相短路接线方式，导致一送电就跳闸。Ⅰ段低压母线采用这种接线方式，导致发生三相短路故障；Ⅱ段低压母线也采用同样的接线方式，其内部发生三相短路故障，这是2号变压器在第1次送电时跳闸的真正原因。

操作人员拆除了变压器低压配电母线排上的2号转换箱，按照N，A，A，A，B，B，B，C，C，C的相序连接，用转换箱中原有的铜母线重新接线，2台变压器很快送电成功。

4 故障原因分析

造成三相短路故障的原因很多，本次故障主要是“习惯性思维”惹的祸。

4.1 套用国内变压器母线的安装方式

国内变压器低压母线安装方式是先按照A、B、C的相序集中排列(无换位)安装，再对照原开关柜内母线的接线顺序，而施工单位在拆除原母线后就标注了N，A，A，A，B，B，B，C，C，C的相序排列，并没有考虑到国外变压器配电母线连接方式的特殊性。

4.2 迷信领导和技术人员的检查结果

在母线的拆卸、安装、对接过程中，电工班长、电气工程师、车间主任、机动科长、电气负责人和施工单位的技术人员等都在现场进行检查确认，未发现实际问题；事后也未对母线进行再检查和再确认，造成问题一直未被及时发现。

4.3 完全信任施工单位

负责苯乙烯变电所大修的施工单位具有丰富的现场施工经验，技术质量备受推崇，导致无人对其拆装工作产生质疑。同时，在这种“信任”的支配下，业主对于施工单位关键质量控制点(如低压母线排与变压器和低压开关柜连接前的相间绝缘电阻测量、两端定相工作)疏于验证，造成三相短路故障。

4.4 机械理解电气规程

GB 26860—2011《电力安全工作规程 发电厂和变电站电气部分》规定：“高压电气设备的绝缘电阻值不应低于1 MΩ/kV；380 V低压设备的绝缘电阻值不应低于0.5 MΩ。”当时采用绝缘摇表的测量值为0.5 MΩ，在数值上符合规程规定的要求，导致无人质疑为何绝缘值如此之低。

4.5 少做事好过多做事

由于时间紧、大修任务重，出现“多一事不如少一事”的心理。在整个检修过程中，无人对母线上拆下来的1号转换箱提出质疑，更未将其打开查看，错失了发现问题的机会。

5 经验累积

现场送电总指挥面对各种意见，头脑清醒，当机立断停止一切送电操作，认真排查导致异常现象的原因，成功处置了故障。

如果此时给2号变压器试送电，那么2号变压器低压母线也会发生严重的三相短路事故。如果“先将1号变压器的差动保护退出，再给1号变压器试送电”，在失去主保护且后备保护拒动的情况下，强大的三相短路电流可能将2 000 kVA的变压器击穿，还可能造成全厂供电系统崩溃，甚至可能使全厂20多套化工生产装置出现大范围异常停产，进而引起全厂性的爆炸等惨重事故。

6 后续举措

6.1 破除“习惯性思维”

低压母线排出现三相短路的故障原因，主要是由“习惯性思维”引起的。在电气大修工作中，一定要对“习惯性思维”提出质疑，做到严谨、专业，全面了解和掌握电气大修工作中的具体情况，尤其是涉及从国外引进的变压器母线的大修改造项目。在母线拆卸前，必须搞清原母线的实际接线情况，做好详细记录，并与新母线接线进行对比分析，出现异常时必须一查到底。

6.2 制定完善的施工技术措施

(1) 在新低压母线与两侧设备(变压器、低压柜)连接前，必须确认新母线相间及对地绝缘正常，并通过正确方法(不能目视)确认相位正确。测试绝缘表计要定期检验合格，防止虚假指示引起误判。

(2) 由于2台变压器的高、低压开关柜及低压母线均作了更换，2段低压母线Ⅰ，II之间的定相工作不能缺失。在消除三相短路错误接线后的送电过程中，应检测各低压母线的电压正常、相序正确；同时送电后，对联络开关两侧母线间进行定相，确认相位一致，以排除联络开关合闸时因两侧相位不一致引起的相间短路故障。