35kV变电站主变主保护动作及故障原因分析和解决对策

田富波

【摘 要】35kV变电站是煤矿供电系统中重要的组成部分，它担负着电能转换和电能重新分配的任务，而变电站中的主变压器更是其中主要设备之一，它的安全运行与否关系到整个电网的安全，对电网的安全和经济运行有着举足轻重的作用。本文针对因雷击引起变压器主保护动作和变压器内部绕组击穿等故障原因进行分析并提出解决的对策。

【关键词】主变保护动作；接地电流；小接地电流系统；单相接地故障；解决对策

中图分类号： TM772 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）05-0062-002

【Abstract】The 35kV substation is an important part of the coal mine power supply system. It is responsible for the task of power conversion and energy redistribution. The main transformer in the substation is one of the main equipments. Its safe operation is related to the entire The security of the power grid plays a decisive role in the safety and economic operation of the power grid. This article analyzes the causes of the main protection actions of the transformer and breakdown of the internal windings of the transformer due to lightning strikes， and proposes countermeasures.

【Key words】Main transformer protection action； Ground current； Small ground current system； Single-phase ground fault； Solution

0 引言

因煤矿大部分地處偏远山区，在煤矿供电系统中存在着供电线路长，安全等级低与及部分线路穿越高雷区等一系列突出问题，因此外部雷击导致主变主保护动作的现象时有发生，更是发生了因接地电流侵入变压器内部击穿高压侧绕组绝缘并造成绕组匝间短路的永久性故障，造成了全矿区跳闸停电的供电事故，给煤矿的安全生产带来了极为不利的影响。为了进一步提高供电系统的安全可靠性，积极分析故障原因和存在的问题，并在问题的基础上探讨解决措施与对策，无论是对于煤矿安全还是整个电网安全都有着重要的意义和价值。

1 主变故障的发生及现象

2016年6月30日，广平35kV东区变电站遭遇强雷击天气，14时50分左右2#主变（3150kVA，35kV/10kV）本体及开关重瓦斯动作、变压器差动保护动作导致主变两侧开关跳闸，造成全站失压。主变保护测控装置显示主变差动电流0.58A（整定启动值0.5A）、变压器本体及开关重瓦斯保护启动、2#主变油温告警，泄压阀启动，轻瓦斯未告警；运行人员还反映保护跳闸前变压器运行声音异响明显。

组织人员现场检查：2#主变外观检查无异常，高低压侧开关和避雷器均完好，站内避雷针接地阻值0.9欧；进行变压器绕组直流电阻测试，低压侧相间绕组为258-260毫欧，高压侧绕组AB和BC均显示超量程（>2千欧）AC绕组阻值4.05欧；油色谱分析试验未做。

初步判断变压器高压侧B相绕组存在故障，7月2日对变压器进行吊罩检查，发现变压器高压侧B相绕组两处鼓起，分别位于上部导电杆连接处和分接开关处，变压器内部绕组烧毁后的铜渣明显。

2 故障原因分析

综合以上事故现象、保护数据和变压器吊罩检查，初步分析变压器高压侧B相绕组烧毁的原因是：外部线路遇强雷击，避雷器放电的同时形成单相接地故障，接地电流侵入变压器内部产生弧光过电压，击穿高压侧B相绕组绝缘并造成绕组匝间短路，进而烧毁绕组。

这里简单分析下，什么条件下外部雷击时接地电流会侵入变压器内部并造成变压器主保护动作甚至烧毁内部绕组：

首先，所在的系统应是小接地电流系统（变压器中性点不接地）。此时如雷击持续击中架空线路的任意一相，经避雷器放电形成单相接地故障，开关柜的保护均不会动作。因小接地电流电网发生单相接地时接地电流很小，系统允许带一点接地继续运行一短时间。当然如果雷电同时击中外部线路两相或者三相，那么线路开关柜过流（或速断）保护会动作，切断接地电流的侵入通道。

其次，外部架空线路应是在出线杆（避雷器安装处）附近遭受雷击。线路任意一相遭受雷击后经避雷器放电形成单相接地故障，因开关柜保护不动作接地电流沿低压侧母线侵入变压器内部，并形成单相接地故障回路。因变压器中性点不接地，接地电流（注：10kV电网>20A）在变压器内部会产生弧光过电压，这个弧光过电压会产生两个危害性：一个是造成变压器内部相间短路故障，引起变压器主保护动作；一个是击穿故障相绕组的绝缘，进而发展成变压器绕组匝间短路的永久性故障。这两个危害性均对变压器绕组的绝缘具有极大的破坏性，严重威胁到变压器的安全运行。

最后，最重要的条件是线路出线端避雷器持续放电时间比变压器保护动作时间更长。

外部线路即使遭受雷击后，避雷器放电过程是瞬时完成，放电速度比任何保护动作都快，因此一般情况下的雷击都不会形成接地故障，但如果避雷器放电性能较差，并且所在的接地网接地不理想情况下，那么避雷器的放电无法瞬间完成，持续的放电过程容易形成单相接地故障。

同时满足上述条件后，变压器可以看成是小接地电流系统带一个接地故障点运行。外部线路遭受雷击后接地电流侵入变压器内部形成单相接地故障，足够大的接地电流引起变压器内部弧光过电压并造成相间短路故障，引起变压器主保护（指差动和重瓦斯保护）启动。

接地电流侵入变压器内部引起的弧光过电压如果持续破坏故障相绕组的绝缘，进而会造成绕组的绝缘击穿并形成绕组匝间短路的永久性故障，弧光过电压的大小取决于接地电流的大小。

这次广平35kV变电站遭雷击后2#变压器主保护动作（此前已经发生两次雷击导致变压器主保护动作）并造成内部高压侧B相绕组绝缘击穿，形成匝间短路进而烧毁绕组，说明了应该是外部某输电线路的B相遭受雷击（10kV架空輸电线路均为三角形排列，相对来说B相是最容易遭受雷击）并且侵入变压器内部。

3 解决对策

从以上分析可以看出，外部线路遭受雷击造成变压器主保护动作需同时具备以上条件，具有偶发性。接地电流一旦侵入变压器内部，虽然变压器主保护都是无时限速断动作，但如果接地电流足够大（一般是指35kV电网>10A，10kV电网>20A），就可在变压器内部产生危险的弧光过电压，并对绕组造成破坏性并可能进一步击穿故障相绕组绝缘，危及变压器的安全运行。

为进一步提高恶劣气象条件下系统供电可靠性，消缺此类故障可行的解决思路与对策是当线路遭受雷击时避雷器应可靠放电，消除雷电波侵入通道；若避雷器放电不良并形成单相接地故障时，如何尽量减小甚至消除接地电流。因接地电流受几个因素影响：一是雷击点的距离，雷击点越近则接地电流越大；二是接地阻值，系统接地阻值越小，雷击放电时间越短，则接地电流越不容易侵入变压器。另因受地理条件影响供电线路穿越雷区是不可避免的，供电线路遭遇雷击是自然现象，雷击点是人为不可改变的，而接地阻值的改善要考虑地形、地理及土壤等，受到诸多客观因素制约，因此要通过尽量减小甚至消除接地电流的措施比较有限，效果也未必好。

综上所述确立解决问题的对策是，一个是将广平35kV变电站10kV出线杆避雷器按周期进行更换（一年一换），雷雨季节加强在用避雷器的在线监测，放电性能达不到要求的及时更换，确保避雷器放电性能合格；二个是组织研究广平35kV变电站主变变更运行方式的可能性，将现有的不接地系统改为经消弧线圈接地的运行方式：即在主变10kV侧绕组加装消弧线圈接地，利用消弧线圈感性电流去中和接地电流，可以有效减小接地电流。计算出系统最大接地电流并选择合适的消弧线圈，这样即使接地电流侵入变压器内部，产生的弧光过电压也是非常小，不会造成弧光短路故障。

4 结语

综上所述，供电系统的安全运行对煤矿实现安全生产有着重要的意义，但是在目前的煤矿供电系统中确有存在着供配电系统设计不合理、运行安全可靠性低、跳闸故障频繁等一系列问题。通过深入探讨这些问题，并针对问题确立有效的解决措施，可以大幅提升供电系统的安全可靠性，这样煤矿安全供电才能得到有效的保障。

【参考文献】

[1]李骏年.电力系统继电保护.北京：中国电力出版社.1993.