10 kV共箱封闭母线进户中间穿墙结构优化技改小结

阮 刚

(四川能投鼎盛锂业有限公司，四川 眉山 620000)

0 引 言

四川能投鼎盛锂业有限公司(简称鼎盛锂业)Ⅰ期10 kt/a电池级锂盐项目配套新建35 kV鼎盛变电站，其总体设计方案为：35 kV鼎盛变电站为末端负荷站，采用户内站设计，35 kV单回单电源进线，单台S11-25000kVA/35/10.5kV三相双绕组铜芯低损耗无励磁调压油浸式电力变压器，户外布置；35 kV、10 kV开关柜户内布置；35 kV出线开关柜与主变之间采用电缆连接，主变10 kV低压侧采用共箱封闭母线与户内10 kV开关柜连接；变电站35 kV和10 kV母线主接线形式均为单母线不分段。各10 kV负荷采用电缆出线，主要设备包含9台配电变压器、16台高压电动机等，为全厂各生产装置及生活、办公区等提供用电，同时配备容量1 000 kVA、Ue=400 V的应急柴油发电机组1台。

35 kV鼎盛变电站为EPC总承包项目，设计单位为成都市某甲级设计院，变电站于2018年5月31日建成并一次性送电成功。正常运行约18个月后，2019年11月5日11:40:06，35 kV鼎盛变电站除35 kV电源进线外，全站突然停电，电力监控系统显示故障为“35 kV主变差动保护动作”，主变上、下两侧501开关、901开关跳闸导致全厂停电，应急柴油发电机组自动启动，向各二级变电所事故段应急负荷供电。

1 事故原因分析

1.1 35 kV主变差动保护基本原理

主变差动保护，是变压器的主要保护手段。其基本原理是，反映被保护变压器各端流入和流出电流的差，保护区内如果发生故障，差动回路中的电流值大于整定值，差动保护瞬时动作，而保护区外的故障，主变差动保护则不应动作。

35 kV主变差动保护范围如图1。电流互感器TA1设置在35 kV出线柜501出线侧，电流互感器TA2设置在10 kV进线柜901上端侧，在变压器正常运行和外部故障时，电流互感器TA1、TA2电流相等(I2′-I2″=0)，差动回路的电流等于零，一旦(I2′-I2″)>差动保护设定值，主变差动保护动作。

图1 35 kV主变差动保护范围示意图

1.2 35 kV主变差动保护影响因素

据上述主变差动保护基本原理，本次35 kV鼎盛变电站主变差动保护是在35 kV主变正常运行时发生的，故在故障检查时应排除掉变压器激磁涌流产生的不平衡电流、变压器两侧电流相位不同产生的不平衡电流、计算变比与实际变比造成的不平衡电流、电流互感器TA1与TA2型号不同造成的不平衡电流、变压器带负荷调整分接头造成的不平衡电流等因素的影响。

1.3 35 kV主变差动保护范围

据上述35 kV主变差动保护原理及主变差动保护影响因素分析，35 kV鼎盛变电站主变差动保护范围即电流经过电流互感器TA1、TA2的范围(如图1)，亦即35 kV主变上、下侧电流互感器TA1、TA2之间的范围，主要包括35 kV侧出线501开关至35 kV主变的35 kV电缆、35 kV主变设备本体、35 kV主变至10 kV侧进线901开关之间的10 kV共箱封闭母线三部分。

1.4 故障点查找

据35 kV主变差动保护范围，分别检查35 kV电缆、35 kV主变设备本体、10 kV共箱封闭母线(三相母线导体封闭在同一个金属外壳中的金属封闭母线)。故障点检查过程及结果如下。

35 kV油浸式电力变压器油品取样分析结果显示，气体成分分析未见异常，油品耐压试验49.9 kV等相关数据合格，变压器直流电阻、变比、本体耐压试验等相关检测数据合格，综合数据判断主变设备正常；35 kV侧501开关至主变高压侧35 kV出线电缆耐压试验检测数据合格，35 kV电缆正常；主变低压侧至10 kV侧进线901开关之间的共箱封闭母线耐压试验检测数据不合格，并出具了相关检测报告。由此，确认是主变至10 kV侧进线901开关之间的10 kV共箱封闭母线发生了相间短路故障。随即，检修人员对共箱封闭母线开盖检查，检查结果为：在10 kV共箱封闭母线由户外进入户内的进户位置(见图2)，户外、户内两部分之间设置的环氧树脂隔板绝缘被击穿，造成母排相间放电，触发主变差动保护动作。本次35 kV主变差动保护动作迅速，体现了其高灵敏性及可靠性，未造成主变设备及母线的损坏。

图2 10 kV共箱封闭母线进户位置示意图

1.5 事故原因分析

1.5.1 直接原因

10 kV共箱封闭母线在进户穿墙位置内部设置的环氧树脂隔板绝缘强度降低而被击穿，造成10 kV母排相间放电，触发主变差动保护动作。

1.5.2 间接原因

1.5.2.1设计方面的原因

设计院在施工图设计图纸中仅提供了10 kV共箱封闭母线有关电气的相关参数(包括户外型以及31.5 kA、2 000 A、数量10 m等参数)，并未提供10 kV共箱封闭母线进户穿墙位置的结构设计，也未提供穿墙套管型号、共箱封闭母线箱体外形尺寸等参数。

1.5.2.210 kV共箱封闭母线产品存在设计缺陷

总承包方提供的10 kV共箱封闭母线中间穿墙结构原设计剖面图(及母排相间放电位置)如图3。生产厂家提供的10 kV共箱封闭母线产品[产品型号为GFM-10.5kV/2000A/50Hz，铜母排规格为TMY-3(120 mm×10 mm)，户外型，防护等级IP54，采用自然冷却方式]中间穿墙结构设计存在缺陷、材料选择错误——设置的穿墙密封连接装置采用环氧树脂绝缘板材料作为户内、户外之间密封分隔，且环氧树脂绝缘板直接搭接在10 kV铜母排上，此种材料随着时间的推移其绝缘强度会逐步降低而易被击穿，造成母排相间放电，即环氧树脂绝缘板不能作为10 kV母线的主绝缘材料使用。

图3 10 kV共箱封闭母线中间穿墙结构剖面图

1.5.2.3环境因素

10 kV共箱封闭母线正常运行时，所处环境的温度、湿度、污秽等级等因素均符合设计及产品使用环境要求，不是影响10 kV共箱封闭母线安全运行的主要因素。

1.6 临时应急处置方案

经过上述原因分析，建设单位、设计院、总承包单位、10 kV共箱封闭母线生产厂家均认可造成本次全厂停电事故的直接原因为10 kV共箱封闭母线产品母线中间穿墙结构设计存在缺陷和材料选择错误，由总承包单位承担本次停电事故的全部责任。10 kV共箱封闭母线进户中间穿墙结构隐患的整改由本项目总承包单位、10 kV共箱封闭母线生产厂家负责，要求按有关规范/标准优化共箱封闭母线产品设计方案，方案报设计院、建设单位同意后，限期完成整改。

为尽快恢复全厂供电、减少损失，建设单位同意以下临时应急处置方案：取消现有10 kV共箱封闭母线中间穿墙位置设置的环氧树脂隔板，在10 kV共箱母线耐压试验合格后，先行恢复全厂电力系统供电，从全厂停电到恢复正常供电，合计停电时间约为18 h。

2 技改方案

2.1 技改的主要难点

(1)停电整改所能给出的作业时间有限，共箱封闭母线技改必须将主变停电后方能交付施工作业，据装置设备恢复运行方面的要求，从主变停电交出到恢复全厂供电总时长不能超过12 h。

(2)共箱封闭母线金属外壳箱体几何尺寸有限，现有金属外壳箱体内部空间仅为972 mm(宽)×452 mm(高)，如图3所示，这给穿墙套管型号及材料的选择带来困难。

2.2 技改主要参考标准及设计图册

(1)共箱封闭母线技改主要参考标准为《金属封闭母线》(GB/T 8349—2000)，要求“金属封闭母线可在适当部位设置防结露装置。自然冷却离相封闭母线应在户内外穿墙处设置密封绝缘套管或采取其他措施，以防止外壳中户内外空气对流、区域之间的温差造成的结露给母线安全运行带来的危害”，以及其他相关技术要求。

(2)共箱封闭母线技改设计参考《国家电网公司输变电工程典型设计：35kV变电站分册》户内变电站设计部分，即：主变户外布置，35 kV、10 kV开关柜户内布置；参考典型设计方案，编号B-1和B-2。

2.3 技改方案的比选

2.3.1 方案一

参考《国家电网公司输变电工程典型设计：35kV变电站分册》典型设计，主要设计方案为：户外部分从35 kV变压器10.5 kV低压出线侧到进户穿墙位置采用裸露的铜质硬母线，不采用共箱封闭母线；穿墙位置采用CWW-10kV/2000A耐污型户外铜导体瓷质穿墙套管及其他密封绝缘材料；母线进入户内后则采用共箱封闭母线，与10 kV进线开关柜连接。

本方案(方案一)是《国家电网公司输变电工程典型设计：35kV变电站分册》典型设计方案，方案成熟，主要适用于新建变电站，最初设计时就需充分考虑细节。若本次技改按照方案一实施，不仅要拆除室外部分的共箱母线箱体，穿墙位置的土建预留孔洞的尺寸也需要改动，户内部分的共箱母线箱体尺寸及铜母排也需作相应的调整，改动太大，等于是推翻了原设计院的设计方案，加之所能给出的技改施工作业时间有限，方案一不能满足实际生产所需且费用也高。

2.3.2 方案二

保持现10 kV共箱封闭母线金属外壳几何尺寸不变，穿墙位置采用CWW-10kV/2000A耐污型户外铜导体瓷质穿墙套管及其他密封绝缘材料。

本方案(方案二)从理论上来看是可行的，但是CWW-10kV/2000A型穿墙套管几何尺寸较大，在现有共箱金属外壳箱体有限空间972 mm(宽)×452 mm(高)内安装，3个套管之间的安全距离不符合规范要求，除非将穿墙位置户外、户内部分的共箱金属外壳空间变大，这又同样涉及到土建预留孔洞的尺寸变化、部分铜母排需重新制作安装、施工作业时间较长等问题。

2.3.3 方案三

保持现有10 kV共箱封闭母线金属外壳箱体几何尺寸不变，在穿墙位置设置TGJ8-12型高压穿墙套管，采用10 mm厚10 kV绝缘板进行分隔，母线外套35 kV电压等级的热缩母排套管。

TGJ8-12型高压穿墙套管绝缘子采用环氧树脂浇注成型，耐污秽及潮湿，无需特别维护，只需定期清理表面，两端有用于安装的螺纹孔。TGJ8-12型高压穿墙套管主要参数为：额定电压10 kV，最高电压12 kV；绝缘子能承受的工频耐受电压(有效值)42 kV/5 min，雷电冲击耐受电压(峰值)75 kV。TGJ8-12型高压穿墙套管为户内装置，使用在共箱封闭母线内是可行的，同时该套管要求在无严重影响绝缘子绝缘的气体、蒸气、灰尘及其他爆炸性和腐蚀性介质的场所使用，现有环境条件均符合该套管的使用要求。

本方案(方案三)无需改动共箱金属外壳尺寸，铜母排无需重新制作，3个套管之间的安全距离也符合规范要求，施工作业时间短，费用也比较低。

2.3.4 方案比选结果

通过对上述3个技改方案在技术、经济、可行性等方面的综合比较，方案一、方案二在输变电工程设计之初选择应该是最优的；方案三则是基于本项目的实际情况提出的，实施难度不大，且符合规范要求，虽说不是国家电网公司典型设计方案，但最适合于本项目的技改，故确定方案三为最终设计及实施方案。10 kV共箱封闭母线中间穿墙结构技改设计剖面图如图4。

图4 共箱封闭母线中间穿墙结构技改设计剖面图

3 技改实施情况及效果

本次10 kV共箱封闭母线中间穿墙结构技改，利用2020年度春季大修机会在计划的12 h内顺利完成，包括耐压试验在内的各项试验数据合格且安全送电。技改后至今2 a多的时间内，供配电系统连续、稳定、安全运行，未出现过任何问题。2022年度春季大修期间对10 kV共箱封闭母线中间穿墙结构技改部分进行了重点检查，除了套管表面稍有积尘外，无任何放电迹象，其他各项试验数据均正常。

4 结束语

参照GB/T 8349—2000等标准，结合本工程实际案例及鼎盛锂业“35 kV主变差动保护动作”事故，在设计、产品生产的各个阶段，如何正确设计共箱封闭母线中间穿墙结构、如何正确选用相关材料，各环节各种细节均应该得到重视，以免一些被忽略的细节问题影响到电力系统的正常运行。鼎盛锂业本次10 kV共箱封闭母线进户中间穿墙位置设置TGJ8-12型高压穿墙套管的技改，无需改动共箱金属外壳尺寸，铜母排无需重新制作，施工作业时间短、技改费用低、实际运行效果好，这对业内类似问题的解决有一定的启示作用，本技改案例对设计院、生产厂家及建设单位等工程技术人员也有一定的参考价值。