本文針對(duì)系統(tǒng)容量的不斷增大或電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化等原因，電力系統(tǒng)中某些變電站的6-35kV低壓側(cè)饋線發(fā)生近區(qū)故障，會(huì)出現(xiàn)特大的短路電流，超過(guò)額定電流的100（工頻）以上，大大超過(guò)所用電流互感器10%誤差所允許的電流倍數(shù)，電流互感器嚴(yán)重飽和，傳變失真，影響到繼電保護(hù)動(dòng)作的性能；電氣主設(shè)備承載能力差，抗短路電流能力較差，不能滿足運(yùn)行要求；主變后備保護(hù)整定對(duì)35kV和10kV母線及出線近區(qū)短路切除時(shí)間較長(zhǎng)等原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)防范措施。

事故經(jīng)過(guò)

運(yùn)行方式：110kVⅠ段、Ⅱ段母線并列運(yùn)行，兩臺(tái)主變分列運(yùn)行，100母聯(lián)熱備用狀態(tài)。2012年7月12日22時(shí)40分， 110kV某變電站10kVⅠ段母線接地，22時(shí)42分，10kV XXX路線過(guò)流Ⅱ動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘；重合閘動(dòng)作，開(kāi)關(guān)合閘；電流加速段動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘。22時(shí)42分1號(hào)主變本體重瓦斯動(dòng)作，跳開(kāi)1101、101開(kāi)關(guān)。

事故發(fā)生后檢查設(shè)備：10kV XXX路線開(kāi)關(guān)柜后柜門受短路電流沖擊，向外突出變形，柜內(nèi)出線電纜頭三相分支引線絕緣全部燒毀，電纜頭分支引線A 、B相有明顯短路燒傷痕跡，柜內(nèi)避雷器三相全部燒毀，零序CT燒毀，手車開(kāi)關(guān)下觸頭絕緣護(hù)套管燒傷變形。

事故原因調(diào)查分析

1.保護(hù)檢查情況

1）1號(hào)主變本體重瓦斯保護(hù)動(dòng)作出口，1101、101開(kāi)關(guān)跳閘；1號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)、高后備保護(hù)、低后備保護(hù)均啟動(dòng)；綜合分析保護(hù)裝置報(bào)告、故障錄波數(shù)據(jù)及當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)信息，確證首先是10kVⅠ段A相接地，1分28秒后發(fā)展為ABC三相短路故障。

2）1號(hào)主變保護(hù)裝置、10kV XXX路線保護(hù)裝置進(jìn)行了檢查，裝置運(yùn)行正常，保護(hù)動(dòng)作行為正確。10kV XXX路線二次回路破壞嚴(yán)重，電流互感器本體二次回路接線線芯絕緣損壞，線芯全部裸露。

2.電氣試驗(yàn)情況

1）變壓器變比試驗(yàn)。運(yùn)行檔位高壓側(cè)繞組BC與低壓側(cè)繞組bc變比誤差為5.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)程中變比誤差不超過(guò)±0.5%的要求。

2）變壓器繞組直流電阻試驗(yàn)。10kV繞組直流電阻a相與b相互差為7.6%、a相與c相互差為18.6%、b相與c相互差為27.6%，大于規(guī)程中各相電阻互差2%的要求。

3）繞組變形測(cè)試。10kV繞組C相與A、B兩相有明顯差異。

4）變壓器本體色譜及瓦斯氣樣分析存在異常，其結(jié)果如表1（單位：ppm）。

表1

運(yùn)用三比值法分析，變壓器內(nèi)部存在低能量放電。

3保護(hù)動(dòng)作情況分析

1）調(diào)取故障錄波圖分析

根據(jù)某10kVXXX線線路保護(hù)裝置故障報(bào)告、1號(hào)主變保護(hù)裝置故障報(bào)告、故障錄波圖及變電站后臺(tái)信息進(jìn)行綜合分析：2012年7月12日22：40：59.019ms 10kVⅠ段母線A相接地，22：42：26.620ms發(fā)展為ABC三相短路，故障電流最大18.1kA,持續(xù)30ms A相出現(xiàn)鋸齒波，如圖1所示。

某10kVXXX線電流互感器（300/5，10P20）處于深度飽和，隨后A、C相電流基本接近于零，但從故障錄波器錄波圖，1號(hào)主變差動(dòng)、高后備及低后備裝置錄波圖，如圖2所示。

可以看出，在此后故障電流一直存在（主變101電流互感器4000/5），三相短路故障持續(xù)到1740ms左右，某10kVXXX線線路保護(hù)裝置A相再次出現(xiàn)6.6kA左右平頂短路電流(電流互感器仍無(wú)法正常傳變)，此電流遠(yuǎn)大于電流Ⅱ段定值（300/5,47.3A）；22：42：28.364ms 10kV XXX線電流Ⅱ保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘。22：42：29.408ms重合閘動(dòng)作，重合于永久故障，短路電流（嚴(yán)重畸變）持續(xù)110ms,22：42：29.621ms電流加速段動(dòng)作跳開(kāi)開(kāi)關(guān),故障切除。

圖1 線路保護(hù)裝置錄波圖

圖2 主變后備保護(hù)錄波圖

2）1號(hào)主變保護(hù)動(dòng)作情況分析

故障最初是某10kVXXX線路側(cè)故障，對(duì)主變差動(dòng)而言是區(qū)外故障，故主變差動(dòng)保護(hù)不動(dòng)作；故障在主變后備保護(hù)范圍之內(nèi)，但由于故障時(shí)間（約1800ms）未達(dá)到主變后備動(dòng)作時(shí)間（低后備2500 ms，高后備2800 ms），后備保護(hù)不動(dòng)作；在某10kVXXX線故障過(guò)程中，變壓器內(nèi)部出現(xiàn)故障，于22：42：29.876 ms本體重瓦斯動(dòng)作，跳開(kāi)1101和101開(kāi)關(guān)。

4.1號(hào)變壓器損壞原因分析

1）經(jīng)對(duì)系統(tǒng)理論計(jì)算，本變電站兩臺(tái)主變并列運(yùn)行時(shí)，10kV母線短路電流為43.7kA，分列運(yùn)行時(shí)短路電流為23.4kV，按照設(shè)備選型原則，電流互感器保護(hù)級(jí)應(yīng)選擇1200/5 10P30。

而本線路電流互感器變比為300/5,10P20，線路保護(hù)用電流互感器抗飽和能力不滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求，在10kV出線近區(qū)短路時(shí)（短路電流最大可達(dá)146倍額定電流，本次故障電流可達(dá)62倍額定電流）。

電流互感器原理如圖3所示，當(dāng)特大電流（100倍額定值以上）流過(guò)電流互感器時(shí)，Ts非常小，I2的飽和波形多為尖脈沖，形成如圖1的波形。故障電流中含有直流分量和各種高次諧波分量，使電流互感器飽和后等效時(shí)間常數(shù)Ts≈（L+Lμ）/R,很快變小，飽和段的過(guò)渡過(guò)程很短，電流互感器迅速深度飽和不能正確傳變短路電流致使線路故障不能瞬時(shí)切除，是導(dǎo)致1#變壓器低壓繞組損壞的主要原因。

圖3 電流互感器原理圖

2）1號(hào)變壓器為2006年8月生產(chǎn)的產(chǎn)品，其型號(hào)為SZ10-50000/110，于2007年6月30日投運(yùn)，投運(yùn)以來(lái)，每年對(duì)其進(jìn)行一次色譜周期性分析，在2009年3月期間，根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》要求，對(duì)其進(jìn)行了第一次例行試驗(yàn)和檢查，未發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部存在任何異常，一直處于安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本次某10kVXXX電纜發(fā)生三相短路，通過(guò)故障錄波分析，1號(hào)變壓器10kV繞組通過(guò)的短路電流為18.102kA，持續(xù)時(shí)間1.743秒。調(diào)閱本變壓器相關(guān)技術(shù)協(xié)議，協(xié)議中明確規(guī)定，某某變10kV系統(tǒng)短路水平為50kA，在4秒持續(xù)時(shí)間內(nèi)各部位無(wú)損傷和明顯變形。在實(shí)際短路電流遠(yuǎn)小于系統(tǒng)短路水平，且持續(xù)時(shí)間不足2秒的情況下，10kV繞組內(nèi)部出現(xiàn)了故障，因此，抗短路能力不足是本次變壓器損壞的直接原因。

3）線路保護(hù)裝置動(dòng)作行為分析

在暫態(tài)短路電流的作用下，不管電流互感器飽和程度如何，總存在一段不飽和的時(shí)間Ts，有些微機(jī)保護(hù)裝置利用這一特點(diǎn)，搶在電流互感器飽和前做出判斷，但當(dāng)短路電流100倍額定值以上流過(guò)電流互感器時(shí)，僅在一次電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)存在一段不飽和區(qū)，Ts很小，僅靠大大提高保護(hù)裝置的采樣率，給保護(hù)設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的困難。

一般微機(jī)保護(hù)裝置采樣頻率較低，而且都采用一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)窗內(nèi)的若干個(gè)采樣數(shù)據(jù)計(jì)算電流的大小，如果I2波形變得很窄的尖脈沖時(shí)，在一個(gè)數(shù)據(jù)窗內(nèi)可能可能僅采到很少的幾個(gè)點(diǎn)（甚至采不到），其他點(diǎn)采樣值接近于零，這樣計(jì)算出來(lái)的故障電流肯定偏小或接近零。近區(qū)發(fā)生嚴(yán)重故障，可能產(chǎn)生特大電流，且短路電流中含有大量的諧波分量，特別是直流分量，使電流互感器迅速抗飽和，造成保護(hù)裝置拒動(dòng)后，由上一級(jí)保護(hù)動(dòng)作切除故障，損壞設(shè)備或擴(kuò)大停電范圍。

4）電纜終端頭質(zhì)量較差，制作工藝不符合規(guī)范，缺乏有效管控措施。事故后對(duì)部分電纜頭進(jìn)行解剖。

經(jīng)過(guò)分析，電纜損壞的原因主要有以下兩點(diǎn)，一是電纜終端本身質(zhì)量存在問(wèn)題，應(yīng)力錐部位收縮不均勻，存在空氣間隙。二是電纜終端制作工藝存在問(wèn)題，如半導(dǎo)體端部不倒角、電纜絕緣層劃傷等。當(dāng)電纜在正常運(yùn)行過(guò)程中，這些缺陷會(huì)逐步發(fā)展，遇到電壓升高時(shí)，會(huì)造成絕緣擊穿，形成相間短路。

5）在設(shè)備選型方面，電流互感器應(yīng)按照各回路的最大短路電流和額定工作電流的比值在合理范圍內(nèi)，以保證保護(hù)用電流互感器的工作精度。

保護(hù)用電流互感器實(shí)際上是在超過(guò)額定電流許多倍的短路電流流過(guò)一次繞組時(shí)，互感器才有效工作，向二次傳遞信息。而我們對(duì)電流互感器變比的選擇，特別是在大電流下的傳變特性比較模糊，導(dǎo)致保護(hù)選用電流互感選型錯(cuò)誤。本次事故就是在特大短路電流下，迅速抗飽和，電流傳變失真，線路保護(hù)拒動(dòng)，擴(kuò)大事故。

防范措施

1） 嚴(yán)把設(shè)計(jì)圖紙審查關(guān)，確保主要設(shè)備的選型正確，使所用設(shè)備滿足運(yùn)行需求。根據(jù)各變電站實(shí)際短路容量，重新校核現(xiàn)有電流互感器保護(hù)級(jí)的性能是否滿足繼電保護(hù)正確動(dòng)作的要求。首先應(yīng)保證在穩(wěn)態(tài)對(duì)稱短路電流下的誤差不超過(guò)規(guī)定值。

對(duì)于短路電流非周期分量和互感器剩磁等暫態(tài)影響，應(yīng)根據(jù)互感器所在系統(tǒng)暫態(tài)問(wèn)題的嚴(yán)重程度，所接保護(hù)裝置的特性、暫態(tài)飽和可能引起的后果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等因素，予以合理考慮，更換各站現(xiàn)不滿足設(shè)備安全運(yùn)行要求的電流互感器。

2）嚴(yán)把主設(shè)備，尤其是變壓器、斷路器、互感器等設(shè)備的出廠監(jiān)造、試驗(yàn)關(guān)，收集變壓器抗短路強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告，確保設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)符合設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范的要求。

3）為防止變壓器出口及近區(qū)短路，變壓器35kV及以下低壓母線應(yīng)考慮絕緣化，10kV線路及變電站出口在2公里內(nèi)采用絕緣導(dǎo)線。

4）開(kāi)展變壓器抗短路能力的校核工作。基于系統(tǒng)等值阻抗的方法，并按照實(shí)際母線電流情況進(jìn)行校核，將其結(jié)果與制造商提供的最大短路電流進(jìn)行比較，確定抗短路電流的能力不足的變壓器。

限制變壓器抗短路能力的關(guān)鍵因素為中、低壓繞組的抗短路水平，因此，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況有選擇性地采取中性點(diǎn)加裝電抗，加裝三相固定式限流電抗器及可控電抗器等措施。

5）加強(qiáng)對(duì)主變壓器中低壓后備保護(hù)及饋線保護(hù)配置、整定值的研究，科學(xué)合理確定保護(hù)定值，力求在盡短的時(shí)限切除主變壓器中低壓母線或出線近區(qū)短路故障，減小主變壓器損壞機(jī)率。

一是綜合考慮各類因素，投入主變保護(hù)的限時(shí)過(guò)流保護(hù)。二是隨著斷路器性能不斷提高和微機(jī)保護(hù)的應(yīng)用，切除故障的時(shí)間縮短，可適當(dāng)壓縮饋線保護(hù)動(dòng)作時(shí)限；對(duì)保護(hù)難以配合的短線路配置光纖保護(hù)，達(dá)到縮短主變中、低后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限。

6）特大電流流過(guò)電流互感器這種情況完全超出了電流互感器正常工作范圍，特大電流產(chǎn)生在大型發(fā)電機(jī)低壓側(cè)出口，變壓器低壓側(cè)，不可能僅靠改進(jìn)保護(hù)裝置的性能來(lái)適應(yīng)這種不正常的狀況。在一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電流互感器選型時(shí)應(yīng)設(shè)法避免出現(xiàn)特大短路電流所造成的不良后果。可通過(guò)適當(dāng)提高電流互感器一次額定工作電流，調(diào)整運(yùn)行方式或加裝電抗器等措施限制短路電流。

7）加強(qiáng)電纜施工和維護(hù)管理。一是嚴(yán)把電力電纜及電纜附件的入網(wǎng)、選型關(guān)，盡量采用產(chǎn)品質(zhì)量好、信譽(yù)高的企業(yè)產(chǎn)品。二是定期舉辦電纜頭制作培訓(xùn)班，提高施工人員的工藝水平。嚴(yán)格執(zhí)行《電纜施工工藝規(guī)范》，加大對(duì)電纜頭制作質(zhì)量的監(jiān)督把關(guān)，確保電纜頭施工質(zhì)量。三是6-35kV電流較大的出線電纜選用單芯電纜，防止由于三芯統(tǒng)包電纜終端三岔故障引起的近區(qū)短路。

本文編自《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“近區(qū)故障引起110kV變壓器損壞的故障分析及防范措施”，作者為吳玉碩、趙杰 等。