本文針對系統容量的不斷增大或電網結構變化等原因，電力系統中某些變電站的6-35kV低壓側饋線發生近區故障，會出現特大的短路電流，超過額定電流的100（工頻）以上，大大超過所用電流互感器10%誤差所允許的電流倍數，電流互感器嚴重飽和，傳變失真，影響到繼電保護動作的性能；電氣主設備承載能力差，抗短路電流能力較差，不能滿足運行要求；主變后備保護整定對35kV和10kV母線及出線近區短路切除時間較長等原因進行分析，并提出相應防范措施。

事故經過

運行方式：110kVⅠ段、Ⅱ段母線并列運行，兩臺主變分列運行，100母聯熱備用狀態。2012年7月12日22時40分， 110kV某變電站10kVⅠ段母線接地，22時42分，10kV XXX路線過流Ⅱ動作，開關跳閘；重合閘動作，開關合閘；電流加速段動作，開關跳閘。22時42分1號主變本體重瓦斯動作，跳開1101、101開關。

事故發生后檢查設備：10kV XXX路線開關柜后柜門受短路電流沖擊，向外突出變形，柜內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，柜內避雷器三相全部燒毀，零序CT燒毀，手車開關下觸頭絕緣護套管燒傷變形。

事故原因調查分析

1.保護檢查情況

1）1號主變本體重瓦斯保護動作出口，1101、101開關跳閘；1號主變差動保護、高后備保護、低后備保護均啟動；綜合分析保護裝置報告、故障錄波數據及當地監控系統信息，確證首先是10kVⅠ段A相接地，1分28秒后發展為ABC三相短路故障。

2）1號主變保護裝置、10kV XXX路線保護裝置進行了檢查，裝置運行正常，保護動作行為正確。10kV XXX路線二次回路破壞嚴重，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.電氣試驗情況

1）變壓器變比試驗。運行檔位高壓側繞組BC與低壓側繞組bc變比誤差為5.3%，遠遠大于規程中變比誤差不超過±0.5%的要求。

2）變壓器繞組直流電阻試驗。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%，大于規程中各相電阻互差2%的要求。

3）繞組變形測試。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，其結果如表1（單位：ppm）。

表1

運用三比值法分析，變壓器內部存在低能量放電。

3保護動作情況分析

1）調取故障錄波圖分析

根據某10kVXXX線線路保護裝置故障報告、1號主變保護裝置故障報告、故障錄波圖及變電站后臺信息進行綜合分析：2012年7月12日22：40：59.019ms 10kVⅠ段母線A相接地，22：42：26.620ms發展為ABC三相短路，故障電流最大18.1kA,持續30ms A相出現鋸齒波，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號主變差動、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），三相短路故障持續到1740ms左右，某10kVXXX線線路保護裝置A相再次出現6.6kA左右平頂短路電流(電流互感器仍無法正常傳變)，此電流遠大于電流Ⅱ段定值（300/5,47.3A）；22：42：28.364ms 10kV XXX線電流Ⅱ保護動作，開關跳閘。22：42：29.408ms重合閘動作，重合于永久故障，短路電流（嚴重畸變）持續110ms,22：42：29.621ms電流加速段動作跳開開關,故障切除。

圖1 線路保護裝置錄波圖

圖2 主變后備保護錄波圖

2）1號主變保護動作情況分析

故障最初是某10kVXXX線路側故障，對主變差動而言是區外故障，故主變差動保護不動作；故障在主變后備保護范圍之內，但由于故障時間（約1800ms）未達到主變后備動作時間（低后備2500 ms，高后備2800 ms），后備保護不動作；在某10kVXXX線故障過程中，變壓器內部出現故障，于22：42：29.876 ms本體重瓦斯動作，跳開1101和101開關。

4.1號變壓器損壞原因分析

1）經對系統理論計算，本變電站兩臺主變并列運行時，10kV母線短路電流為43.7kA，分列運行時短路電流為23.4kV，按照設備選型原則，電流互感器保護級應選擇1200/5 10P30。

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

電流互感器原理如圖3所示，當特大電流（100倍額定值以上）流過電流互感器時，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間常數Ts≈（L+Lμ）/R,很快變小，飽和段的過渡過程很短，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切除，是導致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號變壓器為2006年8月生產的產品，其型號為SZ10-50000/110，于2007年6月30日投運，投運以來，每年對其進行一次色譜周期性分析，在2009年3月期間，根據國網公司《輸變電設備狀態檢修試驗規程》要求，對其進行了第一次例行試驗和檢查，未發現變壓器內部存在任何異常，一直處于安全穩定運行。

本次某10kVXXX電纜發生三相短路，通過故障錄波分析，1號變壓器10kV繞組通過的短路電流為18.102kA，持續時間1.743秒。調閱本變壓器相關技術協議，協議中明確規定，某某變10kV系統短路水平為50kA，在4秒持續時間內各部位無損傷和明顯變形。在實際短路電流遠小于系統短路水平，且持續時間不足2秒的情況下，10kV繞組內部出現了故障，因此，抗短路能力不足是本次變壓器損壞的直接原因。

3）線路保護裝置動作行為分析

在暫態短路電流的作用下，不管電流互感器飽和程度如何，總存在一段不飽和的時間Ts，有些微機保護裝置利用這一特點，搶在電流互感器飽和前做出判斷，但當短路電流100倍額定值以上流過電流互感器時，僅在一次電流過零點時存在一段不飽和區，Ts很小，僅靠大大提高保護裝置的采樣率，給保護設計帶來極大的困難。

一般微機保護裝置采樣頻率較低，而且都采用一定長度的數據窗內的若干個采樣數據計算電流的大小，如果I2波形變得很窄的尖脈沖時，在一個數據窗內可能可能僅采到很少的幾個點（甚至采不到），其他點采樣值接近于零，這樣計算出來的故障電流肯定偏小或接近零。近區發生嚴重故障，可能產生特大電流，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，造成保護裝置拒動后，由上一級保護動作切除故障，損壞設備或擴大停電范圍。

4）電纜終端頭質量較差，制作工藝不符合規范，缺乏有效管控措施。事故后對部分電纜頭進行解剖。

經過分析，電纜損壞的原因主要有以下兩點，一是電纜終端本身質量存在問題，應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題，如半導體端部不倒角、電纜絕緣層劃傷等。當電纜在正常運行過程中，這些缺陷會逐步發展，遇到電壓升高時，會造成絕緣擊穿，形成相間短路。

5）在設備選型方面，電流互感器應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，以保證保護用電流互感器的工作精度。

保護用電流互感器實際上是在超過額定電流許多倍的短路電流流過一次繞組時，互感器才有效工作，向二次傳遞信息。而我們對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，導致保護選用電流互感選型錯誤。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，線路保護拒動，擴大事故。

防范措施

1） 嚴把設計圖紙審查關，確保主要設備的選型正確，使所用設備滿足運行需求。根據各變電站實際短路容量，重新校核現有電流互感器保護級的性能是否滿足繼電保護正確動作的要求。首先應保證在穩態對稱短路電流下的誤差不超過規定值。

對于短路電流非周期分量和互感器剩磁等暫態影響，應根據互感器所在系統暫態問題的嚴重程度，所接保護裝置的特性、暫態飽和可能引起的后果和運行經驗等因素，予以合理考慮，更換各站現不滿足設備安全運行要求的電流互感器。

2）嚴把主設備，尤其是變壓器、斷路器、互感器等設備的出廠監造、試驗關，收集變壓器抗短路強度試驗報告，確保設備主要技術參數符合設計和技術規范的要求。

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

4）開展變壓器抗短路能力的校核工作。基于系統等值阻抗的方法，并按照實際母線電流情況進行校核，將其結果與制造商提供的最大短路電流進行比較，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鍵因素為中、低壓繞組的抗短路水平，因此，根據設備的實際情況有選擇性地采取中性點加裝電抗，加裝三相固定式限流電抗器及可控電抗器等措施。

5）加強對主變壓器中低壓后備保護及饋線保護配置、整定值的研究，科學合理確定保護定值，力求在盡短的時限切除主變壓器中低壓母線或出線近區短路故障，減小主變壓器損壞機率。

一是綜合考慮各類因素，投入主變保護的限時過流保護。二是隨著斷路器性能不斷提高和微機保護的應用，切除故障的時間縮短，可適當壓縮饋線保護動作時限；對保護難以配合的短線路配置光纖保護，達到縮短主變中、低后備保護的動作時限。

6）特大電流流過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，特大電流產生在大型發電機低壓側出口，變壓器低壓側，不可能僅靠改進保護裝置的性能來適應這種不正常的狀況。在一次系統設計和電流互感器選型時應設法避免出現特大短路電流所造成的不良后果。可通過適當提高電流互感器一次額定工作電流，調整運行方式或加裝電抗器等措施限制短路電流。

7）加強電纜施工和維護管理。一是嚴把電力電纜及電纜附件的入網、選型關，盡量采用產品質量好、信譽高的企業產品。二是定期舉辦電纜頭制作培訓班，提高施工人員的工藝水平。嚴格執行《電纜施工工藝規范》，加大對電纜頭制作質量的監督把關，確保電纜頭施工質量。三是6-35kV電流較大的出線電纜選用單芯電纜，防止由于三芯統包電纜終端三岔故障引起的近區短路。

本文編自《電氣技術》，標題為“近區故障引起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。