雷击引起的变电站直流系统故障分析及处理

陈达文，胡敏

（国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410015)

雷击引起的变电站直流系统故障分析及处理

陈达文，胡敏

（国网湖南省电力公司长沙供电分公司，湖南长沙410015)

介绍某110 kV变电站发生频繁雷击后直流系统充电装置失电的故障及应急处理过程，分析了故障发生的主要原因及直流系统的潜在安全隐患，并针对此类故障提出了相应的反事故措施，以进一步提高变电站设备的可靠运行水平。

直流系统；充电装置；故障分析；应急处理；反事故

变电站的直流系统承担了为保护、自动装置及其控制、信号回路提供稳定可靠电源的职责，直流母线失压会导致继电保护及安全自动装置无法正确动作，进而在系统发生故障时保护将越级跳闸，带来停电事故，造成经济损失〔1－2〕。故障变电站地处亚热带季风气候区，夏季雷雨天气较多，城区变电站雷击密度高，电力设备防雷压力大，采取可靠的防雷措施对保证电网的安全运行具有重要意义〔3〕。

1 故障概况

1.1 设备运行方式

该站直流系统配有1块直流充电屏，屏内设4个艾默生HD22010－2型高频开关充电模块和1套艾默生PSM－E10型直流电源监控装置，1块直流馈电屏，1组深圳华达GFMH200型阀控式铅酸密封蓄电池(容量为200 Ah，共103个，2013年5月12日投运)。该站直流系统正常运行时，两路交流电源(其中1路常供，2路备用，二者可自动切换互为备用)通过交流馈电屏的 “充电Ⅰ回”、“充电Ⅱ回”空气开关分别接直流充电屏 “1路交流进线”、“2路交流进线”2个空气开关，然后经互锁交流接触器为充电模块提供进线电源。两路交流输入空气开关具备自动切换功能，交流接触器通过机械联锁和电气闭锁防止两路交流电源同时输入，以保证交流供电的可靠运行，正常仅一路交流电源供整流充电模块。在交流线路上设有防雷装置以防止过电压对充电模块的冲击。充电模块经降压单元向直流母线送电及为蓄电池组充电。交流进线空开、交流接触器和防雷装置等各部分的告警信号经监控装置和站内网络交换机上传至监控中心和后台机。正常运行状态下控制母线电压在222 V，合闸母线电压在232 V，蓄电池端电压为230 V。直流系统简化接线原理如图1所示。

图1 110 kV某变电站直流系统接线原理

1.2 故障经过

在110 kV某变电站开展例行巡视时发现:该站直流充电屏交流电源指示灯灭，“系统故障”指示灯亮，直流电源监控装置告警灯亮，4个充电模块全部失压，直流母线电压降低，直流屏后1，2路交流进线空气开关跳闸，现场简化示意如图2所示。交流馈电屏直流充电Ⅰ回、充电Ⅱ回空气开关跳闸。直流监控装置显示合闸母线电压已降低至186.2 V，控制母线电压已降低至166.6 V。监控后台机显示直流母线及蓄电池电压为230 V，调控中心监控端直流母线电压为231 V，均显示正常未降低，且无任何直流系统异常或告警信息上传。测量蓄电池组端电压已降低至186 V。

图2 故障后现场直流充电屏指示简化示意

2 故障原因分析

2.1 故障调查

在检查过程中对地量取直流电压存在电压浮动，现场直流充电屏内1路、2路进线交流接触器已明显烧损，同屏内防雷接地单元避雷器A相外绝缘有裂痕，量取A该相避雷器电阻为0，绝缘已击穿，B，C相电阻为58 MΩ，且屏内避雷器未装设控制空开。屏内各充电模块电源空开均在合位。站内单个蓄电池无明显异常，单体电压均已降至1.8 V左右。通信屏内规约转换器和网络交换机有明显焦味。故障初步判断为交流进线电源失电，全站直流系统由蓄电池组供电。通讯设备损坏导致站内设备监控数据及告警信号没有及时刷新并发出。

2.2 防雷装置故障原因分析

变电站遭直接雷击时流过大电流，同时引起高达几千伏的过电压直接加载于线路装置和电源设备上，持续时间达若干微秒。在全站防雷措施的基础上，该站直流电源系统采用在交流配电部分安装一组三相陶瓷氧化锌避雷器的单级防雷方式(如图1所示)。避雷器接于交流进线电源与充电模块之间，以限制雷电侵入过电压对充电模块的冲击。故障前该避雷器运行时间较长，接近全寿命的中后期，站内未敷设等电位接地网，避雷器长期运行在接地泄压通道不完整的恶劣工况下，阀片性能逐渐劣化，抗冲击能力降低。在遭受频繁雷击过程中，阀片频繁动作，急剧加速了阀片的劣化，进一步导致避雷器内部阻性电流和功率损耗增大，内部压力和温度升高的同时导致外瓷套绝缘性能降低，最终该相避雷器绝缘被直接击穿，引发交流短路。

2.3 直流充电装置失压原因分析

安装于交流接触器之后的三相避雷器并没有按照设计单独配置空气开关，当A相避雷器直接接地后为短路过电流提供了通路。A相短路电流通过互锁交流接触器时，接触器主触点不断烧弧导致熔焊损毁，同时产生大量热量导致接触器线圈过温烧损。接触器上级的1路交流进线空开中通过的短路电流达到电流起跳值而引发跳闸，由于1路交流进线开关与上一级交流馈线柜内的充电Ⅰ回开关极差配合不当(均为40A)，充电Ⅰ回开关也一并跳闸。在1路交流电源跳开后，备用2路交流电源自动投入，由于故障避雷器接地点仍然存在于接触器与充电模块之间，导致2路接触器同样过热烧损，2路交流进线开关与同级配置的充电Ⅱ回开关亦跳闸，充电模块失电退出运行，蓄电池供全站直流负荷。

2.4 后台及监控无信号上传原因分析

故障时频繁雷击引发的直接接地及站内接地网的不完善同时导致直流充电屏与站内监控系统进行通讯的通信规约转换器和通讯网关损毁，直流遥信、遥测及告警等异常信息不能上传至后台及调度端。同时由于该直流系统在安装调试时未考虑制作规约转换器和通讯网关失电的告警信号点表，以致故障发生后监控中心不能及时发现故障，只能通过运维人员的例行巡视发现，导致蓄电池长时间带全站直流负荷，端电压低于198 V告警值运行，相应增大了此次故障的风险。

综合现场故障检查情况及天气、工况的分析，初步判断此次故障的主要原因为直流充电屏内A相避雷器频繁遭受雷击后绝缘击穿直接接地，且未安装空开，交流短路致1路、2路进线交流接触器损毁，电源进线空开跳闸，进而直流充电装置失电。相关网络通信设备同时损毁，故障信号未及时上传，未能及时监视到故障发生。

3 处理及反事故措施

3.1 故障处理过程

1)现场运维人员通知检修人员故障详细情况后，随即向调控中心各级值班调度员申请该站禁止进行断路器操作，以控制直流系统故障影响，并与调控人员核对现场和监控中心信号的一致性，随后对单个蓄电池进行了普测，监测蓄电池的状态。

2)由于充电Ⅰ，Ⅱ回空开跳闸，运维人员对充电模块进行初步排查:退出全部充电模块，通过外接电源对充电模块逐个试送电，判断是否为充电模块故障，若是则退出故障充电模块，投入正常充电模块，恢复直流系统供电。实际试送后排除了充电模块故障的可能。

3)由于蓄电池端电压已降至186 V，为防止故障排查、事故处理时间较长而导致蓄电池电压降低过多，全站失去直流电源。检修人员到达事故现场后立即外接入临时充电模块充电恢复直流系统供电，对蓄电池充电，制定消缺方案并做好全站失压预控措施，并监视蓄电池的运行状态。

4)检修人员逐段进行排查，发现直流充电屏内A相避雷器绝缘降低，1，2路交流接触器损坏，测量A相避雷器绝缘电阻为0，为直接接地，随后将屏内防雷接地单元三相交流避雷器更换为同型号成熟可靠产品，并更换了符合交直流上、下级空开级差要求的2个交流接触器。

5)对1，2路交流进线开关进行互投试验验证自动投切正确。各新设备部件试验合格后，用直流屏对蓄电池组进行充电，控母电压恢复至225.6 V。单个蓄电池电压恢复至2.18～2.22 V之间。

6)退出临时备用充电机，逐个投入充电屏充电模块。为防止切换时蓄电池充电电流过大，充电回路空开跳闸，需待蓄电池充电电流降低到一定值后再切换。

7)经自动化专业排查，监控信号不上传为通信规约转换器和通讯网关故障，厂家更换该转换器和网关后通讯恢复正常，并与监控中心监控员核对遥信、遥测信号无误。

3.2 反事故措施

1)完善等电位接地网。故障检查中发现，对地量取直流电压存在电压浮动问题，该站全站未敷设等电位接地网，对避雷器绝缘降低被击穿和通讯设备的损毁存在影响。《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》(2012版)15.7.3条规定:宜根据开关场和一次设备安装的实际情况，敷设与厂、站主接地网紧密连接的等电位接地网〔4〕。该变电站2007年进行综自改造时还没有反措要求设置专门的等电位接地网。直流系统恢复后，二次专业检修人员对该站内主控室二次屏柜与主接地网的连接情况开展排查，确保屏柜与主接地网接触良好。

2)加强空气开关的上、下级的级差配合管理。严格开展空气开关容量和级差配合排查，结合停电计划按级差要求逐步更换。保证所有空气开关的特性、质量满足 《家用及类似场所用过电流保护断路器 第2部分:用于交流和直流的断路器》(GB10963.2—2008)的相关要求，避免1路空气开关故障时再次出现越级跳闸和接触器损坏的情况。

3)针对此次异常举一反三，加强雷雨等恶劣天气后的设备特巡力度。同时结合巡视和检修严格参照 《站用直流电源系统全过程管理重点措施》(湘电公司运检[2015]259号)中直流充电屏的“所有防雷器都配置了符合要求的空开”的要求，对同型号防雷器的运行状况开展细致清查。若存在防雷器未配置符合级差要求的空开情况，立即加装或更换符合要求的空开。

4)完善直流系统的监控。故障发生后，相关遥信信号和直流电压遥测信号没有上传至调控主站，除网络通讯设备损坏外，调控主站部分点表信号(如此次网络通讯设备故障告警)的缺失也是原因之一。针对该公司 《110 kV变电站典型监控信息表》中关于直流屏信号未作要求但影响直流系统运行的信号，将与上级部门进行汇报沟通，将影响直流系统运行的信号纳入调控端监控范围，并逐步完成信号添加和核对工作。

5)后续需对该变电站蓄电池组进行核对性放电试验以及直流充电屏特性试验，检验站内蓄电池的工作状态和直流电源系统设备性能，充分保证直流系统功能正常。设备试验数据若不符合相关标准要求，应及时进行更换和维修〔5〕。恶劣天气或雷电活动频繁的时期，结合带电检测的开展，加强对各变电站的巡视、监视。

4 结论

例行巡视过程发现此起变电站雷击导致的直流系统故障，仔细排查和分析确定了故障发生的主要原因，妥善处置后消除了隐患。此类故障是直流屏柜内防雷装置异常导致变电站重要的直流系统发生故障的一个典型事例，同时接地网、空开的配置、通讯设备等方面的不利因素大大增加了此次故障的后果和风险等级，重者可能导致全站直流失压、无保护运行发生越级跳闸，严重影响电网设备的安全稳定运行。结合此次故障，分别从设备隐患排查、设备运行维护以及加强设备特性试验和带电检测等方面提出了预防和反事故措施，以确保变电站直流系统的可靠运行。

〔1〕赵军，石光，黄小川，等.一起变电站直流母线失电原因分析及解决方案 〔J〕.电力系统保护与控制，2009，37(23): 122-124.

〔2〕敖非，李辉.110 kV变电站直流电源系统故障分析 〔J〕.湖南电力，2015，35(5):51-53，56.

〔3〕国家电网公司电力生产事故调查规程 〔S〕.北京:中国电力出版社，2005.

〔4〕国家电网公司十八项电网重大反事故措施 〔S〕.北京:中国电力出版社，2012.

〔5〕黄森炯，王晓，王晴.一起因蓄电池故障造成继电保护越级跳闸事故的分析 〔J〕.电气自动化，2012，34(6):39-41.

Analysis and Treatment of Lighting Fault in DC System of Substation

CHEN Dawen，HU Min
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Changsha Power Supply Company，Changsha 410015，China)

This paper introduces the accident and emergency treatment process of a certain substation.In order to improve the operation reliability of substation equipment，the main causes of the failure and the incipient fault of the DC system are analyzed，and some anti-accident measures against this type of fault are proposed in order to farther improve the reliable operation level of substation equipments.

DC system；charging device；fault analysis；emergency treatment；anti-accident

TM732

B

1008-0198(2017)04-0065-04

陈达文(1986)，男，工程师，工学硕士，研究方向为智能变电站运维、直流电源系统技术。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.04.019

2017-01-22 改回日期:2017-05-10

胡敏(1984)，女，工程师，工学硕士，研究方向为电力系统继电保护及自动化技术、直流电源系统技术。