大型水电站高压厂用变压器低压侧短路故障过程分析

(1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610000； 2.四川管理职业学院，四川 成都 610000)

1 工程概况及高压厂用变压器保护配置情况

锦屏一级水电站位于四川省凉山州盐源县和木里县境内，安装6台单机容量600MW的混流式水轮发电机组，年平均发电量为166.2亿kW·h。电站主接线采用发电机变压器的单元接线，发电机与主变之间有断路器。500kV侧采用43与双断路器混合接线的接线方式，其中双断路器为预留。三条出线至西昌裕隆换流站，变为750kV的直流送至华东，实现了西电东送。

高厂变保护配置情况表

2 短路跳闸故障及现场排查

2.1 高厂变差动保护动作情况

2016年11月1日，监控信号显示：安装间10kV 901M/902M联络刀闸90102G柜报Ⅱ母母线接地报警；二号机组主变保护A屏厂变差动跳闸报警；二号机组主变保护B屏厂变差动跳闸报警；二号机组主变保护A屏厂变差动跳闸复归；二号机组主变保护B屏厂变差动跳闸复归。

2.2 跳闸故障现场排查

经现场检查，二号机组两套主变保护动作报告显示：差动电流10.70Ie，制动电流5.35Ie，跳闸出口正确。保护装置采样及回路正确。

现场检查高厂变一次设备运行情况时，发现2号高厂变低压侧10kV电缆头(高厂变低压侧与10kV开关之间)单相放电引起电缆着火，使电缆头绝缘严重烧损。

调取2号母线洞工业电视视频，发现在保护动作前几分钟2号高厂变内部发出了火光，将高厂变顶部10kV电缆终端附近的胶垫引燃，然后持续燃烧直至保护动作跳闸(见图1、图2)。

图1 厂高变内低压侧电缆布置接线情况(红圈为故障区)

图2 故障后电缆头烧损情况(红圈内为故障相接地点)

3 跳闸故障原因分析

3.1 电压谐振波形分析

现场检查调取数据时，发现高厂变差动保护动作前高厂变低压侧波形有畸变(见图3)。根据图3波形数据分析，故障期间2号高厂变低压侧三相电压及零序电压最大瞬时值均超过100V，含有大量高次谐波，且故障过程中10kV二段PT柜内微机消谐装置投入动作。初步分析认为，此故障期间由于10kV电缆终端绝缘被烧损，导致电缆对地容抗参数发生变化，满足谐振触发条件进而发生高频谐振。微机消谐装置投入后，谐振消失，电压恢复正常。

图3 2号高厂变低压侧电压谐振波形

3.2 高厂变低压侧短路故障分析

由于运行值班人员在故障发生后、保护跳闸前期间拉开了2号高厂变低压侧10kV开关，此后的故障期间无法直接从故障录波装置上查看到2号高厂变低压侧的故障电压和故障电流，只能通过2号高厂变高压侧电流推算低压侧故障电流。

随着故障进一步发展，2号高厂变高压侧三相电流(二次值)急剧增大，分别为IA=6.7A∠82°，IB=3.3A∠-97°，IC=3.3A∠-97°。根据Y.d11联接中高低压侧电流关系，可计算2号高厂变低压侧三相电流(二次值)分别为Ia=[500×20×(IA-IB)]/(1.732×10.5×750)=7.35A∠82°，Ib=[500×20×(IB-IC)]/(1.732×10.5×750)=0A∠0°，Ic=[500×20×(IC-IA)]/(1.732×10.5750)=7.35A∠-102°，即2号高厂变低压侧A、C相电流大小相等，相位相反，B相电流为0，与不接地系统两相短路故障特征完全吻合。随着时间推移，2号高厂变高压侧三相电流(二次值)发生了变化，分别为IA=6.4A∠-6°，IB=6.0A∠-128°，IC=6.0A∠115°，同理可以计算出2号高厂变低压侧三相电流(二次值)分别为Ia=7.96A∠21°，Ib=7.96A∠-101°，Ic=7.96A∠141°，即2号高厂变低压侧A、B、C三相电流大小几乎相等，呈正序120°关系，且略大于两相短路电流值，这与不接地系统三相短路故障特征完全吻合。 图4为2号高厂变低压侧机间短路故障波形。

图4 2号高厂变低压侧相间短路故障波形图

3.3 高厂变低压侧相间短路电阻计算

由2号高厂变铭牌参数可知，高厂变容量S=9.45MVA，短路阻抗标幺值XT=0.079，低压侧额定电压Un=10.5kV，则2号高厂变低压侧发生金属性短路时，其短路阻抗有名值X1=XTUn2/S=0.079×10.5×10.5×106/(9.45×106)=0.92Ω。

当2号主变低压侧发生三相短路时，其高压侧故障电流标幺值Ik(3)=6.0A×500/273=11，可计算出短路阻抗标幺值XT=1/Ik(3)=1/11=0.091，则短路阻抗有名值X1=XTUn2/S=0.091×10.5×10.5×106/(9.45×106)=1.06Ω。

由上述计算可知，当2号高厂变低压侧发生三相短路故障时，其短路电阻与发生三相金属性短路时电阻相当，因此可以判断2号高厂变低压侧发生了三相金属性短路故障。

4 分析结论

经讨论分析，此次故障的根本原因是高厂变厂家设计的变压器低压侧电缆安装固定方式不合理，安装接线方式不合理，电缆头位安装工艺不到位,电缆主绝缘外层屏蔽未按照厂家工艺要求延伸至一定尺度的应力锥段,造成电缆导体在箱体开孔位置的电场严重畸变，另外电缆设计布置的弯曲度过小，进一步加重了该处电场的畸变,导致该位置在带电后出现局部放电,达到一定程度后绝缘严重下降,产生高频谐振后放电击穿,经历A相接地，A、C两相短路，最终导致三相短路故障后高厂变差动动作跳开发电机出口开关。

5 结 语

锦屏一级水电站短路跳闸故障发生后，进行了认真分析，找出了发生此次故障的原因，举一反三，对工程全部同类设备进行检查，发现问题彻底整改。

此次事故提醒我们，高压设备的稳定运行与各个环节密切相关，不仅设计时应考虑周全且留有充分裕度，在安装过程中也应该严格按照工艺执行并加强检查监管验收，避免留下设备安全隐患，发生类似设备故障。