过电压保护器绝缘击穿引起短路事故分析

杨立斌，李瑞远，李春丽

(中盐吉兰泰盐化集团有限公司，内蒙古 阿拉善 750306)

1 事故经过

中盐吉兰泰盐化集团有限公司高分子公司糊树脂变电站有两台容量为16 000 kV·A，额定电压为35/10 kV的主变压器(以下简称“主变”)带两段母线分段运行，10 kV母联断路器正常运行时处于热备用状态，并配置无扰动装置，以实现快速切换。2019年3月25日15：29，糊树脂变电站电气监盘人员发现10 kVⅠ段母线所带的1#循环水泵电动机以及1#主变高、低压侧断路器均报电流速断保护动作跳闸。经检查发现：1#主变保护装置差动速断、比率差动、本体重瓦斯及油位低限告警同时动作，10 kV母联断路器无扰动装置闭锁，糊树脂变电站10 kVⅠ段母线失电，引起系统局部停车。事故后，经现场检查发现：糊树脂变电站跳闸的1#循环水泵高压开关柜后观察窗口玻璃破碎，柜内过电压保护器B、C相炸裂，1#主变压力释放器动作并有大量变压器油喷出。因此，高分子公司糊树脂变电站对1#主变进行了预防性试验，试验结果为：1#主变高压侧对地绝缘为零，低压侧对地绝缘为∞；主变变比测试C相绕组短路，A、B相变比与实际相差较大，初步诊断1#主变高压侧绕组烧毁。

2 事故过程中的电气保护及运行数据

(1)继电保护及运行数据如表1所示。

表1 继电保护及运行数据Table 1 Relay protection and operation data

(2)调查糊树脂变电站无扰动装置在事故后处于闭锁状态，属于正常状态。当无扰动装置检测到有故障电流时，装置自身的大电流闭锁而不向母联断路器发出合闸指令，可以防止将故障母线并入系统而避免将事故扩大[1]。

(3)1#循环水泵高压开关柜内过电压保护器预防性试验结果表明：糊树脂变电站电气试验人员按照DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》[2]中的试验标准于2017年4月15日对该次故障的过电压保护器进行了泄漏电流试验，泄漏电流为35 mA，未超过标准值50 mA。但是，将该台炸裂的过电压保护器与另外一个生产厂家的过电压保护器进行对比，发现其内部的氧化锌阀片直径和厚度均达不到标准，且每相绝缘套管内安装的氧化锌阀片数量也相对减少了一半。该台炸裂的过电压保护器的每相绝缘套管内仅安装2组氧化锌阀片，而另外一个生产厂家的过电压保护器每相绝缘套管内安装4组氧化锌阀片。

(4)1#主变巡检记录及其预防性试验结果表明：各项巡检数据正常，预防性试验中的直流电阻、绝缘电阻以及变比试验的各项数据合格，因此判断1#主变在事故前运行正常。

3 事故分析

3.1 事故原因分析

(1)糊树脂变电站1#循环水泵高压开关柜内过电压保护器B、C相绝缘击穿短路，短路故障导致在1#主变35 kV高压侧产生了一个高于主变额定电流17倍的短路电流。较大短路电流的冲击使1#主变高压线圈发生严重畸变和崩裂，同时较大的短路电流使线圈瞬间发热高温，从而导致变压器在极短的时间内烧毁。

(2)糊树脂变电站1#循环水泵高压开关柜内三相组合式过电压保护器自身质量较差，设计及质量存在缺陷，在系统正常运行电压下绝缘击穿，发生B、C相短路故障。

3.2 暴露出的问题

(1)高分子公司电力系统在最大运行方式下运行时，糊树脂变电站10 kV系统、35 kV系统短路电流较大。当在糊树脂变电站10 kV配电室内发生两相或者三相断路器时，由于断路器点距离主变较近，在系统短路电流较大时极易发生类似该次主变绕组烧毁的重大设备事故。

(2)糊树脂变电站1#循环水泵高压开关柜内三相组合式过电压保护器自身质量较差、选型不对。调查发现该台过电压保护器于2014年投用，2017年试验数据合格，该次事故前，高分子公司35 kV系统电压为35.27 kV,10 kV系统电压为10.1 kV，系统运行电压平稳，未发生异常波动和过电压。因此认定，该台过电压保护器绝缘击穿的根本原因为自身质量和设计问题。

(3)糊树脂变电站电气操作人员的业务技能较差，对事故的判断和处置不够及时。该次事故发生40 min以后，糊树脂变电站电气人员才判断1#主变绕组烧毁，恢复了变电站的供电，并将事故原因汇报至高分子公司总调度。在该次事故中，1#主变的两个主保护重瓦斯保护和差动保护均已经动作，况且现场变压器油已经喷出，可以明确断定1#主变已经烧毁。电气操作人员应该及时将1#主变转至检修状态，并将10 kV母联断路器合闸，由2#主变带10 kV两段母线运行，及时恢复变电站供电。

4 防范措施

(1)给糊树脂变电站主变低压侧增加限流装置，限制主变近区的短路电流，防止主变烧毁事故的再次发生[3]。截止目前，技术成熟且应用较为广泛的限流方案主要有以下3种：①在主变低压侧串联电抗器；②在主变低压侧串联大容量快速开关；③将大容量快速开关和电抗器并联后再串联接入主变低压侧。以上3种限流方案从稳定性和经济性上考虑，方案③为最佳。因为将大容量快速开关和电抗器并联后再串联接入主变低压侧进行限流，在系统正常运行状态下，电抗器被大容量快速开关短接时，工作电流只通过大容量快速开关，电抗器中不经过电流也就不会产生损耗。只有在系统发生短路故障时，大容量快速开关快速动作分闸将电抗器投入运行，以避免短路电流保护变压器受冲击而被烧毁。

(2)将糊树脂变电站10 kV高压柜内的三相组合式过电压保护器重新选型，更换为质量较好的无间隙型氧化锌避雷器，并配置安装避雷检测器，实时监测避雷器运行的全电流和动作情况，为运行和检修人员的巡检和检修工作，以及对异常情况处理提供可靠准确的数据，及时掌握避雷器的绝缘情况，杜绝因三相组合式过电压保护器自身结构存在质量缺陷而导致相间短路爆炸事故的发生。糊树脂变电站所用的是带串联间隙的“四星形”接线方式的过电压保护器。

由于加入火花间隙对氧化锌阀片单元进行了保护，使氧化锌电阻的荷电率为零。虽然提高了产品的使用寿命，但有火花间隙存在，很难做到相对可靠和稳定且存在冲击系数，所以对高频操作过电压起不到很好的限制作用。另一方面，由于有间隙的存在，在正常状态下氧化锌阀片无法形成监测回路，也无法测试氧化锌阀片是否受潮或老化，即使做直流泄漏电流试验，也无法判别氧化锌阀片的质量。假设过电压保护器氧化锌阀片已经受潮或老化，但只要放电间隙正常，做工频放电试验也会合格。这就是过电压保护器平时做试验时合格而在使用过程中却发生绝缘击穿故障的原因。

(3)加强电气操作人员的专业技能，提高事故处理能力。电气操作人员是电气事故发生后现场紧急处置的第一责任人。电气事故处置的原则，首先是要快速限制事故的发展，隔离故障点，然后在事故被限制并趋于正常稳定状态时，应设法合理调整系统运行方式，并尽快让系统恢复供电。而事故处置人员的专业技能则决定了事故处置的准确性和及时性，在现场事故处理过程中，也不乏存在因电气操作人员专业技能较差导致处置不当而引起误操作事故及扩大事故的情况。因此，强化电气操作人员的专业技能是提高企业电气事故应急处置能力的根本途径。

5 结语

随着氯碱企业规模、产量的扩大，企业电力系统用电负荷和短路电流增加的同时，因系统短路电流较大导致变压器、发电机等大型电力设备烧毁事故发生的概率也随之增加。因此，氯碱企业要确保电力系统运行的稳定性，就必须从抑制系统短路电流和增加电力设备可靠性两个方面进行预防。在10 kV电力系统中，建议使用避雷器和六柱全相双安全保护装置取代三相组合式过电压保护器运行，以达到消除系统过电压和避免过电压保护器自身的绝缘被击穿。