某供电局5座35 kV变电站失压事故原因仿真计算分析

柴晨超，刘红文，邓正东，张春丽，黄继盛，贺飞

（1. 云南兆讯科技有限责任公司，云南 昆明 650217；2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217；3. 云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南 楚雄 675000；4. 云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650217；5. 云南电网有限责任公司临沧供电局，云南 临沧 677000）

0 前言

雷电是自然大气中超强、超长放电现象。雷电发生时，其强大的电流、炽热的高温、猛烈的冲击波、剧变的电磁场，以及强烈的电磁辐射等，给人类社会带来极大的危害，造成人员伤亡、起火爆炸、严重损失[1]。雷电灾害被联合国国际减少自然灾害十年（IDNDR）公布为“十种最严重的自然灾害之一”。无论从造成的伤亡人数，还是从所造成的财产损失，雷电灾害都已成为我国的主要自然灾害之一[2]。雷电灾害的危害程度和经济损失以及社会影响越来越大[3]。近年来，随着闪电探测手段的提高和雷电防护技术的日趋进步，科技工作者对闪电形成机制、特征、活动规律、雷电灾害及防御进行了大量分析研究[4-6]。

10 kV 架空线路绝缘水平低，基本不配置避雷线，大部分电杆自然接地，耐雷水平较低，雷击跳闸故障频繁，雷击已成为10 kV 架空线路跳闸故障的主要原因之一[7]。用于10 kV 架空线路防雷的措施众多[8]，如放电间隙[9]、防雷绝缘子[10]、多腔室吹弧防雷装置[11]，但目前使用量最大的措施为避雷器，导致线路整体耐雷水平提升有限。云南某供电局在2020 年2 月28 日出现强烈雷电，发生5 座35 kV 变电站母线失压事故，本文对该次事故进行仿真分析，将此实际应用案例加以总结提炼，以对后续变电站失压事故应用工作开展提供参考借鉴。

1 事件概述

2020 年2 月28 日03 时04 分，110 kV SHB 变#1 主变中后备保护动作，#1 主变35 kV侧301 开关跳闸，SHB 变35 kV Ⅰ母失压，35 kV ANS 变、EJ、YL 变、ALB 变、普龙变失压。110 kV SHB 变35 kV I 段母线电磁式电压互感器B 相损坏，110 kV SHB 变35 kV I 母线PT、35 kV ANS 变母线PT、EJ 母线PT、YL 变母线PT、ALB 变母线PT 熔断器三相熔断。

经现场故障设备解剖及仿真计算推断该事件原因如下：

35 kV ANS 线、35 kV YL 线(分别给ANS变和YL 变供电) 遭受多次雷击，造成绝缘子发生多次闪络，110 kV SHB 变35 kV I 段母线电磁式电压互感器B 相N 端对地绝缘破坏。因35 kV EJ、YL 变未安装消谐器，110 kV SHB变35 kV I 段母线系统多次遭受雷击绝缘子闪络接地恢复，激发铁磁谐振，铁磁谐振引起110 kV SHB 变35 kV I 母线PT、35 kV ANS 变母线PT、EJ 变母线PT、YL 变母线PT、ALB变母线PT 熔断器三相全部熔断。110 kV SHB变35 kV I 段母线PT 熔断器熔断瞬间，产生操作过电压，造成A 相熔断器上端头沿A 相PT沿面闪络，引起A、B 相弧光短路，进一步发展成A、B、C 三相弧光短路。最终1 号主变保护1、保护2 和35 kV 侧过流速断保护动作跳开35 kV 侧301 开关。

2 现场设备检查情况

2.1 35 kV电磁式电压互感器

经现场外观检查发现110 kV SHB 变35 kV I 段母线A 相PT 有对地沿面闪络痕迹，B 相PT底部有对地放电碳化痕迹，B 相PT 解体后发现一次N 端引出线有放电痕迹，如图1 所示。

图1 10 kV SHB变35 kV I段母线故障痕迹

2.2 35 kV电磁式电压互感器用熔断器

现场检查110 kV SHB 变35 kV I 母线PT、35 kV ANS 变母线PT、EJ 母线PT、YL 变母线PT、ALB 变母线PT 熔断器全部三相熔断。

解体110 kV SHB 变35 kV I 段母线电磁式电压互感器用熔断器，如图2 所示，发现A、B、C 三相熔断器骨架上熔丝接触点有明显碳化痕迹，沿熔丝方向沙粒部分碳化。表现为长时间通过小电流发热熔断，熔断器小电流熔断与切断空载电感电流相似，容易截流及重燃，产生操作过电压。

图2 PT熔断器熔丝接触部分骨架碳化

3 仿真计算分析

3.1 仿真参数

35 kV ANS 变出线2 仅5 m 电缆，建模时忽略；35 kV EJ 变含1 条出线，其线缆型号及长度未知，仿真设置为10 km，型号为LGJ-120/20。各线路数据如表1 所示。母线电压互感器因无准确励磁特性曲线，统一设置为UMEC transformer 饱和特性模型；消谐器模型：35 kV ALB 变为LXQ（D）II-35 消谐器的伏安特性；35 kV ANS 变为LXQ-IV-35 消谐器的伏安特性，数据如表2 所示。

表1 线路导线型号及长度

表2 母线电压互感器及消谐器

3.2 对比仿真分析

仿真设置雷电流为8/20 标准50 kA 雷电流，在0.1 s 时线路遭受雷击，0.8 s 时绝缘子闪络接地，接地时间为0.2 s。

110 kV SHB 变35 kV I 母PT 电流波形及母线电压波形如图3-4 所示。

由图3～4 可以看出，0.1 s 时刻，线路遭受雷击，雷电过电压为120 kV，在避雷器残压范围内。从零序电压看雷击线路系统未发生谐振，0.1 s～0.8 s 之间PT 电流峰值三相相差不大，最大电流峰值为1.2 A；0.8 s 时刻，绝缘子闪络接地，1 s 时接地故障消失，接地故障消失后激发了稳定的1/2 分频谐振；A 相接地时间段，接地时刻B、C 相饱和电流峰值最大达4.5 A，谐振时间段，PT 电流三相相差不大，有一定周期性，最大峰值电流为3.1 A。

图3 110 kV SHB变35 kV I母PT电流

图4 110 kV SHB变35 kV I母电压

增加110 kV SHB 变35 kV I 母PT 消谐器后，仿真计算110 kV SHB 变35 kV I 母PT 电流波形及母线电压波形如图5～6 所示。

图5 110 kV SHB变35 kV I母PT电流

由图5～图6 可以看出，从零序电压来看在0.1 s～0.8 s 之间未发生铁磁谐振，接地故障时刻电流B 相峰值最大为2.7 A，接地相PT 电流较小；0.8 s 时刻，绝缘子闪络接地，1s 时接地故障消失，接地故障消失后激发了不稳定1/2 分频谐振，持续时间为0.45 s；谐振时间段，PT 电流三相相差不大，最大峰值电流出现在接地消失时刻为3 A。

图6 110 kV SHB变35 kV I母电压

增加所有变电站PT 碳化硅消谐器后，仿真计算110 kV SHB 变35 kV I 母PT 电流波形及母线电压波形如图7～8 所示。

图7 110 kV SHB变35 kV I母PT电流

图8 110 kV SHB变35 kV I母电压

由图7～8 可以看出，从零序电压看在0.1 s～0.8 s 之间未发生铁磁谐振，接地故障时刻电流B 相为2.7 A，接地相PT 电流较小；0.8 s时刻，绝缘子闪络接地，1 s 时接地故障消失，接地故障消失后激发了不稳定1/2 分频谐振，持续时间为0.06 s；谐振时间段，PT 电流三相相差不大，最大峰值电流出现在接地消失时刻为3.4 A。

3.3 PT碳化硅消谐器过电压仿真分析

110 kV SHB 变35 kV I 段母线及连接的35 kV 变电站运行有两种型号的消谐器：

1）LXQ（D）II-35 型消谐器；

2）LXQ-IV-35 型消谐器。仿真计算消谐器上过电压如图9～10 所示。

图9 LXQ（D）II-35型消谐器电压

图10 LXQ-IV-35型消谐器电压

由图9～10 可以看出，在0.8 s～1.0 s 接地与接地消失时刻，LXQ（D）II-35 型消谐器接地恢复时刻过电压最高为9.8 kV，接地时间段的工频过电压为6 kV，LXQ-IV-35 型消谐器接地恢复时刻过电压最高为7.1 kV，接地时间段的工频过电压为4.9 kV。35 kV 电磁式电压互感器N 端设计工频耐受电压为5 kV。表明LXQ（D）II-35 型消谐器在系统出现暂态过程中N端较LXQ-IV-35 型消谐器易损坏。

4 事故原因及建议

4.1 事故原因

通过分析现场检查资料、试验及计量终端数据，结合仿真分析判断事故原因为：

35 kV ANS 线、35 kV YL 线遭受多次雷击，造成绝缘子发生多次闪络，110 kV SHB 变35 kV I 段母线电磁式电压互感器B 相N 端对地绝缘破坏。因35 kVEJ、YL 变未安装消谐器，110 kV SHB 变35 kV I 段母线系统多次遭受雷击，绝缘子闪络接地、恢复，激发铁磁谐振，铁磁谐振引起110 kV SHB 变35 kV I 母线PT、35 kV ANS 变母线PT、EJ 变母线PT、YL变母线PT、ALB 变母线PT 熔断器三相全部熔断。110 kV SHB 变35 kV I 段母线PT 熔断器熔断瞬间，产生操作过电压，造成A 相熔断器上端头沿A 相PT 沿面闪络，引起A、B 相弧光短路，进一步发展成A、B、C 三相弧光短路。最终1 号主变保护1、保护2 和35 kV 侧过流速断保护动作跳开35 kV 侧301 断路器。

4.2 建议

1）35 kV EJ、35 kV YL 变未安装消谐器，在当前运行方式下，如发生接地故障，系统可能再次发生铁磁谐振；建议35 kV EJ、YL 变母线PT 加装消谐器，使用时应注意全绝缘PT 使用SiC 消谐器，如发生电磁式电压互感器加装SiC 消谐器后，引起互感器N 端绝缘损坏，宜使用二次消谐器。

2）110 kV SHB 变35 kV I 母所供变电站系统发生过铁磁谐振，且引起熔断器熔断；建议检查35 kV ANS 变母线PT、ALB 变母线PT 绝缘是否良好。

3）35 kV ALB 变PT 采用西安西电华源电瓷电器厂RXQ-35，因长期在户外运行，建议检查该消谐器功能是否良好。

4）熔断器在小电感电流下熔断时极易产生操作过电压，建议选用多断点式或采用集肤效应熔断机理的熔断器，如采用优质厂家的产品（浙江博达、西安库柏等）。

5 结束语

通过仿真分析看出：

1） 在110 kV SHB 变35 kV I 母、35 kV EJ、35 kV YL 变母线PT 没有消谐器的情况下，发生单相接地故障易引发谐振。系统处于谐振状态时，没有消谐器的PT 谐振电流峰值约为3.1 A，装有消谐器的PT 谐振电流约为2.8 A。表明：铁磁谐振时各变电站电磁式互感器一次绕组的电流大小相差不大，怀疑铁磁谐振是引起5 个变电站熔断器熔断的原因。

2）增加110 kV SHB 变35 kV I 母碳化硅消谐器后，谐振得到了有效控制，不在发生稳定的铁磁谐振，谐振持续时间仅为0.4 s。增加110 kV SHB 变35 kV I 母、35 kV EJ、35 kV YL 变母线PT 消谐器后，谐振时间仅为0.06 s，根据行业标准零序电压振荡时间小于1 s，认为消谐良好。

3）单相接地故障时：故障相PT 励磁电流较小，不会在短时间内引起多个变电站熔断器三相同时熔断。铁磁谐振时PT 三相电流同时增大且呈现一定周期性，能引起三相PT 熔断器在短时间内熔断。

4）从仿真来看，采用50 kA 的标准雷电流，雷击线路后未有效激发出持续的铁磁谐振，可以看出雷击线路引起谐振的概率较接地故障小。但此次铁磁谐振直接原因不能排除雷击（雷击绝缘未闪络），结合小电流选线系统多次报接地故障，怀疑此次铁磁谐振由雷击引起绝缘子对地闪络故障引起。

5）从仿真来看，接地恢复时刻LXQ（D）II-35 型消谐器过电压为9.8 kV，而35 kV 电磁式电压互感器N 端设计工频耐受电压为5 kV。怀疑110 kV SHB 变35 kV I 母PT 尾端绝缘破坏是由于系统多次接地恢复产生的过电压引起。