10 kV高压设备短路故障分析及应对措施.pdf

82第 46 卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.46No.10Oct.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 概述水力发电系统的组成结构和运行环境比较复杂，存在较多的客观原因和不可控因素会引起电力系统出现故障，增加了发生安全事故的概率，同时还会造成经济损失。造成电力系统短路情况的主要原因在于相与相或者相与地之间绝缘被破坏，形成非正常低阻抗通路，这种现象也称为短路故障。短路故障所产生的短路电流较大，并且发热严重，进而引起用电设备出现不同程度的损坏。当短路位置与电源之间的距离较近时，随着短路时间的增加，电力系统中的各个机组不能在同一时间启动运行，系统的整体稳定性降低。甚至可能出现发电机组损坏的情况，进而导致整个电力系统崩溃。为了避免高压设备由于短路故障造成破坏，需要对短路故障进行检测，并及时采取有效措施进行故障排除，从而保证配电网络的安全稳定运行。2 1 0 k V高压设备短路故障问题类型常见的短路故障包括三相短路、单相短路、两相短路和两相接地短路四种。三相短路指的是三相导体间的短路，是一种对称性短路。三相短路如图 1 所示。两相短路指的是系统中任意两相导体间的短路，是一种不对称短路。两相短路如图 2 所示。图 1 三相短路图 2 两相短路单相短路是指供配电系统中任一相与接地点或接地发生的短路，如图 3 所示。图 3 单相短路两相接地短路是指中性点不接地系统中任意两相发生单相接地而产生的短路，如图 4 所示。收稿日期：2023-08-17作者简介：韩一鸣（1994-），男，助理工程师，从事电力工程与管理工作。1 0 k V高压设备短路故障分析及应对措施韩一鸣1，程国莉2（1.广东省能源集团贵阳抽水蓄能发电有限公司，贵州 贵阳 550000；2.天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 黔西 562400）摘 要：电力系统中的短路故障对高压设备具有较大影响，需要进行提前预防，并采取一定的措施。本文对变电站短路故障的原因进行分析，提出具有针对性的预防措施，希望能够帮助减少高压电网设备的短路故障频率，降低危害，提高电力系统的稳定性。关键词：高压设备；设备短路；故障分析；预防措施中图分类号：TM855文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）10-0082-03D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.10.02583第 46 卷水 电 站 机 电 技 术图 4 两相接地短路在电力系统中，发生单相短路的概率最大，大约占到故障发生总数的 80%1；而三相短路的发生概率较低，但危害最大。对于 10 kV 高压设备而言，常见的短路故障主要包括非金属性短路故障和金属性短路故障。其中非金属性的短路故障指的是故障点电阻为零时所产生的故障。这种故障的特点是短路电流较小，持续时间较长，从而引起电力系统的局部位置的稳定性降低，同时对整个电力系统的安全产生威胁。金属性短路故障指的是金属导线之间出现连接或者接触而产生短路情况。金属短路的特点是会导致短路点一定范围内的线路电阻值快速降低到零，并且还会出现明显的电压波动。3 1 0 k V高压设备短路的危害在电力系统中，高压设备出现故障的概率非常低，但是一旦出现短路故障，造成的危害却非常严重。短路故障所造成的危害主要包括以下几点：（1）电力系统中出现短路时，所产生的电弧对用电设备危害较大，甚至会直接烧毁设备，并对工作人员的生命安全产生危害；（2）短路故障产生的短路电流非常大，并伴随严重的发热情况，严重威胁用电设备和导体；（3）电力系统中出现短路故障时，整体电压降低，无法正常供电，用户用电遭到限制；（4）短路故障会造成发电机组的运行稳定性降低；（5）当短路故障不对称时，所产生的交变磁场不平衡，会干扰性整个系统。4 防范 1 0 k V高压设备短路的具体措施 4.1 从绝缘材料的选择上进行防范对于 10 kV 的高压设备而言，其内部结构比较复杂，包含了较多的细小零件，为了保证设备的品质，零件材料选取非常重要。选取的条件主要包括两个方面，其一是所选材料必须具有良好的绝缘性，并且耐用性好，整体性能高。采用性能良好的材料从而提高高压设备的安全性和可靠性。其二，所选材料需要结合使用环境的气候等因素，根据实际情况选取最合适的材料类型，从而提高高压设备的稳定性和可靠性，使其能够在后续的工作过程中保持良好的运行状态。如 1261 100 kV 盆式绝缘子2、绝缘法兰、绝缘拉杆、绝缘支持件、绝缘筒台、绝缘板等产品广泛用于国内中大型高压开关。4.2 从外部环境方面进行防范通常情况下，10 kV 高压设备的工作环境比较恶劣，出现短路故障的可能性大。需要对外部环境进行监测和控制，从而降低高压设备的短路故障概率。可以通过 RJ145、MODBUS 等总线通信协议以及远程监控和自动报警控制技术对电力高压设备的运行参数进行实时监控3，包括虚拟曲线、电子地图等数字化的监控界面，能够实现实时监控和报警。4.3 从爬电比距的选取上进行防范对于高压设备而言，爬电比距是一项重要的参数，对设备的稳定性具有直接的影响，所以，爬电比距的选取十分重要。在实际运行过程中，工作人员需要根据工作环境，工作需求，选取最合适的值。当没有特殊要求时，其选取范围通常为在 522 mm/kV之间4；当有特殊施工工艺要求时，则根据具体需求选取合适的参数，从而保证高压设备的绝缘性足够好，进而减少短路故障的发生。4.4 从继电保护装置性能方面进行防范继电保护装置的选取需要根据实际电网需求进行配置，与此同时，对于已有的继电保护装置，还需要对其进行优化和维护，从而保证整个高压电网系统的稳定性。除此以外，高压设备的电气容量需要实时关注，并根据实际情况对继电保护装置进行升级换代或者对参数进行更改，从而满足不同的工作环境要求。在电力系统中，常见的继电保护方式为三段式短路保护，即段过流保护，段限时电流速断保护及定时限过流保护，段组合式保护。对继电保护装置而言，要求具备选择性、速动性、灵敏性和可靠性 4 个特点，才能在出现短路故障时迅速发生跳闸动作。就速动性而言，在实际工作过程中，由于一些中低压电力元件能够通过延时保护来切除故障，所以在速动性要求方面需要结合实际需求而定。而灵敏性指的是保护装置的反应能力。除此以外，在结构上，继电保护装置还需具备简单、精细以及可靠的特点，从而避免产生较大的误差。4.5 从安全用电方面进行防范由于高压设备的安装和使用对于电气安全具有较高的要求，所以对于工作人员的电气安全技能要求较高。在施工过程中，不仅要保障开关柜导体接84第 46 卷水 电 站 机 电 技 术地，保证完全按照工艺标准进行施工，而且相间空气间隙和对地空气间隙的值要必须大于 125 mm5。除此以外，当电网系统比较复杂时，用电设备之间的绝缘性要求更高，尤其是高压设备。4.6 从配电线路的管理上进行防范对于高压设备，管理人员需要对其进行定时，定期或者有计划的巡视，并进行维护和管理，关注高压设备的负荷情况，确保高压设备能够保持在稳定运行状态。4.7 从制度的建设和落实上进行防范由于管理人员需要根据企业规章制度执行工作，所以企业制度不仅要健全，另外还要合理，充分考虑工作过程中可能出现的情况，做好紧急预案的同时完善好各个细节。除此以外，开展事故演习，能够让工作人员熟悉事故处理环节，同时提高工作人员的反应能力。4.8 从技术人员的技能上进行防范通过培训提高技术人员的业务能力和水平，如应该有完善的巡线机制和应急机制并落实；然后对整个线路进行管理，能够故障出现的短时间内完成故障的发现、排除以及恢复等工作。最后还需建立档案对运行过程数据以及技术信息等进行记录6。5 短路故障分析及应对措施案例以某变电站故障为例，其一次接线图如图5所示。通过分析短路电弧状态可知，412 输送线 1 在运行过程中，发生相间的短路，导致 35 kV 全失压，进而发生短路故障。通过现场分析故障点为 412 结点短路，母线室的底部有电弧痕迹，并且 412 与 413和 414 的三相之间具有电弧放电点。将回路的母线一级短路器和各个出线部分的断路器与母线进行连接，对整体进行耐压测试，该变电系统测试耐压试验合格，并未被击穿。而 412 节点位置在进行耐压测试没有通过测试，在达到 1.85 kV 的时候形成了放电回路，通过分析为母线室的金属铠甲与其连接部分实现放电回路。考虑到事故发生时还存在相间短路的故障情况，因该站 10 kV 系统为不接地系统，可能存在设备相间距离不足，当故障相完全接地时，非故障相电压升高 3 倍或接地电弧在燃灭过程引发的弧光接地，过电压导致非故障相电压升高 3.253.35 倍，从而测试相间击穿放电的可能性。故对相间也进行了耐压绝缘试验，试验结果合格未击穿。针对分析提出以下防范对策：在进行接地设置时，消弧线圈接地应选用具备电流显示功能的接地系统，设备定检时加强对开关设备及接头的检查，发现放电回路及时处理。通过试验查找设备爬电间隙薄弱之处。应该重视阻燃材料的选择，进而提高电网高压开关柜的绝缘性能，同时也可以选择小电阻接地的方式，减小系统短路所造成的影响，在发生短路时起到良好的切除隔离作用。6 结语由上述可知，通过对 10 kV 高压设备的重要性进行分析，找出现阶段高压设备安装存在的主要问题，提出相应的解决措施，降低用电安全事故的发生，使高压设备的安全性和稳定性得到保证，促进电力行业的发展。10 kV 配电线路客观的存在着线路复杂及电气设备多样化的现实问题，而高压设备通常受外部环境、人为因素的影响极易引起短路故障，危害整个电网安全。因此，作为工程技术人员在进行 10 kV 高压设备的施工过程中，应明确故障原因并从多个角度进行防范，实现电网系统的安全运行。参考文献：1李宗峰，郭祥富，范敏，等.基于融合模型的单相接地故障类型辨识方法 J.重庆大学学报，2022，45（9）：61-72.2罗传胜，伍任能，方番，等.高压开关柜固体绝缘材料的热解特性分析 J.中国科技信息，2021（24）：65-67.3曲向华，李博.电力通信机房动力及环境监控系统研究与设计 J.自动化技术与应用，2019，38（10）：152-155.4孙轩，王伯燕，谢淑丽，等.电气间隙与爬电距离试验能力验证探讨 J.家电科技，2022（S1）：745-747.5易壮成，易俊融.空间电气间隙与爬电距离包含通过圆弧面的路径时的数学建模与求解 J.日用电器，2023（5）：85-90.6王众，惠智明，梁栋.配电变压器在线监测在配网管理中的应用分析 J.前卫，2021（28）：148-150.图 5 某变电站一次接线图