电压互感器柜内过电压保护器烧损事故分析及反措建议_李谦

doi：10.3969/j.issn.1007-290X.2013.01.021
收稿日期：2012-06-11电压互感器柜内过电压保护器烧损事故分析及反措建议
李谦，肖磊石
（广东电网公司电力科学研究院，广东广州510080）
摘要：对广东电网公司揭阳供电局220kV铁山变电站2号主变压器低压绕组电压互感器柜内过电压保护器烧损事故进行分析，指出雷电波经10kV馈线侵入10kV高压室是事故的诱因，而电压互感器柜内组合式过电压保护器结构设计缺陷引发相间短路则是造成事故扩大的主要原因，变电站出线电缆终端避雷器和终端塔地网的不可靠也是导致事故发生的原因之一。

针对该典型事故折射出10kV配电网防雷和过电压管理上存在的问题，提出具体的反措建议。

关键词：配电系统；主变压器；电压互感器；雷电过电压保护
中图分类号：TM862.1文献标志码：B文章编号：1007-290X（2013）01-0093-05
Accident Analysis and Countermeasures Suggestion for Over Voltage Protector Overburning in Voltage Transformer Cabinet
LI Qian，XIAO Leishi
（Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou，Guangdong510080，China）
Abstract：This paper analyzes overburning accident of over voltage protector in low voltage winding voltage transformer cabinet of No．2main transformer in220kV Tieshan substation of Jieyang power supply bureau of Guangdong power grid corporation and points out the incentive of the accident is intrusion into10kV high voltage chamber of thunder and lightning through10kV feeder which the main reason for expansion of the accident is phase fault caused by design defects of combined type over voltage protector in voltage transformer cabinet．Meanwhile，unreliability of terminal arrester and tower counterpoise of substation outlet cable is an-other reason for the accident．Aiming at existing problems in lightning protection of10kV distribution network and over voltage management，it proposes specified countermeasures．
Key words：distribution system；main transformer；voltage transformer；thunder and lightning over voltage protection
2012年5月2日13时16分55秒，广东电网公司揭阳供电局220kV铁山变电站2号主变压器低压绕组后备复压过流保护动作，断路器QF502跳闸，故障短路电流为20kA。

事后检查发现10 kV母线Ⅱ编号52PT的电压互感器柜（以下简称52PT柜）损毁严重，柜内三相过电压保护器全部炸毁，三相电压互感器受电弧而处于高温状态，外绝缘部分脱落，相邻的2号接地变压器编号572的金属封闭开关设备和控制设备（以下简称572开关柜）、龙秋线编号F89的金属封闭开关设备和控制设备（以下简称F89开关柜）严重烧毁，柜体严重变形。

发生故障的过电压保护器内部阀片表面炭化，护套内壁有大电流流过形成的焦黑，顶部弹簧受热变色。

1基本情况
1.1事故前的系统接线情况
事故前，220kV铁山变电站有2台主变压器
第26卷第1期广东电力Vol.26No.1 2013年1月GUANGDONG ELECTRIC POWER Jan.2013
在运行。

220kV系统采用双母线接线方式，共有7回出线；110kV系统采用双母线四分段接线方式，共有6回出线；10kV系统采用单母线分段接线，共有11回出线，其中10回接于母线Ⅱ，另一回接在母线Ⅴ，所有10kV出线均经过电缆引至变电站外100m以内转架空出线，共计5基终端塔，电缆转接头均安装带脱离器的10kV线路型无间隙金属氧化物避雷器［1－3］，运行后未进行过预防性试验。

事后对52PT柜解体发现，柜内过电压保护装置已完全炸毁，背部烧毁程度比正面严重，说明着火点应在52PT柜背部且火势较大。

由于过电压保护器安装于52PT柜背部且烧损最为严重，可以推断本次事故起点为过电压保护器。

发生事故的10kV母线Ⅱ过电压保护器型号为HPB2-12.7/38，2007年5月出厂，2007年12月28日投运。

1.2事故期间的操作和故障录波情况
故障发生前系统没有操作，排除操作过电压或系统谐振引起过电压保护器爆炸的可能［2］。

故障发生时段，220kV铁山变电站区域频繁落雷，雷电定位系统显示在13时6分至13时17分，变电站5km范围内共落雷52次，其中11次与故障录波启动时间接近。

故障录波记录显示：故障发生时，除电压有20ms的波动外，三相电流经过40ms即形成三相短路，短路电流维持了16.754s，如图1所示；在故障发生前10min，电流由1.71kA突增至3.21 kA，持续约100ms后恢复，如图2所示。

综合分析保护动作报告、故障录波、跳闸时天气情况及故障现场情况，可以判定雷电侵入是故障发生的诱因［4－7］。

2事故分析
2.1雷电波侵入途径
结合系统接线及现场踏勘情况分析，雷电波侵入10kV系统（高压室）有以下2个途径［2－4，7－8］：经主变压器高压绕组和中压绕组耦合侵入；经10 kV馈线侵入。

针对第1个途径，现场核查母线Ⅱ所挂的2号主变压器高、中、低压绕组避雷器的动作计数器，在事故期间均没有动作记录，
事故前的预防性试验I U、I V、I W分别为2号主变压器低压绕组U、V、W相电流；U U、U V、U W分别为母线ⅡU、V、W相电压；3I0为2号主变压器低压绕组零序电流；3U0为母线Ⅱ零序电压。

图1
故障发生时的录波图
图2故障发生前10min的录波图
和红外测温均按照试验周期进行且结果正常［9－10］。

现场导通性测试结果显示这三组避雷器接地引下线与地网连接情况良好［11－12］，排除避雷器失地或接地不良导致雷电侵入波无法通过避雷器泄放入地，进而窜入10kV系统的可能性。

考虑到10kV高压室在变电站避雷针的联合保护范围内，可排除雷电波直击主变压器10kV低压侧馈线，以及雷电波经主变压器高压绕组和中压绕组耦合窜入10kV高压室的可能［5］，雷电波侵入
49广东电力第26卷
10kV系统的途径只能是10kV馈线，因此，将10 kV高压室母线Ⅱ所接的10回出线作为事故分析的切入点。

2.210kV电缆终端避雷器现场试验
电缆终端避雷器不仅用于电缆终端和电缆主绝缘的保护，也作为变电站10kV系统雷电侵入的最后一道防线［1－3］，但由于其不带动作计数器，无法获得事故期间避雷器是否动作的信息。

电缆终端避雷器对雷电侵入波是否起到合理的防护作用取决于：避雷器选型是否合理；避雷器本体电气性能是否良好（需停电取下进行直流泄漏试验）；避雷器与地网的连接情况是否良好；终端塔地网接地是否满足要求。

根据地方供电所提供的事故资料，当天10kV 垾塘线中间架空线柱上断路器遭雷击损坏，疑与本次事故有较大关联，因此有选择性地将该线路临时停电。

由于现场带电距离不足而未能拆下10kV垾塘线电缆转接头避雷器，只进行了外观检查、型号确认、接地引下线与杆塔接地体导通性测试以及杆塔接地电阻测试。

导通性测试结果显示，该组避雷器与杆塔接地网的导通性良好［11－12］。

现场登塔检查，发现该组避雷器均带有脱离器，型号为Y5WS-17/50L（FT），选型正确，但出厂日期无法辨认，且其中一相避雷器外观与另两相避雷器不同，新旧不一，疑为不同厂家或不同批次的产品，由于管理原因，相关技术资料未能查到。

2.3电缆转架空终端塔接地电阻测试
在雷电波沿架空线路侵入的过程中，其幅值足够大时电缆终端避雷器将动作，将雷电侵入波过电压限制在避雷器残压值（标称放电电流下残压峰值一般取50kV）以下［2－3，13－14］，同时，杆塔接地网在避雷器放电电流下呈冲击暂态特性［12］。

雷电行波（避雷器残压叠加杆塔暂态电位）将高于避雷器残压，并沿10kV电缆芯部前行，考虑到长度不足100 m的电缆对雷电侵入波的衰减效应有限［1］，上述的叠加行波将通过电缆传播至10kV高压室母线。

对变电站外共5基电缆转架空终端塔的地网进行现场接地电阻测试，结果显示10kV东西南线001号杆塔接地电阻（达9.62Ω）比其他4基杆塔的地网接地电阻（2Ω）明显偏大［11］，登塔发现该杆塔上10kV电缆终端金属外护套以及接地引下线已缺失，疑被盗所致。

在此情形下，电缆外护套两端并非良好接地，杆塔地网已基本与变电站地网物理隔离，由于杆塔独立地网接地电阻水平较高，对避雷器动作后雷电流的泄流起到阻碍作用，而避雷器动作瞬间，位于10kV高压室母线的电缆外护套末端的远端电位仍可视为零电位，避雷器高压侧的电位升高，因杆塔接地电阻较高（接近10Ω的水平），并达到较电缆外护套两端良好接地的正常情形高得多的水平，使10kV系统设备（包括过电压保护器）的运行工况更为苛刻。

2.4组合式过电压保护器结构分析
事故的带串联间隙过电压保护器采用典型的三相组合式四星型结构，如图3所示。

额定电压为12.7kV，标称放电电流为5kA，相对地直流1mA的参考电压不低于24kV，相对地工频放电电压为26kV，标称放电电流下残压（峰值）不高于26kV，相间工频放电电压为29kV，标称放电电流下残压（峰值）不高于31kV。

采用较小的相间距离，仅为100mm，以期进一步限制相间过电压。

图352PT柜内带串联间隙过电压保护器结构
一般地，10kV站用型无间隙金属氧化物避雷器相对地直流1mA的参考电压为24kV，相间电压为48kV［2］。

为兼顾对相间和相对地过电压的限制要求，三相组合式四星型结构三相和相对地氧化锌电阻片的电气参数采用不同的设计方案，三相电阻片直流1mA的参考电压一般取13kV，中性点电阻片直流1mA的参考电压一般取11kV，构成相对地直流1mA的参考电压。

两相之间构成回路，电阻片直流1mA的电压为26kV，考虑到相间过电压基本一样，相比相对地无间隙金属氧化物避雷器的相间电阻片直流1mA的参考电压（48 kV）明显降低。

电阻片伏安特性曲线的工作点提高，相间电阻片的容量也应当相应增大，才能满足电阻片伏安特性的要求，即相间电阻片的容量需要加大，才能适应这种进一步限制相间过电压的结构。

增大相间电阻片容量将带来成本的增加，而制
59
第1期李谦，等：电压互感器柜内过电压保护器烧损事故分析及反措建议
造厂家往往主要考虑绝缘配合，较少考虑相间电阻片工作点提高带来的容量适应性问题，仍按一般的容量要求选取电阻片，使可靠性下降，往往过电压保护器一动作，相间氧化锌电阻片就容易打穿，进一步发展为相间短路，扩大了事故。

另一方面，由于采用较小的相间保护间隙，动作分散性较大。

此外，较无间隙避雷器具有更大的密封难度，长期运行受潮等因素都可能进一步降低其可靠性。

运行经验证明带串联间隙的四星型结构一体式过电压保护器事故（故障）率较高，典型案例有南京扬子石化炼化有限责任公司、福州供电局和山西长治煤炭系统独立供电网络等，2012年4月广东电网公司清远供电局110kV佛城变电站也发生10 kVⅤ段母线电压互感器柜内的组合式过电压保护器U相故障引起电压互感器三相高压熔断器炸毁的事故，原因是雷电波侵入造成过电压保护器U 相绝缘损坏。

据了解，我国有些省份已发文要求慎用或停止选用该类型的过电压保护器。

2.5事故过程
综合以上分析，220kV铁山变电站2号主变压器低压绕组电压互感器柜烧毁的过程为：
a）事故期间，220kV铁山变电站所处地区频繁落雷，雷电波直击无避雷线保护的10kV架空出线，高幅值的雷电波沿架空线传播到电缆转架空终端塔，引起保护电缆终端的10kV线路型避雷器动作，雷电行波继续以避雷器残压叠加杆塔暂态电位的形式沿10kV电缆芯部前行，而短电缆对雷电侵入波的衰减效应有限，10kV系统设备（包括母线过电压保护器）将承受该行波暂态过电压；对于10 kV东西南线001号杆塔上10kV电缆终端金属外护套以及接地引下线缺失的情形，电缆末端电位更高，10kV系统的运行条件更为苛刻。

这是事故引发阶段。

b）事故烧毁的组合式过电压保护器采用三相四星型接线方式，存在相间电阻片容量不足的结构缺陷，运行中可能存在的密封不良问题增加了其不可靠性，在雷电行波传递到10kV母线引起过电压保护器动作的过程中，相间氧化锌电阻片由于伏安特性工作点提高较大而使容量不足，在相间间隙击穿放电，导致相间氧化锌电阻片阀片热崩溃，发生击穿而进一步发展为相间短路。

相间间隙击穿后，由于工频续流不能灭弧，造成三相短路，导致事故扩大，造成10kV高压室开关柜“火烧连营”，短路电流维持16.754s，最后由断路器QF502切除故障。

这是事故发展和扩大阶段。

从图1和图2的故障录波图获得以下信息：在事故发生前10min，电流由1.71kA突增至3.21 kA，持续约100ms后恢复正常，说明事故期间10 kV架空出线多次落雷，雷电波的侵入引起10kV 母线过电压保护器扰动，对其缺陷的发展有一定的累积效应，最终在事故期间损坏，进而发展成相间短路。

3技术监督意见和反措建议
3.1技术监督意见
雷电波经10kV馈线侵入10kV高压室是本事故的诱因，而电压互感器柜内组合式过电压保护器结构设计缺陷引发相间短路则是造成事故扩大的主要原因，变电站出线电缆终端避雷器和终端塔地网的不可靠也是导致事故发生的原因之一。

为进一步分析事故原因并还原事故过程，建议开展以下工作：
a）逐步安排11回10kV出线停电，确认变电站外5基10kV终端塔上的11组避雷器选型是否合理，测试避雷器与地网的连接情况是否良好，拆下避雷器进行直流测试，确认其本体电气性能是否良好。

b）安排停电拆除母线Ⅴ仍在运行的同厂家和同型号的三相组合式过电压保护器，以便进一步分析、检测其电气参数是否满足要求，解体检查其密封性是否良好以及间隙的可靠性是否满足要求。

本次事故折射出10kV配电网防雷和过电压专业管理上存在诸多问题，考虑到广东电网属雷电活动强烈地区，因此本事故分析和反措建议具有较好的典型性和代表性。

运行实践表明，10kV电缆终端避雷器运行维护有其特殊性，成为配电网管理的盲区，其选型、验收、试验和运行维护等全生命周期管理远不到位，基础资料常处于缺失状态，由于管理归属输电部门或基层供电所，试验力量、水平和经验与变电部门相比相对薄弱，加上安装在变电站外终端塔上，其试验手段和条件较变电站内避雷器差，红外检测和停电电气预防性试验鲜有进行，投运后基本上处于免维护状态，站外安装使接地引下线等附件
69广东电力第26卷
被盗风险较大。

由于10kV电缆终端避雷器不仅用于电缆终端和电缆主绝缘的保护，更重要的是作为变电站10kV系统大气过电压侵入的最后一道防线，其运行可靠性对变电站10kV系统的安全运行意义不言而喻，应成为配电网技术监督的切入点和重点。

3.2反措建议
为提高变电站10kV系统的防雷运行可靠性，建议：
a）针对三相组合式过电压保护器存在结构设计缺陷以及故障（或事故）频发的实际情况，将广东电网变电站内采用的10kV组合式四星型结构过电压保护器全部更换为成熟、可靠的站用型无间隙金属氧化物避雷器。

b）由于雷电波侵入变电站10kV系统引起故障甚至引发事故扩大并不鲜见，考虑到广东电网乃至南方电网处于雷电活动强烈区域，以及电缆终端避雷器在变电站10kV系统大气过电压防护的地位，建议将10kV电缆转架空终端塔过电压防护列入变电站巡检设备范围，加强其运行维护管理。

c）加强进网10kV避雷器的前端质量管理，将全过程管理的技术监督关口前移至基建验收阶段，严把交接验收关，尤其是用户移交工程，阻止质量水平较差的产品入网运行。

d）加强变电站外终端塔转接头10kV避雷器的运行维护管理，建议按照变电站内10kV避雷器电气预防性试验周期进行，包括红外检测。

e）将电缆外护套在终端塔的接地检查纳入巡视管理，做好防止外力破坏的工作，确保电缆外护套在终端塔的接地良好。

f）重视变电站外架空转电缆杆塔的接地问题，将终端塔接地电阻测试纳入预防性试验管理，确保终端塔接地电阻水平在合理范围。

参考文献：
［1］GB11032—2010，交流无间隙金属氧化物避雷器［S］．
［2］周泽存，沈其工，方瑜，等.高电压技术［M］．2版.北京：中国电力出版社，2004．
［3］王秉均.金属氧化物避雷器［M］．北京：水利电力出版社，1993．
［4］李谦.220kV板桥变电站母联断路器故障的雷电波过电压分析［J］．广东电力，2012，25（3）：105－108．
LI Qian.Lightning Overvoltage Analysis of Bus Tie Circuit-break-er Fault in220kV Banqiao Substation［J］．Guangdong Electric Power，2012，25（3）：105-108．
［5］李谦，钟定珠.秀丽变电站1号主变压器雷击事故分析［J］．广东电力，2001，14（2）：48－50．
LI Qian，ZHONG Dingzhu.Analysis of Lightning Disturbance on No.1Main Transformer of Xiuli Sub Station［J］．Guangdong E-lectric Power，2001，14（2）：48-50．
［6］李谦，郑晓光，饶章权，等.电压互感器二次回路中性点安装过电压保护的必要性研究———雷电冲击传递过电压对中性点绝缘影响的试验和数值计算分析［J］．广东电力，2009，22（2）：1－5．
LI Qian，ZHENG Xiaoguang，RAO Zhangquan，et al.Study on Necessity of Overvoltage Protection for Secondary Winding Neu-tral-point of Voltage Transformer：Test and Numerical Analysis on Lightning Transmission Overvoltage at Secondary Winding Neu-tral-point［J］．Guangdong Electric Power，2009，22（2）：1-5．［7］李谦，郑晓光，饶章权，等.电压互感器二次回路中性点安装过电压保护的必要性研究———接地短路故障和雷击时地网电位分布的计算分析［J］．广东电力，2009，22（3）：1－5．
LI Qian，ZHENG Xiaoguang，RAO Zhangquan，et al.Study on Necessity of Overvoltage Protection for Secondary Winding Neu-tral-point of Voltage Transformer：Numerical Analysis on Potential Distribution of Ground Grid during Ground Fault or Lightning Stroke［J］．Guangdong Electric Power，2009，22（3）：1-5．［8］李英奇，王战红，陈琦，等.渭南电网110kV变压器中性点过电压保护方式研究［J］．陕西电力，2010，38（4）：65－67．
LI Yingqi，WANG Zhanhong，CHEN Qi，et al.Study on Neu-tral Point Over-voltage Protection Mode of110kV Transformer in Weinan Power Network［J］．Shaanxi Electric Power，2010，38（4）：65-67．
［9］DL/T596—1996，电力设备预防性试验规程［S］．
［10］Q/CSG114002—2011，电力设备预防性试验规程［S］．［11］DL/T475—2006，接地装置特性参数测量导则［S］．
［12］DL/T621—1997，交流电气装置的接地［S］．
［13］吴卫堃.山区架空送电线路防雷问题探讨［J］．广东电力，2008，21（9）：66－69．
WU Weikun.Lightning Protection of Overhead Transmission
Line in Mountain Area［J］．Guangdong Electric Power，2008，21（9）：66-69．
［14］赵莹，宋伟.对配电设备的避雷器选择分析［J］．西北电力技术，2006，34（2）：67－70．
作者简介：李谦（1965），男，广西南宁人。

高级工程师，工学博士，主要从事防雷接地、过电压与绝缘配合的研究工作。

（编辑李丽娟）
79
第1期李谦，等：电压互感器柜内过电压保护器烧损事故分析及反措建议。