王 锋，赵 毅，丛 林

（山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250103）

一起操作过电压引发的事故分析

王 锋，赵 毅，丛 林

（山东省产品质量检验研究院，山东 济南 250103）

针对一起高压开关柜频繁操作引起避雷器爆炸和变压器短路事故进行深入研究，发现高压开关柜频繁操作产生的操作过电压是造成事故的主要原因。事故发生机理是高压开关柜的频繁操作对电器设备的绝缘性能造成累积性损伤，因此电器设备的绝缘性能阈值逐渐下降。事故产生过程是操作过电压超过避雷器绝缘性能的阈值，因此避雷器的绝缘被击穿引起事故；变压器低压侧没有安装阻容吸收装置，缺少针对操作过电压的抑制装置，使得操作过电压损害变压器的绝缘性能，最终导致变压器发生短路事故。最后有针对性地提出改进建议，预防和降低由于操作过电压造成类似事故的发生，保障电力系统安全运行。

操作过电压；电力事故；避雷器爆炸；变压器短路

Abstract:In this paper,the power system accident that lightning arrester explosion and transformer short circuit caused by the frequent operation of high voltage switch cabinet is studied deeply.It is found that the overvoltage caused by the frequent operation of the high voltage switch cabinet is the main cause of the accident.The accident mechanism is that the insulation performance of the electrical equipment is cumulatively damaged by the frequent operation of the high voltage switch cabinet.Therefore，the insulation performance threshold of the electrical equipment is gradually decreased.The accident process is due to the threshold of overvoltage over the lightning arrester,so the insulation of lightning arrester is breakdown and the accident is caused.The resistance and capacitance absorbing device is not installed on the low voltage side of the transformer，so there is no suppression device for overvoltage.The insulation performance of transformer is damaged by the overvoltage,so that leads to transformer short circuit fault.Some improvement suggestions are proposed to prevent and reduce the occurrence of similar accidents and ensure the safe operation of power system.

Key words:operating overvoltage；electric power accident；lightning arrestor explosion；transformer short circuit

0 引言

在高压输变电系统中，高压开关柜起到控制和保护的作用，一般情况下高压开关柜稳定运行不需要频繁操作。在电力系统定期例行检修维护时需要对高压开关柜分合，进行性能检测，确认高压开关柜是否满足使用要求。高压开关柜操作过电压对电力系统的影响，不在例行检修维护和检测的范围之内。在某些特殊应用场合，高压开关柜需要进行频繁闭合和断开操作，操作过程中产生的操作过电压对系统中所连接设备的绝缘性能有严重影响。柜内安装的避雷器，对操作过电压起到一定的抑制作用。

根据实测，雷电过电压波形是一种非周期性脉冲波。根据国内和国际相关标准规定［1］，标准雷电过电压试验波的波前时间为（1.2±30%）μs，半峰值时间为（50±20%）μs；标准操作过电压的波前时间为（250±30%）μs，半峰值时间为（2500±60%）μs。 操作过电压波的持续时间比雷电冲击电压波长，形状复杂，而且它的形状和持续时间随线路的具体参数和长度的不同而异。目前国际上趋向于用一种几百微秒波前和几千微秒波长的长脉冲来代表操作过电压。

高压开关柜在使用过程中需要承受雷电过电压和操作过电压的冲击破坏。因此避雷器安装在高压开关柜中，用于保护高压开关柜承受瞬态过电压造成的危害，并限制续流时间。避雷器在正常工作电压下，呈现高电阻状态，仅有微安级电流通过。在过电压大电流作用下呈现低电阻，从而限制了避雷器两端的残压。

目前国内外相关研究主要集中在雷电及操作过电压的识别［2-3］、过电压在线监测［4-5］、操作过电压对电器设备的影响［6-12］等方向。对于在供电系统中高压开关柜的频繁操作对用电设备绝缘性能累积性破坏的研究较少。本文针对一起操作过电压导致避雷器爆炸和变压器短路事故进行原因分析，并提出改进建议。

1 事故系统

事故所在系统可简化为由110 kV／35 kV变压器、35kV高压开关柜Ⅰ、35kV高压开关柜Ⅱ、35kV／400 V变压器Ⅰ、低压用电设备Ⅰ、35 kV高压开关柜 Ⅲ、35 kV／400 V变压器Ⅱ、低压开关柜和低压用电设备Ⅱ组成，如图1所示。

图1 供电系统原理

该供电系统构成方式。110 kV变电站为110 kV／35 kV变压器提供一次侧电源，该变压器的二次侧输出电压为35 kV；35 kV高压开关柜Ⅰ作为主电路的控制开关；35 kV高压开关柜Ⅱ和Ⅲ并联连接；35 kV高压开关柜Ⅱ、35 kV／400 V变压器Ⅰ和低压用电设备Ⅰ组成供电支路1；35 kV高压开关柜 Ⅲ、35 kV／400 V变压器Ⅱ、低压开关柜和低压用电设备Ⅱ组成供电支路2。系统在正常工作时供电支路1和供电支路2不会同时工作。

2 避雷器爆炸事故原因分析

避雷器爆炸事故发生在供电支路1，该支路正常送电过程为：低压用电设备Ⅰ负载，首先35 kV高压开关柜Ⅱ闭合，然后35 kV高压开关柜Ⅰ闭合，经过时间t之后35 kV高压开关柜Ⅱ断开，然后35 kV高压开关柜Ⅰ断开，供电工作结束。

此次避雷器爆炸事故发生在低压用电设备Ⅰ空载调试阶段，具体过程如下。

事故过程。低压用电设备Ⅰ空载，首先闭合35 kV高压开关柜Ⅰ，然后闭合35 kV高压开关柜Ⅱ。35 kV高压开关柜Ⅱ闭合的瞬间发生避雷器爆炸事故，继电保护系统发挥作用使110 kV／35 kV变压器断路器及时断开，阻止了事故的进一步扩大。

图2 正常安装的避雷器

图2为高压开关柜内正常安装的避雷器，避雷器安装于35 kV高压开关柜的断路器进线端与接地线之间。

图3 避雷器爆炸的事故现场

图3为避雷器爆炸的事故现场，对比图2可以发现避雷器A相损坏最严重，其次是B相，C相损坏较轻。

根据 GB 3906—2006 中条款 6.2.6.2 规定［14］，需要对 35 kV 高压开关柜采用 1.2 μs／50 μs标准雷电冲击试验电压，对每一试验条件和正、负极性施加其额定耐受电压连续15次。但是没有对高压开关柜的操作过电压的提出试验要求，即在高压开关柜设计时未考虑操作过电压对高压开关柜的性能影响。本次事故的工作环境：高压开关柜在正常天气时需要进行频繁地闭合和断开操作，在雷雨等恶劣天气时停止工作。因此高压开关柜在使用中承受的过电压实际是操作过电压，而不是雷电过电压。

在操作过电压对避雷器频繁冲击的累积作用下，避雷器的绝缘性能下降。

当某一操作过电压的破坏作用超过避雷器绝缘所能承受的阈值，造成避雷器的绝缘击穿，形成高压侧单相对地短路，如图4所示。

图4 高压侧单相短路

结合图3和图4进行分析，发现与高压侧A相连接的避雷器发生单相对地短路，避雷器难以承受短路故障产生的热量和电动力，造成A相避雷器的爆炸，同时损坏相邻的B相和C相避雷器。

3 变压器短路事故原因分析

变压器短路事故发生在供电支路2，该支路正常送电过程为：35 kV高压开关柜Ⅲ长期处于闭合状态，低压用电设备Ⅱ空载；首先35 kV高压开关柜Ⅰ闭合，然后低压开关柜进行闭合和断开操作，控制低压用电设备Ⅱ的供电状态，供电工作结束。

此次变压器短路事故发生在设备空载调试阶段。事故过程为：低压用电设备Ⅱ空载，35 kV高压开关柜Ⅲ处于闭合状态，闭合35 kV高压开关柜Ⅰ。在35 kV高压开关柜Ⅰ闭合的瞬间，110 kV／35 kV变压器和35 kV／400 V变压器Ⅱ发生短路事故。

该供电支路1和支路2在工作时，都需要35 kV高压开关柜Ⅰ频繁闭合和断开操作，每一次操作都会产生不同程度的过电压，直接对110 kV／35 kV变压器、35 kV／400 V变压器Ⅱ造成操作过电压冲击，操作过电压对变压绝缘性能的损伤长期积累使得变压器的绝缘性能下降。

35 kV／400 V变压器Ⅱ为油浸式变压器，安装使用时间较长。在日常的维护保养过程发现存在少量漏油现象，导致变压器的绝缘性能存在安全隐患。

当某一次操作过电压超过35 kV／400 V变压器Ⅱ绝缘性能的阈值，引起高压侧绝缘击穿，发生相间短路，该变压器内变压器油喷出。

35 kV／400 V变压器Ⅱ高压侧绝缘击穿通过线路反作用于110kV／35kV变压器，使得110 kV／35 kV变压器高压侧和低压侧同时绝缘击穿。造成高压侧和低压侧发生相间短路，事故之后绝缘电阻测试发现该变压器的高压侧、低压侧、对地相互之间绝缘电阻5 MΩ左右。

4 改进建议

操作过电压发生在分合空载线、分合空载变压器和电抗器、各类故障等情况。系统的运行状况发生突然变化，导致系统内部电感元件和电容元件之间电磁能量的互相转换产生操作过电压。操作过电压的幅值和持续时间与电网结构参数、断路器性能、系统接线、操作类型等因素有关。

避雷器类型选择氧化锌避雷器，并有效监测避雷器是否在合理的使用范围之内。避雷器在失效之前及时更换，降低避雷器失效对供电系统安全运行造成的风险。

在35 kV高压开关柜断路器的进线端口增加阻容吸收装置，限制操作过电压的峰值，吸收操作过电压的能量。阻容吸收装置为△连接，避免发生高压侧接地短路。

变压器低压侧增加阻容吸收装置，进一步从低压侧限制操作过电压对供电系统的影响。

5 结语

对一起操作过电压导致的避雷器爆炸和变压器短路事故进行了详细的原因分析，指出高压开关柜的频繁操作对高压用电设备的绝缘性能造成累积性损伤是产生事故的根本原因。针对该供电系统提出了改进建议，有助于提高该供电系统运行的安全性能。

对高压开关柜频繁操作产生的操作过电压对用电设备的影响进行定性分析。针对此问题如何进行定量分析，建立相关的数学模型，设计出相应的设备是下一步工作的重点。

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The Accident Analysis Caused by Operating Overvoltage

WANG Feng,ZHAO Yi,CONG Lin
（Shan Dong Institute for Product Quality Inspection,Jinan 250103,China）

TM862

B

1007－9904（2017）09－0035－04

国家质量监督检验检疫总局科技计划项目（2016QK098）

2017－08－15

王 锋（1964），男，高级工程师，从事变压器、低压电器产品检测工作。