110kV变电站直流电源系统事故分析

ｄｏｉ:１０􀆰３９６９/ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００８￣０１９８􀆰２０１５􀆰０５􀆰０１５１１０ｋＶ变电站直流电源系统事故分析敖非ꎬ李辉(国网湖南省电力公司电力科学研究院ꎬ湖南长沙４１０００７)摘　要:某１１０ｋＶ变电站蓄电池存在隐患情况下ꎬ监控装置突发故障失控ꎬ最终导致蓄电池起火ꎬ烧毁整个保护室ꎮ分析调查该事故指出ꎬ变电站直流电源系统存在潜在的安全隐患、并作出相应的改进与预防措施ꎬ进而避免安全事故的发生、提高系统工作的可靠性ꎮ关键词:蓄电池ꎻ直流系统ꎻ事故ꎻ改进中图分类号:ＴＭ７３２　　文献标志码:Ｂ文章编号:１００８￣０１９８(２０１５)０５￣００５１￣０３收稿日期:２０１４￣１２￣１０　　改回日期:２０１５￣０５￣１３ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＣｓｙｓｔｅｍｆａｕｌｔｓｆｏｒａ１１０ｋＶｓｕｂｓｔａｔｉｏｎＡＯＦｅｉꎬＬＩＨｕｉ(ＳｔａｔｅＧｒｉｄＨｕｎａｎＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈａｎｇｓｈａ４１０００７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｔｈｅｃａｓｅｏｆｂａｔｔｅｒｉｅｓｆａｉｌｕｒｅｓｉｎａｃｅｒｔａｉｎ１１０ｋＶｓｕｂｓｔａｔｉｏｎꎬｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄｅｖｉｃｅｗａｓｏｕｔｏｆｃｏｎｔｒｏｌꎬｅｖｅｎｔｕａｌｌｙｌｅｄｔｏｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｆｉｒｅꎬａｎｄｂｕｒｎｅｄｔｈｅｗｈｏｌｅｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｒｅｌａｙｒｏｏｍ.Ｂｙｉｎｃｉｄｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓꎬｔｈｅｐａｐｅｒｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈｅｅｘｉｓｔｅｎｔｈｉｄｄｅｎｄａｎｇｅｒａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｂａｔｔｅｒｉｅｓꎻＤＣｓｙｓｔｅｍꎻｆａｕｌｔꎻｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　　直流电源的故障会导致继电保护及安全自动装置无法动作ꎬ进而在系统发生故障时引起保护装置越级跳闸ꎬ扩大事故范围ꎮ变电站的保护、自动装置及其控制回路、信号回路都需要直流电源稳定可靠的工作ꎬ因此ꎬ直流电源在变电站中有着举足轻重的地位ꎬ确保直流电源系统的可靠运行是变电站安全运行面临的关键问题ꎮ文中介绍了１例１１０ｋＶ变电站直流电源系统事故及调查分析过程ꎬ并提出相关建议ꎬ供今后处理类似问题参考ꎮ１　事故概况１􀆰１　运行方式该１１０ｋＶ变电站简化电气主接线如图１所示ꎮ１１０ｋＶＡ线带３号变ꎬＢ线带２号变ꎬ母联５００断路器热备用ꎻ２号变带１０ｋＶⅡ母ꎬ３号变带１０ｋＶⅢ母ꎬ母联３００断路器热备用ꎮ１０ｋＶ出线共２２条ꎬ其中１９条运行ꎬ３条冷备用ꎮ故障前Ａ线２号变负荷６􀆰７ＭＷꎻ３号变负荷６􀆰９ＭＷꎮ图１　站内一次接线示意图站内配置１套充电装置和１组固定型阀控式铅酸蓄电池ꎬ电池组容量为２００Ａｈꎬ浮充时的蓄电池单只电压为２􀆰２５Ｖ左右ꎬ共配有１０３只ꎬ组屏􀅰１５􀅰　第３５卷第５期湖　南　电　力ＨＵＮＡＮＥＬＥＣＴＲＩＣＰＯＷＥＲ　２０１５年１０月安装ꎬ于２０１０年１１月投运ꎮ１􀆰２　事故经过２０１４年５月２日１５时４７分起ꎬ某供电公司调控中心频繁收到事故变公用测控蓄电池“总保险熔断”、“直流屏通信告警”、“直流屏母线告警”等告警信号ꎬ通知检修人员前往处理ꎮ检修人员于１８时到达现场事故变对直流系统进行了检查ꎬ检查结果及结论如下:１)检查直流系统电压ꎮ直流正、负极之间电压为２３３Ｖꎬ正对地＋１１９Ｖꎬ负对地－１１２Ｖꎬ直流正负保险上下端头之间无压差ꎬ保险外观完好ꎬ直流保险顶针未触发ꎬ１９时蓄电池总保险熔断信号自动复归ꎬ直到２０时离开时ꎬ也无其他异常信号发出ꎮ２)检查监控装置历史记录ꎮ从５月２日下午１５时１７分开始ꎬ该装置频繁发出模块故障、过压、欠压、交流故障、通讯异常、熔断器熔断等信号２０多条ꎬ均持续短至数秒ꎬ长至数分后自动复归ꎮ３)检查直流系统运行情况ꎮ整站负荷为６􀆰３Ａꎬ其中蓄电池充电电流为０􀆰２Ａꎬ浮充状态ꎬ４个充电模块输出电流均在１􀆰６~１􀆰９Ａ之间ꎮ直流系统正、负压差正常ꎬ各模块输出正常ꎬ负荷电流正常ꎬ无异常现象ꎬ并确认公用测控屏已收到监控模块所发异常信号ꎬ故检修人员判断为直流监控装置误发信号ꎬ通知厂家前来处理ꎬ同时屏蔽了后台相关直流电源系统告警信号ꎬ告警信息传输路径示意图如图２所示ꎮ图２　告警信息传输路径示意图２０１４年５月３日６时１４分ꎬ该供电公司监控中心发现事故变电站远动信号全部中断ꎻ６时４５分事故变电站内值守人员发现保护室内起火ꎻ６时４８分调控中心拉开对侧变电站Ａ线５２６ꎬＢ线５２８断路器ꎻ７时３０分拉开事故变３号变３３０ꎬ２号变３２０断路器ꎻ７时５０分至１０时４７分进行１０ｋＶ负荷转供操作ꎬ所有负荷全部恢复ꎮ１􀆰３　事故调查事故发生后ꎬ现场调查发现保护室内蓄电池屏烧毁最为严重ꎬ怀疑为蓄电池起火导致保护室火灾ꎮ恢复站内监控视频ꎬ从视频中确认５月３日６时８分４０秒左右蓄电池组Ⅲ屏最上一层在事故时刻先有２次电弧闪烁(每个蓄电池屏共分３层ꎬ蓄电池组ⅠꎬⅡꎬⅢ同层之间直接连通ꎬ无隔断ꎬ如图３所示)ꎬ随即起火ꎬ火势逐渐蔓延至蓄电池组Ⅱ屏、蓄电池组Ⅰ屏、充电屏及其他屏柜ꎬ最终导致保护室内二次设备基本损毁ꎮ图３　蓄电池组及充电屏排列位置示意图２　事故原因分析２􀆰１　监控装置频发告警分析火灾后现场对蓄电池组总熔断器进行了检查(安装在充电屏最底层ꎬ未烧毁)ꎬ直流保险顶针确未触发ꎬ说明熔断器熔断信号并未发给直流电源系统监控装置ꎬ公用测控和后台收到的熔断器熔断信号ꎬ应是直流监控装置误发信号ꎮ结合现场查勘情况ꎬ基本可判定事故前运行中监控装置内部模块已损坏ꎬ导致装置频繁误发告警信息ꎮ同时由于监控装置告警与控制功能共用同一块ＣＰＵꎬＣＰＵ模块损坏后将导致监控装置限流、恒压等控制功能丧失ꎬ极有可能使蓄电池过充电ꎬ发生热失控ꎮ２􀆰２　热失控产生的原因阀控密封铅酸蓄电池在充电将完成的时候ꎬ正极会析出氧气并逐渐扩散到负极ꎬ进而生成水ꎬ此过程构成了闭合氧循环并散发热量ꎮ此充电过程中输入的电能大部分作为化学能得到存储ꎬ小部分则直接或间接地转化为热能ꎬ使电池温度升高ꎮ充电过程中电池温度随时间的变化而升高ꎬ当电池散热不良时ꎬ电池温度上升过快导致发热积累ꎬ进而恶性循环ꎬ电池温度将急剧上升ꎬ此即所谓热失控现象ꎮ事故站内阀控密封铅酸蓄电池为组屏安装ꎬ蓄电池间隙紧密ꎬ热容小ꎬ未考虑电池热失控时的散热ꎮ如果站内监控装置失控ꎬ出现充电电压过高ꎬ充电电流过大ꎬ造成氧的大量析出ꎬ加速了负极去极化作用ꎬ必然产生过多的热量ꎬ从而导致电池内部温度升高ꎬ内阻下降ꎻ内阻下降又加大了充电电􀅰２５􀅰第３５卷第５期湖　南　电　力２０１５年１０月流ꎬ相互作用ꎬ温升进一步加剧ꎬ最终不可控制ꎬ极有可能导致电池因过热而槽体变形、膨胀、开裂〔１〕ꎮ２􀆰３　蓄电池起火原因分析正常情况下ꎬ铅酸蓄电池的全部材料和物质成分都不是易燃物ꎬ不会发生自燃、引燃ꎮ但由于蓄电池组在运行中存在电流ꎬ因电流的持续能量供给ꎬ如果形成了回路或接触电阻很大就有可能发生过热ꎬ最终酿成火灾ꎮ可能的原因主要有２种:１)电池端连线松动ꎮ电池端子、连线、连条均为良好的导热体ꎮ如果连接螺栓松动ꎬ在松动处接触电阻很大ꎬ接触点发热ꎬ并持续向两侧扩散ꎮ高温软化端子封胶、电池盖及电池壳体ꎬ烤焦连线绝缘层ꎬ发展到严重程度时就会冒烟着火ꎮ２)电池损伤或电解液漏出形成电流回路ꎮ电池内部的电解液是优良的电导体ꎬ若外力、撞击、碰伤、膨胀、裂纹等使某个电池破裂ꎬ电解液渗出、漏出ꎬ同时２只或多只蓄电池的漏液腐蚀柜底漆层形成导电回路ꎬ这时由于蓄电池内阻很小ꎬ会产生很大短路电流ꎬ在漏点处会形成火星、火花ꎮ漏点逐渐扩大ꎬ电流更大ꎬ火花更多ꎬ从而引起火灾〔２〕ꎮ结合事故变复原视频ꎬ可推断在事故时刻２次电弧闪烁应是蓄电池漏液短路产生ꎮ２􀆰４　事故原因通过现场事故调查ꎬ并结合试验数据综合分析ꎬ可推断此次事故应是由于监控装置突发故障失控ꎬ使得蓄电池长时间过充电ꎬ蓄电池组热失控漏液引起短路起火ꎬ火势蔓延最终导致保护室内二次设备烧毁ꎮ监控装置突发故障失控ꎬ是最终引发火灾的间接原因ꎬ蓄电池漏液引起短路ꎬ是最终引发火灾的直接原因ꎮ３　改进措施及建议目前１１０ｋＶ变电站典型设计普遍采用单电单充直流电源系统供电模式ꎮ直流电源系统故障极有可能导致整个变电站失去直流电源ꎬ使得全站保护失去作用ꎬ扩大事故停电范围ꎮ为解决这一问题ꎬ可以采取以下３方面措施来提高其可靠性ꎮ３􀆰１　加强变电站直流电源系统运检管理１)电池组安装前应用橡胶板垫底ꎬ避震且防短路ꎬ安装过程中要轻拿轻放防止碰伤电池ꎬ安装完毕后要用１０００Ｖ摇表检查整组蓄电池正、负极分别对地绝缘ꎬ绝缘电阻均不应小于０􀆰２ＭΩꎬ使用前３天重点观察是否存在漏液现象ꎮ２)工作人员应严格巡视并检查蓄电池的状态ꎬ对存在隐患的电池及时更换ꎮ３)定期开展对蓄电池的校验ꎮ新安装的阀控蓄电池在验收时应进行核对性充放电试验ꎬ以后每２年应进行１次核对性充放电ꎬ运行了４年以后的阀控蓄电池ꎬ每年进行１次核对性充放电试验ꎬ仅配置１组蓄电池时宜用备用蓄电池组临时代替ꎬ进行全核对性放电试验ꎻ对蓄电池组所有单体内阻的测量ꎬ投运后必须每年至少１次ꎻ对蓄电池所有的单体浮充端电压ꎬ应每个月至少记录１次ꎻ每３年开展１次对直流屏的设备试验ꎮ设备试验数据若不符合相关标准要求ꎬ应及时进行更换和维修〔３〕ꎮ３􀆰２　蓄电池独立成室目前大量１１０ｋＶ及以下变电站蓄电池均采取集中组屏和与二次设备共室布置的方式ꎬ此方式存在以下风险:１)蓄电池与保护测控装置共室和组屏安装方式存在一定的安全运行风险ꎬ当蓄电池发生故障时易造成主控室“火烧连营”ꎬ如此次事故ꎬ损毁共室二次设备ꎬ危害电网安全稳定运行ꎮ２)蓄电池采用组屏安装方式时ꎬ蓄电池组散热效果不佳ꎬ屏柜内温度普遍超过３５℃ꎬ不利于蓄电池长期稳定运行ꎮ３)组屏安装方式下屏柜内空间狭小ꎬ不便于开展蓄电池端电压测试、内阻测试等常规试验ꎬ造成了部分蓄电池试验项目开展不全ꎬ而这些试验是对蓄电池组的容量是否正常、是否存在开路、短路等现象的重要判断依据ꎮ同时组屏安装方式下屏柜内不能直观观测到每只蓄电池是否存在漏液ꎬ外观有无异常变形ꎻ不便于检测接线螺栓有无发热现象ꎬ螺栓是否松动或腐蚀污染ꎬ造成部分缺陷和隐患不能及时发现ꎮ故有条件的已投运变电站应逐步将蓄电池组移出保护室ꎬ存放于独立的蓄电池室内ꎮ对１１０ｋＶ及以下新改扩建变电站应考虑设计单独的蓄电池室或采取与其他设备防火防爆有效隔离方式ꎮ３􀆰３　规范直流电源系统告警信息处理流程１)监控中心发现直流电源系统异常、故障或事故等告警信号后ꎬ应及时进行分析判断ꎬ并通知现场运维人员ꎮ条件具备时监控中心应通过工业视频系统开展直流电源系统远程核查ꎮ２)在未对信息进行分析判断前ꎬ监控中心和(下转第５６页)􀅰３５􀅰第３５卷第５期敖非等:１１０ｋＶ变电站直流电源系统事故分析２０１５年１０月趋势见图２ꎮ从图中可看出ꎬ２０１４年３月至２０１５年５月ꎬ油中Ｃ２Ｈ２呈缓慢增长趋势ꎬ其中２０１４年１２月至２０１５年５月ꎬ油中Ｃ２Ｈ２含量在５􀆰０~６􀆰０区间ꎬ已趋于稳定ꎬ变压器各项指标均保持正常水平ꎮ图２　处理后Ｃ２Ｈ２数据折线图３　结论１)变压器低压侧ｃ相连接板表面毛刺放电、高压侧Ｂ相均压罩松动和高压侧Ｃ相引出线端部圆柱体松动引起的悬浮放电是造成色谱异常的主要原因ꎮ２)２０１４年３月以后ꎬ变压器油中主要气体成分为Ｃ２Ｈ２ꎬ是在２０１３年４月缺陷未消除前产生ꎬ之后油中Ｃ２Ｈ２气体增长是因固体绝缘材料中残气回溶所致ꎮ３)在缺陷处理过程中ꎬ油色谱、带电局放、离线局放和油色谱在线监测技术的应用ꎬ起到了关键作用ꎮ参考文献〔１〕ＤＬ/Ｔ７２２—２０００变压器油中溶解气体分析和判断导则〔Ｓ〕.北京:中国电力出版社ꎬ２０００.〔２〕ＤＬ/Ｔ５９６—１９９６电力设备预防性试验规程〔Ｓ〕.北京:中国电力出版社ꎬ１９９６.作者简介刘丽(１９７３)ꎬ女ꎬ大学本科ꎬ工程师ꎬ现担任长安益阳发电有限公司生技部电气点检工