110 kV变电站直流电源系统事故分析

敖非，李辉

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

110 kV变电站直流电源系统事故分析

敖非，李辉

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

某110 kV变电站蓄电池存在隐患情况下，监控装置突发故障失控，最终导致蓄电池起火，烧毁整个保护室。分析调查该事故指出，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，进而避免安全事故的发生、提高系统工作的可靠性。

蓄电池；直流系统；事故；改进

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，进而在系统发生故障时引起保护装置越级跳闸，扩大事故范围。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，因此，直流电源在变电站中有着举足轻重的地位，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。

文中介绍了1例110 kV变电站直流电源系统事故及调查分析过程，并提出相关建议，供今后处理类似问题参考。

1 事故概况

1.1 运行方式

该110 kV变电站简化电气主接线如图1所示。110 kV A线带3号变，B线带2号变，母联500断路器热备用；2号变带10 kVⅡ母，3号变带10 kVⅢ母，母联300断路器热备用。10 kV出线共22条，其中19条运行，3条冷备用。故障前A线2号变负荷6.7 MW；3号变负荷6.9 MW。

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，电池组容量为200 Ah，浮充时的蓄电池单只电压为2.25 V左右，共配有103只，组屏安装，于2010年11月投运。

1.2 事故经过

2014年5月2日15时47分起，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，通知检修人员前往处理。检修人员于18时到达现场事故变对直流系统进行了检查，检查结果及结论如下:

1)检查直流系统电压。直流正、负极之间电压为233 V，正对地＋119 V，负对地－112 V，直流正负保险上下端头之间无压差，保险外观完好，直流保险顶针未触发，19时蓄电池总保险熔断信号自动复归，直到20时离开时，也无其他异常信号发出。

2)检查监控装置历史记录。从5月2日下午15时17分开始，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，均持续短至数秒，长至数分后自动复归。

3)检查直流系统运行情况。整站负荷为6.3 A，其中蓄电池充电电流为0.2 A，浮充状态，4个充电模块输出电流均在1.6～1.9 A之间。

直流系统正、负压差正常，各模块输出正常，负荷电流正常，无异常现象，并确认公用测控屏已收到监控模块所发异常信号，故检修人员判断为直流监控装置误发信号，通知厂家前来处理，同时屏蔽了后台相关直流电源系统告警信号，告警信息传输路径示意图如图2所示。

图2 告警信息传输路径示意图

2014年5月3日6时14分，该供电公司监控中心发现事故变电站远动信号全部中断；6时45分事故变电站内值守人员发现保护室内起火；6时48分调控中心拉开对侧变电站A线526，B线528断路器；7时30分拉开事故变3号变330，2号变320断路器；7时50分至10时47分进行10 kV负荷转供操作，所有负荷全部恢复。

1.3 事故调查

事故发生后，现场调查发现保护室内蓄电池屏烧毁最为严重，怀疑为蓄电池起火导致保护室火灾。恢复站内监控视频，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，蓄电池组Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ同层之间直接连通，无隔断，如图3所示)，随即起火，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，最终导致保护室内二次设备基本损毁。

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，未烧毁)，直流保险顶针确未触发，说明熔断器熔断信号并未发给直流电源系统监控装置，公用测控和后台收到的熔断器熔断信号，应是直流监控装置误发信号。结合现场查勘情况，基本可判定事故前运行中监控装置内部模块已损坏，导致装置频繁误发告警信息。同时由于监控装置告警与控制功能共用同一块CPU，CPU模块损坏后将导致监控装置限流、恒压等控制功能丧失，极有可能使蓄电池过充电，发生热失控。

2.2 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，正极会析出氧气并逐渐扩散到负极，进而生成水，此过程构成了闭合氧循环并散发热量。此充电过程中输入的电能大部分作为化学能得到存储，小部分则直接或间接地转化为热能，使电池温度升高。充电过程中电池温度随时间的变化而升高，当电池散热不良时，电池温度上升过快导致发热积累，进而恶性循环，电池温度将急剧上升，此即所谓热失控现象。

事故站内阀控密封铅酸蓄电池为组屏安装，蓄电池间隙紧密，热容小，未考虑电池热失控时的散热。如果站内监控装置失控，出现充电电压过高，充电电流过大，造成氧的大量析出，加速了负极去极化作用，必然产生过多的热量，从而导致电池内部温度升高，内阻下降；内阻下降又加大了充电电流，相互作用，温升进一步加剧，最终不可控制，极有可能导致电池因过热而槽体变形、膨胀、开裂〔1〕。

2.3 蓄电池起火原因分析

正常情况下，铅酸蓄电池的全部材料和物质成分都不是易燃物，不会发生自燃、引燃。但由于蓄电池组在运行中存在电流，因电流的持续能量供给，如果形成了回路或接触电阻很大就有可能发生过热，最终酿成火灾。可能的原因主要有2种:

1)电池端连线松动。电池端子、连线、连条均为良好的导热体。如果连接螺栓松动，在松动处接触电阻很大，接触点发热，并持续向两侧扩散。高温软化端子封胶、电池盖及电池壳体，烤焦连线绝缘层，发展到严重程度时就会冒烟着火。

2)电池损伤或电解液漏出形成电流回路。电池内部的电解液是优良的电导体，若外力、撞击、碰伤、膨胀、裂纹等使某个电池破裂，电解液渗出、漏出，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，这时由于蓄电池内阻很小，会产生很大短路电流，在漏点处会形成火星、火花。漏点逐渐扩大，电流更大，火花更多，从而引起火灾〔2〕。

结合事故变复原视频，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。

2.4 事故原因

通过现场事故调查，并结合试验数据综合分析，可推断此次事故应是由于监控装置突发故障失控，使得蓄电池长时间过充电，蓄电池组热失控漏液引起短路起火，火势蔓延最终导致保护室内二次设备烧毁。监控装置突发故障失控，是最终引发火灾的间接原因，蓄电池漏液引起短路，是最终引发火灾的直接原因。

3 改进措施及建议

目前110 kV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。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，使得全站保护失去作用，扩大事故停电范围。为解决这一问题，可以采取以下3方面措施来提高其可靠性。

3.1 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，避震且防短路，安装过程中要轻拿轻放防止碰伤电池，安装完毕后要用1 000 V摇表检查整组蓄电池正、负极分别对地绝缘，绝缘电阻均不应小于0.2 MΩ，使用前3天重点观察是否存在漏液现象。

2)工作人员应严格巡视并检查蓄电池的状态，对存在隐患的电池及时更换。

3)定期开展对蓄电池的校验。新安装的阀控蓄电池在验收时应进行核对性充放电试验，以后每2年应进行1次核对性充放电，运行了4年以后的阀控蓄电池，每年进行1次核对性充放电试验，仅配置1组蓄电池时宜用备用蓄电池组临时代替，进行全核对性放电试验；对蓄电池组所有单体内阻的测量，投运后必须每年至少1次；对蓄电池所有的单体浮充端电压，应每个月至少记录1次；每3年开展1次对直流屏的设备试验。设备试验数据若不符合相关标准要求，应及时进行更换和维修〔3〕。

3.2 蓄电池独立成室

目前大量110 kV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，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，当蓄电池发生故障时易造成主控室 “火烧连营”，如此次事故，损毁共室二次设备，危害电网安全稳定运行。

2)蓄电池采用组屏安装方式时，蓄电池组散热效果不佳，屏柜内温度普遍超过35℃，不利于蓄电池长期稳定运行。

3)组屏安装方式下屏柜内空间狭小，不便于开展蓄电池端电压测试、内阻测试等常规试验，造成了部分蓄电池试验项目开展不全，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。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，外观有无异常变形；不便于检测接线螺栓有无发热现象，螺栓是否松动或腐蚀污染，造成部分缺陷和隐患不能及时发现。

故有条件的已投运变电站应逐步将蓄电池组移出保护室，存放于独立的蓄电池室内。对110 kV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。

3.3 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，应及时进行分析判断，并通知现场运维人员。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。

2)在未对信息进行分析判断前，监控中心和现场运维人员严禁采取任何措施屏蔽信号。若确认所发信息为误发信息，需采取临时屏蔽措施时必须经相关分管领导批准〔4〕。

3)缺陷未消除前，运维人员应加强监视设备缺陷的发展趋势，并通知调控中心对危急、严重缺陷设备加强运行监视。

4)对于蓄电池出口熔断器熔断等一些重要的硬接点信号可直接接至公用测控屏，减少中间环节，降低误告警的概率〔5〕。

4 结束语

通过对110 kV变电站直流电源系统火灾事故的调查与分析，从运检管理、安装设计、告警处理3方面提出改进措施以避免此类安全事故的发生。运行实践证明这3方面改进措施能有效降低变电站内直流电源系统故障的风险，保证继电保护及自动装置的可靠运行。

〔1〕中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 5044—2004电力工程直流系统设计技术规程 〔S〕.北京:中国电力出版社，2004.

〔2〕国网公司直流电源系统运行规范 〔S〕.国家电网生计 〔2005〕172号.

〔3〕黄森炯，王晓，王晴.一起因蓄电池故障造成继电保护越级跳闸事故的分析 〔J〕.电气自动化，2012，34(6):39-41.

〔4〕赵军，石光，黄小川，等.一起变电站直流母线失电原因分析及解决方案 〔J〕.电力系统保护与控制，2009，37(23): 122-124.

〔5〕徐凯.对110 kV变电站直流系统改造方案的探讨 〔J〕.电力系统保护与控制，2010，38(7):116-118，123.

Analysis of DC system faults for a 110 kV substation

AO Fei，LI Hui

(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In the case of batteries failures in a certain 110 kV substation，the monitoring device was out of control，eventually led to the battery fire，and burned the whole substation relay room.By incident analysis，the paper points out the existent hidden danger and proposes the corresponding improvement measure to avoid the similar incident and improve power supply reliability.

batteries；DC system；fault；improvement

TM732

B

1008-0198(2015)05-0051-03

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.05.015

敖非(1983)，男，硕士，工程师，研究方向为电力系统继电保护及自动化技术，直流电源系统技术。

2014-12-10 改回日期:2015-05-13

李辉(1983)，男，博士，工程师，研究方向为高压直流输电、电力系统继电保护及自动化技术。