弧光爆炸事故背后的电力谐波威胁

1、弧光爆炸事故背后的电力谐波威胁全国石油和化工工业电气技术委员会委员 中国自动化学会专家咨询委员会委员安徽土木建筑学会建筑电气专家工作委员会专家作者简介 淮南作为华东最大的能源城，现进行产业升级，以“能源谷”为支撑，建设“智慧谷”。 (一)、淮南信息化产业简介 淮南政务新区 高新区综合服务体 0、引言 中国移动安徽淮南数据中心 大数据产业集聚区 江淮云产业平台 淮南高新技术产业开发区，它位于淮南市舜耕山南麓，规划建设面积为10.75平方公里，已注册企业58家，其中工业企业15家，电子商务类企业43家。新引进亿元以上项目7个，招商引资资金近30亿元。江淮云产业平台、中科院淮南新能源研究中心、中国移

2、动(安徽)数据中心、中科院大气所淮南研究院等一批大项目均在其中。 淮南山南新区配电网布局规划图 根据淮南高新技术产业开发区的发展定位和总体规划，将建220千伏变电站四座，110千伏变电站九座，10kV开闭所五十一座。其中，220千伏变电站与10千伏变电站均采用典型设计标准，220千伏变电站为开放式，占地预留面积为38.76亩；110千伏变电站均为全户内设计，占地预留面积为5.15亩；电缆沿规划道路敷设，110千伏高压线路走廊预留宽度为25米。 封闭式110kV变电站 开放式220kV变电站 淮南移动公司在悦和路办公区的IDC数据机房，为2013年8月投入运行。它有十个标准机房，具有2000个机

3、架的托管能力。其能耗效率PUE接近1.5，其总耗电量4000kW左右。一、移动IDC高压配电室弧光爆炸事故 悦和路移动IDC 2013年投运的淮南悦和路移动中心悦和路移动IDC 具有2000个机架的托管能力的移动IDC 2015年4月13日八点左右，淮南移动动力班接到移动上级监控值班室电话通知：和悦路局高低压配电机房烟雾告警。维护人员旋即赶到现场，进入和悦路局无人值守高低压配电室后，发现10kV高电压进线柜已跳闸，消弧消谐柜上方烟雾传感器报警，柴油发动机备用电源已启动，油机供电正常；10kV高压供电侧消弧柜控制面板有B相弧光接地两条告警记录，打开消弧柜后，发现有AB两相熔断器熔断，柜内有熔断器

4、放电痕迹，过压保护器C相爆炸脱落。弧光爆炸视频截图 事故柜内部现状 向供电局咨询周边10kV供电情况，告知3公里处市公安大厦、财政大厦两处高压配均发现电缆接地跳闸故障信号(它们的地下室高压配有和移动和悦路局高压配功能一样的消弧消谐装置)，供电局维护人员正在巡查。下午两点供电局排除故障，恢复10kV系统供电，故障停电六小时。 数据中心高压配电室 IDC数据中心标准机柜 消谐消弧保护装置 和悦路IDC数据中心投运只有两年，关于这次故障的性质与起因，现场运行管理人员、电气设备厂家代表、供电局调度及维护人员各执一词，互不相让。本人作为业内技术专家，被邀参加了事故分析与鉴定会。本人详细考察了事故现场，发

5、现了许多系统性缺陷，而它恰恰是解决供电老问题带来的新问题。(一)、事故现场分析 淮南高新区的建设与发展，对电网的要求是供电线路全部入地。空气绝缘的架空线路被固体绝缘的电缆线路所取代后，由于固体绝缘击穿的积累效应，其内部过电压，特别是电网发生单相间歇性弧光接地时产生的弧光接地过电压及由此激发的谐振过电压，已成为当前电缆电网安全运行的一大威胁。淮南高新区现场的解决办法就是大量使用消弧消谐柜。 鲁岗110kV变电站“消谐消弧保护装置”布置示意图 但新的问题出现了： (1)、发生弧光接地时，如果电网中的消谐消弧保护装置均能可靠运行，则各台消弧消谐装置都会动作。这样，现场维护人员将无法找到真正的故障点。

6、因为在10kV系统中任何地方只要有一点发生弧光接地，该系统中的消弧消谐装置都会动作，这时弧光也就随即消失，而10kV系统的故障相上却有多个金属性接地点。当真的故障点发生的线路被切除后，运行人员就会将消弧消谐装置复位，可是无论运行人员对哪一台消弧消谐装置复位，这台消弧消谐装置都会立即发出报警信号，提示10kV系统中还有接地点，这样运行人员就会误认为刚切除的故障线路中是没有故障的，应该是在其它回路中。中性点不接地电网A相接地 (2)、电网发生弧光接地时，如果有一台消弧消谐装置发生误动作，将会导致相间短路的事故发生。例如：在A回路的A相发生了弧光接地，电网中的每台消弧装置均要将A相真空接触器闭合，出

7、现A相多处金属性接地。如果此时某台消弧装置的控制器受到干扰，导致这台消弧装置将非故障相B或C相上的真空接触器也合上，于是就会造成相间短路的事故发生。如果接地点不能立即断开，将会发生总降10 kV系统的进线断路器跳闸，引发重大事故发生。 第一次熄弧后的故障相电压 (3)、电网发生2处及以上弧光接地时，消弧消谐装置极易引起相间短路。仍以A回路的A相发生弧光接地为例(见示图)，如果4号配电站中的9号消弧消谐装置没有动作，而其它消弧消谐装置均动作并且准确地将A相真空接触器合上，在检修人员巡查故障点的过程中。B回路上又发生了B相弧光接地，原先没有动作的9号消弧消谐装置就会动作；合B相真空接触器，造成A，

8、B相之间发生相间短路，若用户高压配母线侧有设备出现弧光短路，总降10kV系统的进线断路器也有跳闸的可能，引起重大停电事故发生。 本次和悦路IDC数据中心高压配消弧消谐柜出现弧光爆炸，引起重大停电事故，上述三种原因都可能存在。第一次熄弧前后健全相电压变化 从上述分析中不难看出：在中性点不接地系统中，单相电弧接地如果是间歇性的“熄弧-重燃”接地，则会发生一个高频振荡过程，经过二次燃弧以后，两健全相的最大过电压为3.5倍系统额定相电压；如果故障相不存在振荡过程，最大过电压为2.0U。由于这种过电压持续时间可以达到数小时或更长，波及范围广，在整个电网某处存在绝缘弱点时，即可在该处造成绝缘闪络或击穿，因

9、此，弧光接地过电压的危害性很大。 又因架空线路影响了城市的美观，山南新区建设供电线路全用电缆入地的方式，而每公里电缆的电容电流要远远大于同等长度的架空线路。以10kV线路为例：架空线路的电容电流计算(按水泥杆、有避雷线计算)： IC3.7U线L10-33.710110-30.037A(二)、间歇性弧光接地与串联谐振仿真 电缆线路的电容电流计算： ICu(951.44S)/22000.23SU线 其中S为电缆心线截面积(mm2)。以截面积为300的10kV电缆为例，每公里电容电流可达2.32A。 由此可见：10kV线路每公里电缆的电容电流约为架空线路的63倍，新区10kV出线中电缆比重的增大势必

10、引起电容电流的增大，从而导致接地电弧无法熄灭，严重影响系统的可靠性 ，影响人身及设备的安全 。 由于10kV出线电缆所占比重的增加，导致电容电流升高超过了规程的要求，而10kV供电系统采用中性点不接地方式，如系统发生单相接地故障时的故障电流超过了中性点不接地系统10A(电容电流)，接地电弧不能自行熄灭， 将引起电弧接地过电压。以本案例电网为参考建模，进行仿真来研究，可得如下模型： 电阻参数： 电抗参数： 电容参数： 考虑电缆出线，传统电容电流参数针对的是油浸纸电力电缆，现采用聚氯乙稀交联电缆每公里电容电流增加20%，则有： 在此模型下模拟在0.5秒时突然变化到串联谐振参数，所得波形如下：谐振过

11、程电压曲线 间歇性电弧是由于电弧不稳定燃烧引起的。目前分析电弧过程的三种理论高频熄弧理论、工频熄弧理论和熄隙恢复电抗强度理论都认为电弧过零熄灭，下个电压峰值重燃。目前对间歇性电弧的研究主要集中在过电压方面，对间歇性电弧引发的谐波瞬态过程研究很少。这主要是因为仿真模型建立起来比较复杂。下面给出现场的选线装置捕捉到的间歇性电弧的波形。间歇性电弧波形引发的谐振过程 在中性点不接地系统中，单相电弧接地如果是间歇性的“熄弧-重燃”接地，则会发生一个高频振荡过程，经过二次燃弧以后，两健全相的最大过电压为3.5倍系统额定相电压；故障相不存在振荡过程，最大过电压为2.0U。由于这种过电压持续时间可以达到数小时

12、或更长，波及范围广，在整个电网某处存在绝缘弱点时，即可在该处造成绝缘闪络或击穿，因此，弧光接地过电压的危害性很大。 淮南山南高新技术区10kV系统大量使用的消谐消弧及过电压保护装置，如下图所示。二、消弧消谐柜原理及使用 10kV系统消谐消弧柜布置示意图 移动数据中心高压配电室采用了XHG消弧及过电压保护装置，结构如图所示。消弧及过电压保护装置(简称消弧柜)，是为了迅速消除中性点非直接接地系统弧光接地给电器设备带来的危害而研制的专利技术产品。 (一)、消谐消弧保护装置原理 消谐消弧及过电压保护装置(简称消弧消谐柜)，其“消弧”指一次消弧，当系统发生非金属性接地(弧光接地)时，将引起另外两相电压升

13、高，最高可达3.5Un，威胁其他电气设备运行。此时消弧控制器将接地相的真空接触器接通，使接地相直接与大地接通，即将弧光接地转化为金属性接地，可以将过电压限制在1.732Un，同时使电弧熄灭；“消谐”是对二次回路消除谐波，主要是安装在PT的开口三角绕组瞬间接入大功率的消谐电阻，利用消谐电阻破坏系统的谐振参数，消耗谐振功率，从而消除系统的谐振故障。消弧消谐柜原理示意图 当电力系统发生单相接地或发生PT单相断线时，PT的辅助二次输出信号将由低电平变成高电平，微机控制器启动中断，对PT二次输出信号Ua、Ub、Uc进行处理，判断故障类型和相别， 并作出如下处理：如果是间歇性电弧接地，则微机控制器在20m

14、s之内向故障相真空接触器发出合闸命令，真空接触器在15ms之内将故障相与接地网直接连接，消弧消谐装置及过电压保护装置在40ms之内将弧光接地快速转化为金属性接地，弧光接地过电压消失。系统可以在单相接地稳态下运行2h，以保护用户供电的可靠性。 1、控制器，2、穿墙套管，3、铭牌，4、观察窗，5、标识牌，6、电流表，7、主母线，8、支柱绝缘子，9、柜内照明装置，10、高压隔离开关，11、PT保险，12、操作机构，13、过电压保护器，14、电压互感器PT，15、电流表，16，、电磁锁，17、柜顶小母线，18、二次仪表室，19、撞击机构、20、限流熔断器(FU)，21、高速真空接触器。成品消弧消谐柜结

15、构 IDC数据中心谐波分为两部分，第一部分是用户侧谐波，又称高频谐波，通常是指40次以上的谐波，频率通常2kHz以上，主要对信息设备产生危害，造成工作质量下降、死机、元件损坏、整机寿命下降等；关于这类谐波分析文章较多。 (二)、高频谐波对控制器的影响 第二部分是电力侧谐波，常态下为低频谐波，通常是指40次以下的谐波，尤以3、5、7、9 等次谐波为代表，在电力电子装置大量应用供电系统之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机；而在电力电子设备大量应用之后，后者成为最主要的谐波源。 电力侧常态谐波长期存在，会造成电网供电效率下降，电容发热甚至烧毁等。最严重的是故障态下以单相间歇性弧光

16、接地引发高频、工频及低频谐振，包括线性谐振、铁磁谐振和参数谐振。这类电力侧谐波危害最大。当前，由电力故障引发谐波的这类研究还是不足的。IDC数据中心谐波的分类 随着电缆网运行时间的增加，电缆引起的故障也不断增多，由于电缆绝缘破坏而导致单相间歇性弧光接地时有发生。故深入研究单相间歇性弧光接地引发高频、工频及低频谐振很有必要。 另外，IDC数据中心节能装置与变频器的使用，高频谐波对消弧消谐柜控制器的影响不容忽视。 控制器是消谐消弧保护装置的核心部件，一般以高抗干扰能力的PIC单片机为核心处理器，核心处理器由两块单片机组成，能同时完成对消弧、消谐及选线的综合控制。消谐消弧柜控制器还能将系统的故障信息

17、(包括故障类型、故障时间等)长期保存，用户可根据需要查询系统的故障记录。但在实际应用中，消弧消谐柜控制器常常常无法抵抗来自外界的各种干扰，或者控制器内部软件、硬件出现了异常问题等不可预测的因素发生，都会导致电网弧光状态下，而消弧装置将非故障相B或C相上的真空接触器合上，造成相间短路的事故发生(本次事故，就是该性质)。 用户侧的高频谐波对控制器的影响可能使得消弧消谐装置误动作。因为现有的消弧消谐装置控制器分为两类，一类是模拟式控制，另一类是数字式控制。但不管是那一类都有一个测量环节，这个环节要使电网电压、功率、无功频率等忠实地告知控制机构下一个环节控制环节。 消弧消谐柜控制器对输入量(电压或电流

18、)的频率变化是有不同反应的，有些甚至有敏感的反应。它可能使控制器内部软件、硬件出现了异常问题。 控制器的典型环节是惯性环节的积分电路和积分环节的积分运算放大器，结构如图所示。电压暂降或暂升，中断引起了三相不对称(平衡)，则对某些控制设备会有影响。 a)、积分电路 b)、积分运算放大器 微分环节的输出量，在交流稳态和瞬态都表现为超前的特点。谐波成分通过微分环节往往被放大，如仿真消谐消弧柜参数(R60,C54F)，有205次谐波的电压通过该类环节，其谐波与基波比升到59.8，为谐波原有的3倍。带有谐波穿过微分电路入出的变化 以上所说明的积分，微分和比例放大环节，以及各种变换环节，可以组合成任意的控

19、制系统，尤其是大量采用的PID调节系统，经过上述演算方法，使一个环节的输出与另一个输入连结，构成所需要的控制系统。而电能质量问题将会对其产生不利影响。IDC数据中心谐波检测数据 IDC数据中心工程会面临的几个问题： 你所知道的问题 (投资、节能、运行的可靠性，IDC数据中心设计应达到的技术指标) 你所不知道的问题(特别重要设备可靠性，电力系统的潮流及暂态过程)； 你不知道你所不知道的问题(安全盲点问题，故障电流与电力电缆故障问题，火灾与爆炸问题)。三、城市发展与IDC供电安全的思考 IDC数据中心的安全风险常由我们“不知道所不知道的问题”而引发！ 我们没有办法完全避免现代工程建设，由于信息与知

20、识的不完备而引起的安全风险！ 随着各开发区、高新区的发展，用户电网(610kV)电缆的大量使用、规模不断发展、性质不断变化，使得电力系统结构日趋庞大和复杂，系统风险不断扩大，尤其是电力谐振与过电压问题日益严重。 电网运行中，正常时中性点不接地系统PT铁芯饱和易引起谐振；中性点不接地方式单相故障可引起谐振；运维人员操作或事故处理方法不当亦会产生谐振；另外设计选型、参数不匹配亦可引发谐振。 (一)、电力谐振问题 线性谐振：谐振回路由不带铁芯的电感元件(如输电线路的电感、变压器的漏感)或励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件(如消弧线圈)和系统中的电容元件所组成。 铁磁谐振：谐振回路由带铁芯的电感元件(

21、如空载变压器、电压互感器)和系统的电容元件组成。因铁感芯电元件的饱和现象，使回路的电感参数是非线性的，这种含有非线性电感元件的回路在满足一定的谐振条件时，会产生铁磁谐振。 参数谐振：由电感参数作周期性变化的电感元件(如凸极发电机的同步电抗在KdKq间周期变化)和系统电容元件(如空载线路)组成回路，当参数配合时，通过电感的周期性变化，不断向谐振系统输送能量，造成参数谐振。电力谐振问题(二)、用户侧的谐波问题 变频设备：现代化数据中心使用了大量变频节能设备，如 ：变频空调、变频电梯、变频水泵等。变频类设备内部工作基本均为整流- 逆变过程，因此会产生谐波。 UPS电源：现代化数据中心对于重要机房的供

22、电稳定性要求很高，因此常常要应用UPS 不间断电源。UPS 电源的工作原理与变频设备近似，因此产生谐波的方式和种类也较为相似。一般来说，6 脉冲的UPS 主要产生5、7 次谐波，12 脉冲的UPS 主要产生11、13 次谐波。 照明灯具：节能灯电子镇流器将50Hz电源转换成大约38kHz的高频，因此它将电灯闪烁降低到感受不到的水平。高频电子镇流器工作时由于非线性负载使得电流波形不是正弦波而产生谐波。一般来说，节能灯主要产生3 次谐波。IDC数据中心UPS电源 IDC数据中心的设备是通过电网阻抗对其他设备形成干扰的，这个过程如下：各类电力电子设备产生谐波电流谐波电流流过电网阻抗时，产生了谐波电压

23、谐波电压对其他设备产生了干扰。 (1)、判断设备是否受到各类电力电子设备谐波电流的影响，需要看谐波电压畸变率，一般超过5%就会导致设备的误动作 ； (2)、设备距离各类电力电子设备越近，谐波电压越高，越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰 ； (3)、电源越弱，例如小容量变压器、发电机、UPS 等，各类电力电子设备的谐波电流干扰越强 ； (4)、设备与变压器之间的电缆越长，设备越容易受到各类电力电子设备谐波电流的干扰。(三)、消弧柜使用存在的困境 虽然当前流行的消弧消谐装置己获得广泛应用，它能迅速消除中性点非直接接地系统弧光接地给电气设备带来的危害，解决了小电流接地系统间歇性弧光接地过电压的危害问题，对于提高供电的可靠性发挥了一定作用，但大量重复使用也会带来新的危害。 只能用于线路消弧。即只能用于电容电流30A的电缆线路消弧，工频过电压小于线电压的1.1倍，暂态过电压是相电压的3.5倍。 供电线路电容电流30A的系统X0/X1会落在(-20，-1)之间，即使单相金属性接地，健全相工频电压也会很高，系统无法承受，不能使用故障相接地消弧方法。消弧消谐柜 小容量变压器的变电所不能使用消弧消谐装置。因为油变压器拉弧可自愈不会造成事故。特别是小容量的10KV/0.38的变压器，只有后备瓦斯保护，一