事故原因分析：變壓器爆炸釀慘禍

文/ 中國(guó)水科院 中國(guó)大壩協(xié)會(huì) 編輯/時(shí)香麗

事故發(fā)生前的薩彥－舒申斯克水電站 攝影/CFP

俄羅斯薩彥－舒申斯克水電站事故受到世界廣泛關(guān)注，影響重大。中國(guó)大壩協(xié)會(huì)在事故發(fā)生后，陸續(xù)收到了來(lái)自各方的質(zhì)疑和不同的信息。為澄清事實(shí)，以正視聽(tīng)，中國(guó)大壩協(xié)會(huì)收集整理了有關(guān)資料，但由于俄羅斯方未對(duì)事故做出正式的、官方的報(bào)告，也未能找到權(quán)威的俄羅斯專家就事故進(jìn)行探討，所以本文的分析仍是初步的。

薩彥-舒申斯克水電站位于葉尼塞河上游，混凝土重力拱壩最大壩高245米，水庫(kù)庫(kù)容313億立方米，壩后式廠房?jī)?nèi)安裝10臺(tái)單機(jī)64萬(wàn)千瓦的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)640萬(wàn)千瓦，多年平均發(fā)電量235億千瓦時(shí)。該工程于1968年開(kāi)工，首臺(tái)機(jī)組于1978年投運(yùn)，為提前收到效益，當(dāng)時(shí)采用60米低水頭的臨時(shí)機(jī)組，出力僅為15.5萬(wàn)千瓦，邊澆筑大壩邊發(fā)電。1987年全部機(jī)組投入正常運(yùn)行，成為當(dāng)時(shí)僅次于伊泰普電站（總裝機(jī)20×70萬(wàn)）的世界第二大水電站。

水電站壓力鋼管為壩后背管式，直徑7.5米。額定水頭194米，額定流量358立方米/秒。轉(zhuǎn)輪直徑6.77米，額定轉(zhuǎn)速142.8轉(zhuǎn)/min。最大水頭212米，最大出力73.5萬(wàn)千瓦。發(fā)電機(jī)額定電壓15.75kV，最大容量736MVA，定子采用水內(nèi)冷，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重935噸。

主接線采用擴(kuò)大單元接線，每2臺(tái)64萬(wàn)千瓦機(jī)組與1組160萬(wàn)kVA的單相變壓器組相聯(lián)，每臺(tái)單相變壓器的容量為53.3萬(wàn)kVA，位于廠壩間，升壓至500kV送出。

一般認(rèn)為，薩彥-舒申斯克水電站事故是變壓器維修時(shí)爆炸引起的。變壓器發(fā)生爆炸通常是內(nèi)部絕緣破壞，其原因大致有以下幾方面：

變壓器近端發(fā)生短路故障，短路電流所產(chǎn)生的電動(dòng)力使變壓器受到破壞，故障進(jìn)一步發(fā)展形成爆炸。類似事故在變壓器型式試驗(yàn)的短時(shí)電流試驗(yàn)中屢見(jiàn)不鮮。薩彥－舒申斯克水電站采用三個(gè)單相變壓器組的結(jié)構(gòu)，減小了內(nèi)部短路的幾率，但一旦發(fā)生對(duì)地短路將會(huì)產(chǎn)生很大的電動(dòng)力。

變壓器本身存在絕緣老化，在日常運(yùn)行中沒(méi)有及時(shí)處理，積累到一定程度導(dǎo)致變壓器絕緣損壞；另水電站的環(huán)境條件比較差，變壓器的絕緣油容易受潮，致使擊穿強(qiáng)度降低，當(dāng)遇到過(guò)電壓故障時(shí)發(fā)生絕緣擊穿，可以使變壓器線圈損壞、燒毀并引起爆炸。電力設(shè)備設(shè)計(jì)壽命通常是30年，薩彥－舒申斯克水電站從首臺(tái)機(jī)組1978年投運(yùn)至今已運(yùn)行40余年，如變壓器一直未更換過(guò)，則運(yùn)行時(shí)間早已超過(guò)其設(shè)計(jì)壽命，發(fā)生此類故障的幾率較高。

變壓器的故障一般不會(huì)造成變壓器的爆炸，變壓器通常具有差動(dòng)保護(hù)和瓦斯保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)是在變壓器輸入容量和輸出容量發(fā)生變化時(shí)的保護(hù)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘；瓦斯保護(hù)是在變壓器內(nèi)部壓力超標(biāo)時(shí)的動(dòng)作，切斷變壓器電源。早期設(shè)計(jì)的變壓器有防暴筒，變壓器絕緣擊穿短路后防暴筒動(dòng)作，變壓器內(nèi)部壓力釋放，外殼可能扭曲，但不應(yīng)爆炸。變壓器爆炸，說(shuō)明變壓器故障時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能是變壓器保護(hù)沒(méi)有及時(shí)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)沒(méi)有及時(shí)斷開(kāi)，變壓器內(nèi)部因絕緣擊穿而短路，短路電流引起變壓器內(nèi)部壓力驟升，防暴筒來(lái)不及釋放，引起爆炸。

攝影/ChinaFotoPress/CFP

當(dāng)變壓器爆炸后，機(jī)組失去負(fù)荷，轉(zhuǎn)速快速上升。為保護(hù)機(jī)組不至因?yàn)轱w逸而破壞，水輪機(jī)調(diào)速器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)葉。如導(dǎo)葉關(guān)閉太快，會(huì)使導(dǎo)葉前壓力快速上升。根據(jù)電站基本參數(shù)估算，其壓力鋼管長(zhǎng)度約為450m，壓力波在水中傳遞速度約為900m/s，壓力波由機(jī)組傳至水庫(kù)需0.5s。當(dāng)機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉內(nèi)流速在25m/s左右。如導(dǎo)葉全關(guān)閉時(shí)間為5s，水擊壓力約為230m水頭，如在額定水頭194m工作，總壓力超過(guò)400m水頭，作用在導(dǎo)葉前圓環(huán)上的壓力可能高達(dá)5000～8000噸，這種水壓作用完全可能沖破水輪機(jī)頂蓋，進(jìn)而掀翻機(jī)組。

然而，在水電站設(shè)計(jì)中，發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷應(yīng)該是設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到的運(yùn)行工況之一，不應(yīng)該因甩負(fù)荷而造成如此大的損失。事故發(fā)生可能是調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律設(shè)置不合理，也可能是調(diào)速器或油壓裝置出現(xiàn)故障。此外，也不排除變壓器爆炸損壞了空壓機(jī)和油壓裝置，導(dǎo)葉在自關(guān)閉水力矩作用下自動(dòng)關(guān)閉。

我國(guó)近十幾年對(duì)水電站進(jìn)行大規(guī)模的技術(shù)改造，大中型水電站基本上都采用了自動(dòng)化水平更高也更安全的調(diào)速器。只要高度重視安全問(wèn)題，注意保持設(shè)備的完好率，特別是對(duì)一些關(guān)鍵設(shè)備定期進(jìn)行檢查維修，應(yīng)該完全可以避免類似事故的發(fā)生。

當(dāng)前，國(guó)際上報(bào)導(dǎo)對(duì)于事故原因還有如下猜測(cè)：1、因異物進(jìn)入水輪機(jī)組，導(dǎo)致導(dǎo)葉緊急關(guān)閉，從而發(fā)生水錘；2、變壓器爆炸傷及壓力鋼管或蝸殼，導(dǎo)致高壓水涌出；3、水錘發(fā)生導(dǎo)致變壓器爆炸。