空氣斷路器絕緣瓷柱爆裂事故的分析

董錦川

（國網(wǎng)新源潘家口蓄能電廠，河北 唐山 064309）

空氣斷路器絕緣瓷柱爆裂事故的分析

董錦川

（國網(wǎng)新源潘家口蓄能電廠，河北 唐山 064309）

介紹了一起DB-20R2000 型空氣斷路器絕緣瓷柱爆裂的短路事故。通過對(duì)事故現(xiàn)象的分析，查明事故原因，并闡述了事故的潛在危害性，提出了防范措施及改進(jìn)建議。改進(jìn)后的開關(guān)設(shè)備經(jīng)受了大負(fù)荷的考驗(yàn)，可靠性大大提高。

空氣斷路器；絕緣瓷柱爆裂；短路事故

潘家口蓄能電廠位于河北省遷西縣，屬潘家口水利樞紐工程的二期工程，是我國第一座投入運(yùn)行的中型混合式抽水蓄能電站,主要承擔(dān)華北電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻和事故備用任務(wù)。一期工程隸屬水利部管轄，有1座2 9.3億m3的水庫、及1臺(tái)150 MW國產(chǎn)常規(guī)機(jī)組；二期工程由國網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠管轄，有3臺(tái)引進(jìn)的意大利ABB公司生產(chǎn)的9 0MW抽水蓄能機(jī)組及下池?cái)r河壩。二期工程于1984年5月開工，1993年底全部竣工并投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。由于抽水蓄能機(jī)組的特點(diǎn)是啟停頻繁，因此，該廠在3臺(tái)蓄能機(jī)組13.8kV出口處，安裝了低電壓大電流的DB-20R2000型空氣斷路器，用來滿足系統(tǒng)需要時(shí)抽水蓄能機(jī)組能以相應(yīng)的工況可靠并網(wǎng)運(yùn)行。下面介紹一起該型斷路器絕緣瓷柱爆裂的短路事故。

1 事故經(jīng)過

1.1 事故前運(yùn)行方式

潘家口蓄能電廠出線部分采用雙母線經(jīng)母聯(lián)開關(guān)2245帶旁路母線，經(jīng)潘遵Ⅰ回線、Ⅱ回線與華北電網(wǎng)相聯(lián)接。3 臺(tái)單機(jī)90 MW的抽水蓄能機(jī)組出口額定電壓為13.8 kV，水泵/ 水輪機(jī)電壓側(cè)采用單機(jī)單變即單元接線方式，主變壓器高壓側(cè)電壓為220 kV 并采用有載調(diào)壓方式。事故前4 號(hào)機(jī)組在水泵工況運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷為-90 MW，出口開關(guān)04DL(DB-20R2000 型空氣斷路器)在合閘位置，主變壓器高壓側(cè)開關(guān)2204DL(SW6-220/1200 戶外型少油斷路器)在合閘位置，廠用42 號(hào)變由4 號(hào)主變低壓側(cè)帶廠用電Ⅱ段，如圖1 所示。

1.2 事故現(xiàn)象

圖 1 事故前運(yùn)行方式

事故前一日21:28，4 號(hào)機(jī)組正常停機(jī)；22:10，4 號(hào)機(jī)組經(jīng)變頻器開機(jī)并網(wǎng)抽水。事故當(dāng)日05:31應(yīng)董錦川（國網(wǎng)新源潘家口蓄能電廠，河北 唐山 064309）空氣斷路器絕緣瓷柱爆裂事故的分析中調(diào)令4 號(hào)機(jī)停機(jī)；05:32，4 號(hào)機(jī)停機(jī)順控操作開始執(zhí)行；05:33，廠用電Ⅱ段電壓消失，備自投動(dòng)作正常，廠用電Ⅱ段供電正常，廠用42B 高壓開關(guān)12DL 未分。

中控室信號(hào)：“發(fā)電機(jī)保護(hù)報(bào)警”、“2213收發(fā)訊機(jī)動(dòng)作”，操作一覽表出“發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作”、“4號(hào)機(jī)電氣事故停機(jī)操作”、“旁路距離保護(hù)異?！薄?/p>

機(jī)旁盤信號(hào)：“142.8 電動(dòng)機(jī)過流”、“主變低電壓”、“定子100 %接地”、“機(jī)變組距離保護(hù)動(dòng)作”、“4 號(hào)機(jī)接地保護(hù)動(dòng)作跳閘”、“4 號(hào)機(jī)主變距離保護(hù)跳閘”、“高壓回路斷開”。

運(yùn)行人員檢查繼電保護(hù)室P16 盤2204 開關(guān)TWJ 繼電器勵(lì)磁，HWJ 失磁；現(xiàn)場(chǎng)檢查2204 開關(guān)在分位，4 號(hào)主變壓器本體和出線開關(guān)2204 正常，機(jī)組出口開關(guān)04DL 絕緣瓷柱(A，B，C 三相)爆裂，開關(guān)本體及動(dòng)、靜觸頭嚴(yán)重?zé)龘p(見圖2)。

圖2 爆裂開關(guān)C相瓷柱

運(yùn)行人員拉開4 號(hào)主變壓器操作直流開關(guān)4DK，拉開機(jī)組出口開關(guān)04DL 操作直流開關(guān)F1，F(xiàn)2；關(guān)閉04DL 供氣閥4405 和4406。05:35，4 號(hào)機(jī)組電氣事故停機(jī)操作成功。

2 事故分析

2.1 事故現(xiàn)象分析

05:32:49，4 號(hào)機(jī)組抽水轉(zhuǎn)停機(jī)流程執(zhí)行；05:33:05，4 號(hào)機(jī)組出口斷路器04DL 分閘，分閘過程中，系統(tǒng)側(cè)C 相瓷柱由于劇烈震動(dòng)而發(fā)生爆裂，使得C相工作觸頭由于沒有可靠的壓縮空氣滅弧，分閘時(shí)產(chǎn)生弧光使斷路器本體金屬部分單相接地，短路電流傳遞到斷路器的隔離開關(guān)三相上引發(fā)開關(guān)相間短路；05:33:06，發(fā)電機(jī)接地保護(hù)動(dòng)作，4 號(hào)機(jī)組電氣事故停機(jī)流程啟動(dòng)，4 號(hào)機(jī)變距離保護(hù)0 s 出口動(dòng)作，使主變出口開關(guān)2204DL 跳閘，高壓斷路器把系統(tǒng)與故障點(diǎn)分開，同時(shí)也切斷了主變壓器低壓側(cè)的勵(lì)磁變壓器，使得發(fā)電機(jī)(電動(dòng)機(jī))失去勵(lì)磁。

如果2204DL不能正確動(dòng)作，220kV系統(tǒng)會(huì)不斷將電流送到故障點(diǎn)，直到斷路器失靈保護(hù)起作用，因此會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大事故范圍，影響到其他機(jī)組的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接影響華北電網(wǎng)的安全穩(wěn)定?？梢娺@次斷路器瓷柱爆裂短路事故的潛在危害不容小視。

2.2 事故原因分析

DB-20R2000 型空氣斷路器為ABB 公司1989年生產(chǎn)，額定電壓為20 kV，額定電流為5 200 A，遮斷容量為13.8 kV 時(shí)69 kA，分閘時(shí)間55 ms。斷路器使用1.6 MPa 壓縮空氣，是斷路器滅弧和操作機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，儲(chǔ)氣罐容量0.6 m3，壓縮空氣通過空壓機(jī)系統(tǒng)供給。壓縮空氣作為滅弧介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是開斷電流時(shí)斷路器的絕緣恢復(fù)特性較好，切空長(zhǎng)線和開斷變壓器的空載電流能力強(qiáng)。斷路器本體有6個(gè)分流斷流器和3 個(gè)隔離開關(guān)，每個(gè)分流斷流器下端各有2 個(gè)絕緣瓷柱，起支撐分流斷流器和導(dǎo)通滅弧壓縮空氣的作用。該型斷路器的主要缺點(diǎn)是震動(dòng)大、噪聲響、管路易漏氣、檢修難度大等。

自1992 年投入運(yùn)行，14 年來，該斷路器分合閘6 662 次，設(shè)備存在的問題日益顯現(xiàn)，多次發(fā)生因故障引起的非計(jì)劃停運(yùn)，已嚴(yán)重地影響了該廠的安全運(yùn)行，主要表現(xiàn)在設(shè)備老化、檢修難度大、配件缺乏等幾個(gè)方面。DB-20R2000 型斷路器在技術(shù)上已被淘汰，設(shè)備生產(chǎn)廠家于2000 年已停止生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)需要的零配件，特別是密封件難于保證供貨，檢修工期經(jīng)常受影響，同時(shí)，備品配件昂貴，檢修費(fèi)用很高。

1994-2005年間該廠對(duì)此斷路器進(jìn)行了3次大修和9次小修，主要是對(duì)滅弧室解體清掃檢查、更換處理燒損動(dòng)靜觸頭、操作機(jī)構(gòu)清掃、傳動(dòng)部位注潤(rùn)滑油、緊固各部螺栓、更換密封墊等，同時(shí)還進(jìn)行絕緣電阻、分合閘時(shí)間、交流耐壓和同期等電氣試驗(yàn)。由于該廠各類電氣設(shè)備絕緣瓷柱(瓶、套管等)從未出現(xiàn)裂痕等現(xiàn)象，檢修維護(hù)單位也沒有相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備和專業(yè)檢測(cè)人員，故未對(duì)斷路器支持瓷柱進(jìn)行探傷檢測(cè)。

事故發(fā)生時(shí)機(jī)組出口斷路器C相燃弧未被吹斷，形成對(duì)開關(guān)金屬部分接地。由于機(jī)組定子繞組中性點(diǎn)引出為通過接地電阻接地運(yùn)行，C相接地電流通過開關(guān)外殼、大地和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)構(gòu)成閉合回路，此時(shí)流過該閉合通道的為單相接地短路電流，此短路電流足可將空氣電離，使得斷路器瞬間發(fā)生三相弧光短路，最終造成斷路器爆炸。

根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論。

(1) 這是一起由于斷路器瓷柱爆裂而引發(fā)的斷路器短路爆炸事故。究其原因：一是開關(guān)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)；二是斷路器分合閘時(shí)振動(dòng)較大、噪聲響；三是斷路器分合閘次數(shù)多。

(2) 在該斷路器分閘切斷負(fù)荷電流時(shí)，由于斷路器本體振動(dòng)過大，使支持瓷柱強(qiáng)度受損，系統(tǒng)側(cè)C相工作絕緣瓷柱瞬間爆裂，導(dǎo)致斷路器燒損事故。

(3) 4號(hào)主變壓器距離保護(hù)的正確動(dòng)作，使主變出口開關(guān)2 2 0 4 D L跳閘，切斷0 4 D L由于分閘故障產(chǎn)生的短路電流，防止了事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

(1) 通過對(duì)這次事故的分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)人員對(duì)進(jìn)口設(shè)備性能了解不夠深入，技術(shù)資料收集不夠全面；沒有對(duì)絕緣瓷柱進(jìn)行探傷檢驗(yàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)老化部件缺乏檢測(cè)手段。

(2) 防范措施：① 加強(qiáng)對(duì)斷路器等設(shè)備的巡視檢查；② 定期做好設(shè)備的維護(hù)和檢修工作；③加強(qiáng)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視，做好事故預(yù)想；④ 增加對(duì)瓷瓶絕緣部件的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理；⑤ 抓緊做好設(shè)備的選型工作，更換3臺(tái)斷路器。

(3) 事故發(fā)生時(shí)，好在沒有工作人員在現(xiàn)場(chǎng)，否則，會(huì)發(fā)生重大人身傷害事故。因此，在機(jī)組出口開關(guān)分合閘時(shí)，工作人員應(yīng)盡量遠(yuǎn)離此設(shè)備，或者在斷路器圍欄處安裝網(wǎng)狀金屬框架并鑲嵌有機(jī)玻璃，既方便工作人員巡視檢查設(shè)備，同時(shí)又能防止人身傷害的發(fā)生。

(4) 建議安裝有類似DB-20R2000型空氣斷路器的單位，加強(qiáng)對(duì)支持瓷柱的探傷檢測(cè)，或者盡早更換為新型的機(jī)組出口斷路器

4 結(jié)束語

該廠于2006-2008 年陸續(xù)將3 臺(tái)DB-20R2000型空氣斷路器更換為法國AREVA 公司生產(chǎn)的FKG2S 型發(fā)電機(jī)出口斷路器。該型斷路器為SF6 三相戶內(nèi)敞開式，額定電流為6 300 A、額定電壓為17.5 kV、額定短路關(guān)合電流為173 kA。其特點(diǎn)是噪音低、震動(dòng)小、電氣壽命長(zhǎng)、絕緣強(qiáng)度高、斷弧能力強(qiáng)、無燃無爆、方便調(diào)試和維護(hù)、機(jī)械操作分合次數(shù)大于10 000 次。同時(shí)，機(jī)變組保護(hù)亦同步改造，更換為DRS-COMPACT 數(shù)字保護(hù)(北京維奧機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn))。

該廠所使用的F KG2S型S F6斷路器經(jīng)受了2007年和2008年華北電網(wǎng)夏季大負(fù)荷的嚴(yán)峻考驗(yàn)，運(yùn)行正常，使蓄能機(jī)組可靠性大大提高，確保了全廠安全生產(chǎn)的穩(wěn)定。

2006-08-26；

2009-10-05)