核電站500kV開關(guān)站某隔離開關(guān)產(chǎn)生VFTO的探究

胡浙麟　李念飛　吳茂平

摘 要：本文介紹了核電站500kV開關(guān)站某隔離開關(guān)發(fā)生的放電事故，根據(jù)現(xiàn)場解體檢查結(jié)果與過電壓仿真計算結(jié)果，對放電原因分析，特別提出VFTO對隔離開關(guān)的影響。在此基礎(chǔ)上，提出切實可行的反措，為同類故障的排查與預(yù)防提供了重要的參考。

關(guān)鍵詞：隔離開關(guān)放電；VFTO；反措

中圖分類號：TM15

Study on the VFTO of an isolated switch in the 500kVswitch station of nuclear power plant

Hu Zhelin Li Nianfei Wu Maoping

China Nuclear Power Operation Co GuangDong ShenZhen 518124

Abstract：This paper investigated the discharge accident occurred in an isolated switch of 500kV switching station in nuclear power plant. According to the results of the overhaul inspection and overvoltage simulation， the cause of discharge accident is analyzed. In particular， the influence of VFTO on isolating switch is put forward . On this basis， the paper puts forward some feasible countermeasures， which provides an important reference for the investigation and prevention of similar faults.

Keywords：Discharge of isolated switch；VFTO；countermeasures

2007年11月28日14時54分，因核電站主變檢修要求進(jìn)行隔離操作，斷開斷路器后，在進(jìn)行斷路器與母線之間的隔離開關(guān)操作時，隔離開關(guān)的A相發(fā)生對地放電故障，導(dǎo)致母線第二套母線差動保護(hù)動作，斷路器跳閘。刀閘所在氣室出現(xiàn)壓力高報警。

故障波形顯示接地故障持續(xù)時間2個半周波，A相對地電流峰值達(dá)到12900A。電氣人員現(xiàn)場檢查隔離開關(guān)的機(jī)械位置指示處于綠色分閘狀態(tài)，對應(yīng)氣室觀察窗表面有大量白色粉末，說明氣室內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重放電故障。

2007年11月29日，檢修人員將故障氣室解體后，發(fā)現(xiàn)氣室內(nèi)部存在大量的白色粉末（電弧作用下，SF6氣體與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成外觀為白色粉末的氟化物等物質(zhì)），并伴有強烈的刺激性氣味。隔離開關(guān)動觸頭局部燒融、靜觸頭均壓罩局部燒穿、靜觸頭后部均壓罩及氣室內(nèi)表面有多處電弧灼傷痕跡。

現(xiàn)場檢查圖片如下所示：

1 事故分析

1.1 背景

核電站500kV變電站為GIS開關(guān)站，采用3/2接線。變電站有1回去惠州的出線，2臺聯(lián)絡(luò)變壓器和1臺主變壓器。

開關(guān)站的電氣主接線見圖5所示：

惠州出線和每臺變壓器退出運行的操作步驟是：首先斷開與出線和變壓器相連接的兩臺斷路器，然后再進(jìn)行其它刀閘的操作，其中有一步是操作斷開與帶電母線相連的刀閘。由于隔離刀閘的一側(cè)帶電，在打開過程中斷口會發(fā)生重燃，會產(chǎn)生VFTO過電壓。此現(xiàn)象因隔離刀打開的時間不同而存在一定的分散性，即每次的過程和現(xiàn)象有隨機(jī)性。

該變電站的GIS由法國阿爾斯通生產(chǎn)，于1994年投運，至今已運行13 年。

事故刀閘407JS為法國Alstom公司產(chǎn)品，型號SFT155。其主要電氣參如下：

按照維修大綱要求，每年對GIS的氣體水分和壓力進(jìn)行檢測，2007年7月對GIS的氣體水分和壓力進(jìn)行過檢測，檢測結(jié)果合格。

1.2 事故原因分析

現(xiàn)場檢查隔離開關(guān)機(jī)械位置指示為綠色，觀察窗檢查動觸頭到位。機(jī)械連接的連桿、安全銷等部件完好無損，回裝后電動操作正常，電機(jī)絕緣直阻正常， 因此可排除隔離開關(guān)因驅(qū)動機(jī)構(gòu)故障引起分閘不到位或分閘速度過慢而產(chǎn)生超高過電壓的可能。

開關(guān)站進(jìn)行2#主變隔離工作，詳細(xì)操作順序 （元件代號可參見圖5的電氣主接線圖） 如下：

1）斷開發(fā)電機(jī)負(fù)荷開關(guān)；

2）斷開 450JA；

3）斷開452JA；

4）聯(lián)系調(diào)度＼＼#1聯(lián)變490TR需短時停運（因為要斷開403JS）；

5）斷開500kV 451JA；

6）斷開400kV 250JA；

7）斷開400kV 251JA；

8）斷開500kV側(cè)404JS刀閘；

9）斷開500kV側(cè)403JS刀閘；

10）斷開500kV側(cè)406JS刀閘；

11）斷開500kV側(cè)407JS刀閘；

12）斷開500kV側(cè)405JS刀閘。

當(dāng)執(zhí)行到第11步時，即進(jìn)行407JS刀閘分閘操作時，407JS刀閘所在氣室發(fā)生A相接地短路故障，從保護(hù)錄波圖可見電流達(dá)16kA左右。導(dǎo)致802JB 母線第二套差動保護(hù)（型號：TDB11）動作，跳開552JA開關(guān)。

等效電路分析

在進(jìn)行407JS斷開操作時，理論上與切空載長線類似。系統(tǒng)的等效電路如下圖所示。

其中E：系統(tǒng)電源，l：變壓器590TR及回路等效電感，C：407JS至452JA段等效對地電容，R：回路等效電阻。

假設(shè)電源E為無窮大，忽略系統(tǒng)及電弧等效電阻R，假設(shè)在開關(guān)斷開之前電源電動勢e（t）即為電容C上的電壓Uc（t）。當(dāng)隔離開關(guān)動作后，觸頭開始分離。

當(dāng)開關(guān)性能很好時，不發(fā)生重燃，分?jǐn)嘟Y(jié)束，不產(chǎn)生過電壓。而當(dāng)能發(fā)生重燃時，就會產(chǎn)生過電壓。為了展現(xiàn)物理過程，分析時考慮可能導(dǎo)致最大過電壓的前提，決定電弧熄滅與重燃時刻。

當(dāng)開頭的電流過零時，電弧熄滅，此時電容C上的電壓為最大值Em。如忽略電荷的泄漏，則電容C上維持殘壓Em，但開關(guān)電源側(cè)觸頭上的電壓仍然按照電源余弦電勢變化，于是開關(guān)觸頭上出現(xiàn)了越來越高的恢復(fù)電壓。如果開關(guān)觸頭間去游離能力很強，抗電強度的恢復(fù)增長很快，則電弧從此熄滅，線路就被斷開。但若開關(guān)性能不佳，則在恢復(fù)電壓的作用下觸頭間有可能發(fā)生重燃。通常考慮最危險的過電壓情況，即重燃恰巧發(fā)生在恢復(fù)電壓最高的時刻。在電弧重燃瞬間，電源電壓 E 突然加在 C 與 L 組成的振蕩回路上，由于回路固有頻率比工頻大很多，所以過渡過程為高頻振蕩，忽略回路損耗引起的電壓衰減，振蕩過程中線路上的電壓最高值為：

在高頻振蕩過程中，高頻電路第一次過零瞬間發(fā)生熄弧。此后隨著觸頭之間的距離越來越大，恢復(fù)電壓也越來越高，如每隔半個工頻周期重燃一次，則過電壓將按照 3E，5 E，7 E 的規(guī)律變化，但不會無限增大[2]。

采用matlab進(jìn)行仿真，設(shè)定仿真電壓幅值為100V，考察2.5T內(nèi)的情形。

得出的仿真電壓波形如下：

圖7 電壓仿真波形

實際上，由于電弧過程有很大的隨機(jī)性，過電壓的幅值與也與起弧時刻、熄弧時刻密切相關(guān)，具有很大的隨機(jī)性[3]。

GIS 中所有的電氣元件以稍不均勻電場下工作為前提。隔離開關(guān)斷口出現(xiàn)先導(dǎo)型放電時才形成預(yù)或重?fù)舸?，擊穿時會在幾ns內(nèi)建立火花導(dǎo)電通道，在均勻或稍不均勻電場中通道形成VFTO沖擊波的上升時間[1]：

2 反措

1）定期進(jìn)行局放和氣體取樣檢測；

2）結(jié)合更換防爆膜時對隔離開關(guān)內(nèi)部進(jìn)行檢查；

3）盡可能避免或減少操作一端帶電的隔離開關(guān)；

4）工程條件滿足的前提下，裝配一種帶分合閘電阻的新型隔離開關(guān)[6]。

3 總結(jié)

本文根據(jù)某500kV開關(guān)站刀閘過程中出現(xiàn)的隔離開關(guān)放電事故，結(jié)合VFTO過電壓計算結(jié)果和實物解體觀察，對其放電事故原因進(jìn)行了全面分析，推斷了隔離開關(guān)放電事故的原因。并提出了避免同類事故發(fā)生的反措。

在本次事故中，操作一端帶電的隔離開關(guān)切除電容電流引起的操作過電壓是發(fā)生故障的直接原因。

分析得出：在進(jìn)行分閘操作時，母線側(cè)接有聯(lián)變和電網(wǎng)，起弧時電壓處于過零點附近，動靜觸頭之間的絕緣恢復(fù)速度不及電壓恢復(fù)速度，使得動靜觸頭的分離過程經(jīng)歷多次燃弧/熄弧過程，斷口的過電壓倍數(shù)增加，是損壞隔離開關(guān)的根本原因。在動靜觸頭完全脫離之后，動觸頭與靜觸頭均壓罩之間發(fā)生放電，使用帶電粒子擴(kuò)散，最終發(fā)生母線對地放電，是導(dǎo)致407JS損壞的直接原因?？梢哉J(rèn)為，300kV以上系統(tǒng)隔離開關(guān)連接有帶電變壓器時，為避免隨機(jī)性效應(yīng)導(dǎo)致GIS設(shè)備損壞，應(yīng)盡量避免或減少隔離開關(guān)的操作。

帶電操作隔離開關(guān)，易在動、靜觸頭間產(chǎn)生操作過電壓（VFTO），盡管過電壓的大小是隨機(jī)的，但是帶電操作隔離開關(guān)，有設(shè)備發(fā)生放電損壞的可能性（小概率），因此，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工作和隔離的需要，盡可能避免或減少操作一端帶電的隔離開關(guān)（不操作一端帶電的隔離開關(guān)，可杜絕隔離開關(guān)的燒毀）。

參考文獻(xiàn)：

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