大型水電站高壓廠用變壓器低壓側短路故障過程分析

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000； 2.四川管理職業(yè)學院，四川 成都 610000)

1 工程概況及高壓廠用變壓器保護配置情況

錦屏一級水電站位于四川省涼山州鹽源縣和木里縣境內，安裝6臺單機容量600MW的混流式水輪發(fā)電機組，年平均發(fā)電量為166.2億kW·h。電站主接線采用發(fā)電機變壓器的單元接線，發(fā)電機與主變之間有斷路器。500kV側采用43與雙斷路器混合接線的接線方式，其中雙斷路器為預留。三條出線至西昌裕隆換流站，變?yōu)?50kV的直流送至華東，實現(xiàn)了西電東送。

高廠變保護配置情況表

2 短路跳閘故障及現(xiàn)場排查

2.1 高廠變差動保護動作情況

2016年11月1日，監(jiān)控信號顯示：安裝間10kV 901M/902M聯(lián)絡刀閘90102G柜報Ⅱ母母線接地報警；二號機組主變保護A屏廠變差動跳閘報警；二號機組主變保護B屏廠變差動跳閘報警；二號機組主變保護A屏廠變差動跳閘復歸；二號機組主變保護B屏廠變差動跳閘復歸。

2.2 跳閘故障現(xiàn)場排查

經現(xiàn)場檢查，二號機組兩套主變保護動作報告顯示：差動電流10.70Ie，制動電流5.35Ie，跳閘出口正確。保護裝置采樣及回路正確。

現(xiàn)場檢查高廠變一次設備運行情況時，發(fā)現(xiàn)2號高廠變低壓側10kV電纜頭(高廠變低壓側與10kV開關之間)單相放電引起電纜著火，使電纜頭絕緣嚴重燒損。

調取2號母線洞工業(yè)電視視頻，發(fā)現(xiàn)在保護動作前幾分鐘2號高廠變內部發(fā)出了火光，將高廠變頂部10kV電纜終端附近的膠墊引燃，然后持續(xù)燃燒直至保護動作跳閘(見圖1、圖2)。

圖1 廠高變內低壓側電纜布置接線情況(紅圈為故障區(qū))

圖2 故障后電纜頭燒損情況(紅圈內為故障相接地點)

3 跳閘故障原因分析

3.1 電壓諧振波形分析

現(xiàn)場檢查調取數(shù)據時，發(fā)現(xiàn)高廠變差動保護動作前高廠變低壓側波形有畸變(見圖3)。根據圖3波形數(shù)據分析，故障期間2號高廠變低壓側三相電壓及零序電壓最大瞬時值均超過100V，含有大量高次諧波，且故障過程中10kV二段PT柜內微機消諧裝置投入動作。初步分析認為，此故障期間由于10kV電纜終端絕緣被燒損，導致電纜對地容抗參數(shù)發(fā)生變化，滿足諧振觸發(fā)條件進而發(fā)生高頻諧振。微機消諧裝置投入后，諧振消失，電壓恢復正常。

圖3 2號高廠變低壓側電壓諧振波形

3.2 高廠變低壓側短路故障分析

由于運行值班人員在故障發(fā)生后、保護跳閘前期間拉開了2號高廠變低壓側10kV開關，此后的故障期間無法直接從故障錄波裝置上查看到2號高廠變低壓側的故障電壓和故障電流，只能通過2號高廠變高壓側電流推算低壓側故障電流。

隨著故障進一步發(fā)展，2號高廠變高壓側三相電流(二次值)急劇增大，分別為IA=6.7A∠82°，IB=3.3A∠-97°，IC=3.3A∠-97°。根據Y.d11聯(lián)接中高低壓側電流關系，可計算2號高廠變低壓側三相電流(二次值)分別為Ia=[500×20×(IA-IB)]/(1.732×10.5×750)=7.35A∠82°，Ib=[500×20×(IB-IC)]/(1.732×10.5×750)=0A∠0°，Ic=[500×20×(IC-IA)]/(1.732×10.5750)=7.35A∠-102°，即2號高廠變低壓側A、C相電流大小相等，相位相反，B相電流為0，與不接地系統(tǒng)兩相短路故障特征完全吻合。隨著時間推移，2號高廠變高壓側三相電流(二次值)發(fā)生了變化，分別為IA=6.4A∠-6°，IB=6.0A∠-128°，IC=6.0A∠115°，同理可以計算出2號高廠變低壓側三相電流(二次值)分別為Ia=7.96A∠21°，Ib=7.96A∠-101°，Ic=7.96A∠141°，即2號高廠變低壓側A、B、C三相電流大小幾乎相等，呈正序120°關系，且略大于兩相短路電流值，這與不接地系統(tǒng)三相短路故障特征完全吻合。 圖4為2號高廠變低壓側機間短路故障波形。

圖4 2號高廠變低壓側相間短路故障波形圖

3.3 高廠變低壓側相間短路電阻計算

由2號高廠變銘牌參數(shù)可知，高廠變容量S=9.45MVA，短路阻抗標幺值XT=0.079，低壓側額定電壓Un=10.5kV，則2號高廠變低壓側發(fā)生金屬性短路時，其短路阻抗有名值X1=XTUn2/S=0.079×10.5×10.5×106/(9.45×106)=0.92Ω。

當2號主變低壓側發(fā)生三相短路時，其高壓側故障電流標幺值Ik(3)=6.0A×500/273=11，可計算出短路阻抗標幺值XT=1/Ik(3)=1/11=0.091，則短路阻抗有名值X1=XTUn2/S=0.091×10.5×10.5×106/(9.45×106)=1.06Ω。

由上述計算可知，當2號高廠變低壓側發(fā)生三相短路故障時，其短路電阻與發(fā)生三相金屬性短路時電阻相當，因此可以判斷2號高廠變低壓側發(fā)生了三相金屬性短路故障。

4 分析結論

經討論分析，此次故障的根本原因是高廠變廠家設計的變壓器低壓側電纜安裝固定方式不合理，安裝接線方式不合理，電纜頭位安裝工藝不到位,電纜主絕緣外層屏蔽未按照廠家工藝要求延伸至一定尺度的應力錐段,造成電纜導體在箱體開孔位置的電場嚴重畸變，另外電纜設計布置的彎曲度過小，進一步加重了該處電場的畸變,導致該位置在帶電后出現(xiàn)局部放電,達到一定程度后絕緣嚴重下降,產生高頻諧振后放電擊穿,經歷A相接地，A、C兩相短路，最終導致三相短路故障后高廠變差動動作跳開發(fā)電機出口開關。

5 結 語

錦屏一級水電站短路跳閘故障發(fā)生后，進行了認真分析，找出了發(fā)生此次故障的原因，舉一反三，對工程全部同類設備進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題徹底整改。

此次事故提醒我們，高壓設備的穩(wěn)定運行與各個環(huán)節(jié)密切相關，不僅設計時應考慮周全且留有充分裕度，在安裝過程中也應該嚴格按照工藝執(zhí)行并加強檢查監(jiān)管驗收，避免留下設備安全隱患，發(fā)生類似設備故障。