一起干式鐵心電抗器燒毀事故分析及防范措施探討

吳 喆，駱福權(quán)，閆曉斌

（珠海藍(lán)瑞盟電氣有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引 言

目前，變電站向著智能化、一體化的方向發(fā)展。電抗器的主要作用為無功補(bǔ)償、阻尼放電、諧波治理（干式鐵心濾波電抗器）和平波穩(wěn)流等[1]，與電容器共同保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量和無功功率平衡，是電力系統(tǒng)必不可少的部分。干式鐵心電抗器具有體積小、損耗低、噪音弱、便于室內(nèi)安裝和運(yùn)行維護(hù)不受天氣影響等眾多優(yōu)點(diǎn)。電力系統(tǒng)中，干式鐵心電抗器愈發(fā)取代空心電抗器。干式鐵心電抗器的可靠性對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性不言而喻，但其也存在散熱、監(jiān)測(cè)和保護(hù)手段有限等問題，導(dǎo)致全國屢出燒毀事故[2-4]。

1 現(xiàn)場(chǎng)概況及事故過程

2018年2月16日上午8時(shí)50分左右，某220kV變電站10kV I段母線1號(hào)電容器組出現(xiàn)間隔起火，串聯(lián)電抗器起火點(diǎn)為A相線圈內(nèi)壁與鐵心之間的區(qū)域。上午9時(shí)4分49秒，保護(hù)過流動(dòng)作，故障電流為18.76kA。10kV I段母線1號(hào)電容器組產(chǎn)品型號(hào)為TBBJ10-8010/445AK（其中并聯(lián)電容器額定電壓為電抗器型號(hào)為CKSC-962/10-12），于2018年1月6日投運(yùn)。一次系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 一次系統(tǒng)

檢修人員趕到現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，電抗器三相進(jìn)線引線徹底熔斷，地面有鋁熔渣，三相出線側(cè)引線均未出現(xiàn)明顯過流熔斷痕跡，如圖2、圖3所示。

母線電壓的后臺(tái)監(jiān)控記錄顯示：2月16日8時(shí)59分2秒，A相電壓跌落到0.47kV；2月16日9時(shí)4分49秒，BC相電壓跌落至0.47/0.55kV。查看該時(shí)段的保護(hù)測(cè)控裝置SOE文件，2018年1月7日出現(xiàn)多次接地故障告警，但保護(hù)未動(dòng)作（應(yīng)為10kV單相接地，保護(hù)不動(dòng)作），2018年2月16日8時(shí)47分發(fā)生接地告警后才出現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作。

圖2 進(jìn)線端子

圖3 出線端

2 事故分析及論證

故障第一次錄波波形如圖4所示，時(shí)間為2018年2月16日8時(shí)55分6.414秒。分析可知，B相發(fā)生接地故障，A、C相短路持續(xù)半個(gè)周波，A、C相間電壓相應(yīng)降低畸變。

圖4 故障第一次錄波

由第二次故障波形可知（如圖5所示，時(shí)間為2018年2月16日9時(shí)4分55.597秒），三相短路伴隨單相接地（有零序電流及電壓）持續(xù)三個(gè)周波。從錄波圖觀察，電弧是不對(duì)稱燃燒，即半波燃弧，電弧在B、C相間電壓正峰值處開始，負(fù)峰值處熄滅，持續(xù)三個(gè)周波。

圖5 故障第二次錄波

現(xiàn)場(chǎng)的錄像視頻顯示，起火點(diǎn)在A相線圈內(nèi)壁與鐵心區(qū)域，而后臺(tái)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示，A相的電壓先跌落5 min后，B、C相電壓跌落。因此，可推斷A相先發(fā)生單相接地故障，之后B、C相出現(xiàn)相間短路，保護(hù)跳閘。綜上分析，一方面，A相發(fā)生單相短路故障后，電弧不穩(wěn)定，燃弧過電壓引起B(yǎng)、C相接地短路（即B、C相相間短路）；另一方面，燃弧產(chǎn)生的高溫（可達(dá)數(shù)千度）燒損周圍的絕緣材料，絕緣材料分解（一般有機(jī)材料分解溫度不高于400 ℃）產(chǎn)生大量可燃性氣體，造成從鐵心到線圈的區(qū)域產(chǎn)生熊熊烈火[5]。

進(jìn)一步分析，單相接地故障原因。鐵心與線圈之間的絕緣主要依靠空氣氣隙及環(huán)氧樹脂。而造成絕緣擊穿的條件可能有兩方面：（1）故障前出現(xiàn)過電壓情況；（2）鐵心與線圈之間的絕緣性下降甚至失效（可能是絕緣材料的性能下降，也可能存在異物，將絕緣“短接”）。

查詢SOE發(fā)現(xiàn)，故障前并未出現(xiàn)過電壓報(bào)警情況，則故障極可能由第二種情況造成。查看燒毀電抗器的出廠試驗(yàn)及交接試驗(yàn)報(bào)告，并抽查現(xiàn)場(chǎng)同批次電抗器進(jìn)行絕緣試驗(yàn)，結(jié)果為絕緣均合格，最近一次巡檢記錄也表明故障前電抗器的溫度正常。綜上表明，鐵心與線圈間的絕緣材料未受損，造成絕緣性下降甚至失效的原因可能是存在異物，將絕緣“短接”，導(dǎo)致間歇性放電。SOE事件顯示事故前發(fā)生多次單相接地告警，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3號(hào)電容器組的串聯(lián)電抗器進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電抗器下鐵軛有非電抗器本體的元器件，即廢棄焊條和M10螺栓（長約60 mm），極大增加了推論的可能性。

進(jìn)一步求證，將燒毀電抗器返廠解剖：三相線圈較為完整，A相鐵心柱燒毀嚴(yán)重，線圈吊起后半柱倒塌，絕緣桶與柱體燒成一體，B、C兩相鐵心柱端部燒蝕損壞，柱體整體比較完整；逐片檢查散落的硅鋼片，未發(fā)現(xiàn)殘片、裂片和沖孔片的情況；A相鐵心柱中發(fā)現(xiàn)被燒蝕嚴(yán)重的加厚平墊（圖6所示），規(guī)格與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的螺栓平墊相同，平墊上粘有滅火粉；A相線圈內(nèi)壁三分之一部位有一個(gè)擊穿點(diǎn)（圖7所示）；鐵心柱燒蝕后，樹脂形成海綿式形狀，樹脂在高溫情況下被分解成可燃性物質(zhì)。

解剖情況驗(yàn)證了上述分析推論的正確性，即鐵心與線圈之間絕緣性下降甚至失效的原因是存在異物（加厚墊片、螺栓），將絕緣“短接”，造成長期間歇性放電、擊穿，在不穩(wěn)定的弧光高溫下引起相間短路。此外，金屬性物件靠近鐵心柱位置，渦流損耗造成金屬件過熱，局部過熱損壞臨近絕緣材料，進(jìn)一步加劇事故發(fā)展[6]，最終造成燒毀事故。

圖6 燒蝕的平墊

3 結(jié) 論

基于此次事故的嚴(yán)重性，為杜絕此類事故再次發(fā)生，相關(guān)部門應(yīng)積極組織并加強(qiáng)企業(yè)與科研高校之間的交流，加快研發(fā)電抗器新型有效保護(hù)機(jī)制，如國內(nèi)已有教學(xué)研機(jī)構(gòu)正在開發(fā)新型電抗器匝間保護(hù)裝置。創(chuàng)新保護(hù)機(jī)制時(shí)，建議采取以下預(yù)防性措施[7]：（1）加強(qiáng)電力施工現(xiàn)場(chǎng)管理，施工完畢后再次清查現(xiàn)場(chǎng)，確保安全規(guī)范施工，竣工現(xiàn)場(chǎng)整潔無遺物；（2）定期全面檢查和清掃現(xiàn)場(chǎng)電抗器，做好相應(yīng)的預(yù)防性試驗(yàn)，特別是絕緣試驗(yàn)；（3）盡可能合理投切各組電容器組（據(jù)了解，由于現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷少，每次只投1組電容器組，往往自動(dòng)投切都是投第1組，會(huì)造成其他電抗器長期不投運(yùn)）；（4）盡管是不接地系統(tǒng)，但設(shè)備內(nèi)部不允許間歇性單相接地短路，若發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)單相接地短路，應(yīng)盡快排查原因。

圖7 A相線圈擊穿點(diǎn)