過電壓保護器絕緣擊穿引起短路事故分析

楊立斌，李瑞遠，李春麗

(中鹽吉蘭泰鹽化集團有限公司，內蒙古 阿拉善 750306)

1 事故經過

中鹽吉蘭泰鹽化集團有限公司高分子公司糊樹脂變電站有兩臺容量為16 000 kV·A，額定電壓為35/10 kV的主變壓器(以下簡稱“主變”)帶兩段母線分段運行，10 kV母聯(lián)斷路器正常運行時處于熱備用狀態(tài)，并配置無擾動裝置，以實現(xiàn)快速切換。2019年3月25日15：29，糊樹脂變電站電氣監(jiān)盤人員發(fā)現(xiàn)10 kVⅠ段母線所帶的1#循環(huán)水泵電動機以及1#主變高、低壓側斷路器均報電流速斷保護動作跳閘。經檢查發(fā)現(xiàn)：1#主變保護裝置差動速斷、比率差動、本體重瓦斯及油位低限告警同時動作，10 kV母聯(lián)斷路器無擾動裝置閉鎖，糊樹脂變電站10 kVⅠ段母線失電，引起系統(tǒng)局部停車。事故后，經現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：糊樹脂變電站跳閘的1#循環(huán)水泵高壓開關柜后觀察窗口玻璃破碎，柜內過電壓保護器B、C相炸裂，1#主變壓力釋放器動作并有大量變壓器油噴出。因此，高分子公司糊樹脂變電站對1#主變進行了預防性試驗，試驗結果為：1#主變高壓側對地絕緣為零，低壓側對地絕緣為∞；主變變比測試C相繞組短路，A、B相變比與實際相差較大，初步診斷1#主變高壓側繞組燒毀。

2 事故過程中的電氣保護及運行數(shù)據

(1)繼電保護及運行數(shù)據如表1所示。

表1 繼電保護及運行數(shù)據Table 1 Relay protection and operation data

(2)調查糊樹脂變電站無擾動裝置在事故后處于閉鎖狀態(tài)，屬于正常狀態(tài)。當無擾動裝置檢測到有故障電流時，裝置自身的大電流閉鎖而不向母聯(lián)斷路器發(fā)出合閘指令，可以防止將故障母線并入系統(tǒng)而避免將事故擴大[1]。

(3)1#循環(huán)水泵高壓開關柜內過電壓保護器預防性試驗結果表明：糊樹脂變電站電氣試驗人員按照DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規(guī)程》[2]中的試驗標準于2017年4月15日對該次故障的過電壓保護器進行了泄漏電流試驗，泄漏電流為35 mA，未超過標準值50 mA。但是，將該臺炸裂的過電壓保護器與另外一個生產廠家的過電壓保護器進行對比，發(fā)現(xiàn)其內部的氧化鋅閥片直徑和厚度均達不到標準，且每相絕緣套管內安裝的氧化鋅閥片數(shù)量也相對減少了一半。該臺炸裂的過電壓保護器的每相絕緣套管內僅安裝2組氧化鋅閥片，而另外一個生產廠家的過電壓保護器每相絕緣套管內安裝4組氧化鋅閥片。

(4)1#主變巡檢記錄及其預防性試驗結果表明：各項巡檢數(shù)據正常，預防性試驗中的直流電阻、絕緣電阻以及變比試驗的各項數(shù)據合格，因此判斷1#主變在事故前運行正常。

3 事故分析

3.1 事故原因分析

(1)糊樹脂變電站1#循環(huán)水泵高壓開關柜內過電壓保護器B、C相絕緣擊穿短路，短路故障導致在1#主變35 kV高壓側產生了一個高于主變額定電流17倍的短路電流。較大短路電流的沖擊使1#主變高壓線圈發(fā)生嚴重畸變和崩裂，同時較大的短路電流使線圈瞬間發(fā)熱高溫，從而導致變壓器在極短的時間內燒毀。

(2)糊樹脂變電站1#循環(huán)水泵高壓開關柜內三相組合式過電壓保護器自身質量較差，設計及質量存在缺陷，在系統(tǒng)正常運行電壓下絕緣擊穿，發(fā)生B、C相短路故障。

3.2 暴露出的問題

(1)高分子公司電力系統(tǒng)在最大運行方式下運行時，糊樹脂變電站10 kV系統(tǒng)、35 kV系統(tǒng)短路電流較大。當在糊樹脂變電站10 kV配電室內發(fā)生兩相或者三相斷路器時，由于斷路器點距離主變較近，在系統(tǒng)短路電流較大時極易發(fā)生類似該次主變繞組燒毀的重大設備事故。

(2)糊樹脂變電站1#循環(huán)水泵高壓開關柜內三相組合式過電壓保護器自身質量較差、選型不對。調查發(fā)現(xiàn)該臺過電壓保護器于2014年投用，2017年試驗數(shù)據合格，該次事故前，高分子公司35 kV系統(tǒng)電壓為35.27 kV,10 kV系統(tǒng)電壓為10.1 kV，系統(tǒng)運行電壓平穩(wěn)，未發(fā)生異常波動和過電壓。因此認定，該臺過電壓保護器絕緣擊穿的根本原因為自身質量和設計問題。

(3)糊樹脂變電站電氣操作人員的業(yè)務技能較差，對事故的判斷和處置不夠及時。該次事故發(fā)生40 min以后，糊樹脂變電站電氣人員才判斷1#主變繞組燒毀，恢復了變電站的供電，并將事故原因匯報至高分子公司總調度。在該次事故中，1#主變的兩個主保護重瓦斯保護和差動保護均已經動作，況且現(xiàn)場變壓器油已經噴出，可以明確斷定1#主變已經燒毀。電氣操作人員應該及時將1#主變轉至檢修狀態(tài)，并將10 kV母聯(lián)斷路器合閘，由2#主變帶10 kV兩段母線運行，及時恢復變電站供電。

4 防范措施

(1)給糊樹脂變電站主變低壓側增加限流裝置，限制主變近區(qū)的短路電流，防止主變燒毀事故的再次發(fā)生[3]。截止目前，技術成熟且應用較為廣泛的限流方案主要有以下3種：①在主變低壓側串聯(lián)電抗器；②在主變低壓側串聯(lián)大容量快速開關；③將大容量快速開關和電抗器并聯(lián)后再串聯(lián)接入主變低壓側。以上3種限流方案從穩(wěn)定性和經濟性上考慮，方案③為最佳。因為將大容量快速開關和電抗器并聯(lián)后再串聯(lián)接入主變低壓側進行限流，在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下，電抗器被大容量快速開關短接時，工作電流只通過大容量快速開關，電抗器中不經過電流也就不會產生損耗。只有在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，大容量快速開關快速動作分閘將電抗器投入運行，以避免短路電流保護變壓器受沖擊而被燒毀。

(2)將糊樹脂變電站10 kV高壓柜內的三相組合式過電壓保護器重新選型，更換為質量較好的無間隙型氧化鋅避雷器，并配置安裝避雷檢測器，實時監(jiān)測避雷器運行的全電流和動作情況，為運行和檢修人員的巡檢和檢修工作，以及對異常情況處理提供可靠準確的數(shù)據，及時掌握避雷器的絕緣情況，杜絕因三相組合式過電壓保護器自身結構存在質量缺陷而導致相間短路爆炸事故的發(fā)生。糊樹脂變電站所用的是帶串聯(lián)間隙的“四星形”接線方式的過電壓保護器。

由于加入火花間隙對氧化鋅閥片單元進行了保護，使氧化鋅電阻的荷電率為零。雖然提高了產品的使用壽命，但有火花間隙存在，很難做到相對可靠和穩(wěn)定且存在沖擊系數(shù)，所以對高頻操作過電壓起不到很好的限制作用。另一方面，由于有間隙的存在，在正常狀態(tài)下氧化鋅閥片無法形成監(jiān)測回路，也無法測試氧化鋅閥片是否受潮或老化，即使做直流泄漏電流試驗，也無法判別氧化鋅閥片的質量。假設過電壓保護器氧化鋅閥片已經受潮或老化，但只要放電間隙正常，做工頻放電試驗也會合格。這就是過電壓保護器平時做試驗時合格而在使用過程中卻發(fā)生絕緣擊穿故障的原因。

(3)加強電氣操作人員的專業(yè)技能，提高事故處理能力。電氣操作人員是電氣事故發(fā)生后現(xiàn)場緊急處置的第一責任人。電氣事故處置的原則，首先是要快速限制事故的發(fā)展，隔離故障點，然后在事故被限制并趨于正常穩(wěn)定狀態(tài)時，應設法合理調整系統(tǒng)運行方式，并盡快讓系統(tǒng)恢復供電。而事故處置人員的專業(yè)技能則決定了事故處置的準確性和及時性，在現(xiàn)場事故處理過程中，也不乏存在因電氣操作人員專業(yè)技能較差導致處置不當而引起誤操作事故及擴大事故的情況。因此，強化電氣操作人員的專業(yè)技能是提高企業(yè)電氣事故應急處置能力的根本途徑。

5 結語

隨著氯堿企業(yè)規(guī)模、產量的擴大，企業(yè)電力系統(tǒng)用電負荷和短路電流增加的同時，因系統(tǒng)短路電流較大導致變壓器、發(fā)電機等大型電力設備燒毀事故發(fā)生的概率也隨之增加。因此，氯堿企業(yè)要確保電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，就必須從抑制系統(tǒng)短路電流和增加電力設備可靠性兩個方面進行預防。在10 kV電力系統(tǒng)中，建議使用避雷器和六柱全相雙安全保護裝置取代三相組合式過電壓保護器運行，以達到消除系統(tǒng)過電壓和避免過電壓保護器自身的絕緣被擊穿。