水廠10kV電壓互感器燒毀事故分析

哈爾濱供水集團(tuán)機(jī)電搶修維護(hù)分公司 李兆龍

哈爾濱市朱順屯取水廠主要承擔(dān)著哈爾濱市松花江水源的取水任務(wù)及備用水源的加壓任務(wù)，設(shè)計(jì)取水能力為115萬(wàn)噸/日，主廠區(qū)內(nèi)設(shè)有66kV 變電所，經(jīng)主變壓器轉(zhuǎn)換為10kV 電壓，配送至主廠區(qū)內(nèi)一泵站、二泵站、三泵站、應(yīng)急泵站，10kV 采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。

2020年4月30日下午變電所后臺(tái)監(jiān)控鳴笛報(bào)警，后臺(tái)主機(jī)顯示10kV 系統(tǒng)接地，電壓數(shù)據(jù)顯示A 和C 兩相電壓異常升高，B 相電壓異常降低。此時(shí)相關(guān)工作人員立即匯報(bào)，經(jīng)過(guò)上級(jí)批準(zhǔn)，派遣四名工作人員分為兩組穿戴安全用具進(jìn)入各泵站內(nèi)檢查，當(dāng)斷開(kāi)變電所內(nèi)給另一水廠供電的10kV 高壓柜斷路器時(shí)報(bào)警消除，儀表數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。后經(jīng)線路巡線人員檢查，發(fā)現(xiàn)室外桿塔上B 相電纜頭絕緣破損，這是引起系統(tǒng)接地故障的原因。在水廠人員檢查設(shè)備查找接地點(diǎn)時(shí)，應(yīng)急泵站內(nèi)II 段電壓互感器柜出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，在高壓室內(nèi)有刺鼻氣味，在發(fā)生故障時(shí)此泵站內(nèi)投入進(jìn)線柜及電壓互感器柜，未投入其他開(kāi)關(guān)柜。切斷進(jìn)線電源，抽出電壓互感器手車，發(fā)現(xiàn)電壓互感器有多處熏黑、碳化痕跡，外殼出現(xiàn)裂紋，三相電壓互感器都有不同程度損壞，已無(wú)法再次投入運(yùn)行，測(cè)量三相高壓熔斷器均完好。整個(gè)燒毀事故的處理結(jié)果，等待事故原因的進(jìn)一步調(diào)查與分析。

1 電壓互感器燒毀事故分析及處理

從2001年該泵站建設(shè)投入至今已經(jīng)發(fā)生多次電壓互感器燒毀情況，上次發(fā)生是2019年4月，并且都是在不同的設(shè)備發(fā)生接地故障時(shí)引發(fā)電壓互感器燒毀事故。此泵站電壓互感器柜最近的兩次線路改動(dòng)分別是：在2018年進(jìn)行了設(shè)備的升級(jí)改造，在2019年進(jìn)行了損壞設(shè)備的更換。該柜內(nèi)電壓互感器型號(hào)為JDZJ-10型，額定絕緣水平為12/42/75kV，工作頻率為50Hz， 額定電壓比為10000/極限輸出容量為400VA。高壓限流熔斷器型號(hào)為XRNP-12kV/0.5A-50kA。

一般來(lái)講，電壓互感器燒毀的原因可以分為產(chǎn)品質(zhì)量低下、諧振過(guò)電壓、二次回路過(guò)負(fù)荷或短路、消諧裝置不能起到有效作用等[1]。鑒于上述事故的初步勘察結(jié)果，結(jié)合該泵站歷史事故的分析結(jié)果，進(jìn)行此次電壓互感器燒毀事故的具體分析，此次分析主要是將燒毀設(shè)備與完好設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，觀察兩者之間的區(qū)別，從而確定具體的事故原因。

1.1 質(zhì)量問(wèn)題或設(shè)備缺陷

電壓互感器存在質(zhì)量不過(guò)關(guān)或自身缺陷，在投入使用時(shí)可能造成隱患，在正常運(yùn)行或較極端條件下都可能造成絕緣擊穿，引發(fā)事故。因電壓互感器已經(jīng)燒毀，無(wú)法從外觀上直觀檢查設(shè)備質(zhì)量，也無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)。隨后對(duì)水廠內(nèi)其他同型號(hào)完好電壓互感進(jìn)行了抽檢，從設(shè)備外觀材質(zhì)、產(chǎn)品銘牌標(biāo)識(shí)、絕緣電阻、交流耐壓等幾方面進(jìn)行了檢查和試驗(yàn)，均無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。又查閱了水廠此燒毀設(shè)備投運(yùn)時(shí)留存的合格證和交接試驗(yàn)報(bào)告，符合GB50150電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并且在本年度的春季預(yù)防性試驗(yàn)中也都試驗(yàn)合格，無(wú)自身缺陷問(wèn)題。因此排除此種事故原因。

1.2 鐵磁諧振過(guò)電壓

鐵磁諧振過(guò)電壓主要是電磁式電壓互感器的鐵芯飽和引起的諧振所致，多發(fā)生在中性點(diǎn)不接地的配電系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行倒閘操作或發(fā)生接地故障時(shí)，電壓互感器內(nèi)的鐵芯元件的非線性電感特性與系統(tǒng)中分布的電容可能引起鐵磁諧振，對(duì)電壓互感器構(gòu)成危害。

手車內(nèi)電壓互感器采用中性點(diǎn)直接接地的星形連接方式，每相線路對(duì)地電容與各相電壓互感器一次繞組是并聯(lián)關(guān)系。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)中性點(diǎn)發(fā)生變動(dòng)，故障相電壓降低、非故障相電壓升高，電容電流會(huì)流經(jīng)接地故障點(diǎn)，并在對(duì)地電容上充滿與線電壓相當(dāng)?shù)碾姾伞．?dāng)單相接地故障消除后，非故障相電壓降低，導(dǎo)線電荷無(wú)法再通過(guò)接地點(diǎn)流向大地，非故障相存儲(chǔ)的電荷只能通過(guò)電壓互感器對(duì)地放電。在這瞬間電壓突變過(guò)程中，電壓互感器一次線圈的非故障相的勵(lì)磁電流會(huì)突然增大，電壓互感器繞組迅速飽和，其電感值會(huì)迅速下降，如果此時(shí)電網(wǎng)的對(duì)地電容與互感器的勵(lì)磁電感相匹配，就會(huì)造成諧振過(guò)電壓，引起電壓互感器高壓熔斷器熔斷，甚至造成電壓互感器燒毀[2]。通過(guò)查看圖紙并和實(shí)物對(duì)比，電壓互感器手車內(nèi)裝有LXQ(D)II 型一次消諧裝置，為串在電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)與地之間的非線性電阻，起阻尼與限流作用，可有效的抑制高壓涌流和鐵磁諧振，經(jīng)檢查三相高壓熔斷器也都完好。因此此種事故原因可能性較小，暫且排除。

1.3 二次回路開(kāi)口三角形短路

電壓互感器開(kāi)口三角形是指中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中電壓互感器三相的三個(gè)二次繞組的接法，三相二次繞組按三角形接線連接，但最后有一點(diǎn)不連上，即構(gòu)成開(kāi)口三角。電壓互感器二次回路開(kāi)口三角接線常用于測(cè)量電網(wǎng)零序電壓，為圖1中L611與N630間電壓，與繼電保護(hù)裝置連接對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。正常運(yùn)行情況三相電壓對(duì)稱，此時(shí)開(kāi)口三角電壓接近為零，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)接地故障時(shí)三相電壓不對(duì)稱，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生零序電壓，如果口三角發(fā)生短路，二次側(cè)短路電流不足以使高壓側(cè)熔斷器熔斷，就會(huì)隨著接地故障時(shí)間的變化導(dǎo)致電壓互感器繞組絕緣不同程度破損[3]。此設(shè)備正是在發(fā)生不同位置接地故障時(shí)多次發(fā)生燒毀事故，可能存在二次回路接線問(wèn)題或外部錯(cuò)誤引線，導(dǎo)致開(kāi)口三角形短路。

圖1 10kV 電壓互感器柜二次原理圖

明確事故引發(fā)方向，為更能證明觀點(diǎn)成立，檢查損壞電壓互感器手車內(nèi)接線，二次回路接線與圖紙相符無(wú)短路，未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在應(yīng)急泵站選擇I 段無(wú)事故相同配置的電壓互感器柜進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。在手車退出、航空插頭斷開(kāi)狀態(tài)下，利用萬(wàn)用表測(cè)量L611與N630電阻值，測(cè)得阻值為82MΩ。使用相同的設(shè)備和方法測(cè)量II 段電壓互感器柜L611與N630電阻值，測(cè)得阻值為1Ω，對(duì)比測(cè)量數(shù)值存在差異。經(jīng)過(guò)對(duì)比兩臺(tái)高壓柜L611端子接線，發(fā)現(xiàn)燒毀電壓互感器柜多出一根無(wú)線號(hào)可疑接線，也與設(shè)計(jì)圖紙不符，摘除L611端子上可疑接線，并再次測(cè)量L611與N630電阻值為71MΩ。因此事故原因可以判斷為電壓互感器開(kāi)口三角形短路。

1.4 確定燒毀事故原因

通過(guò)對(duì)I 段完好電壓互感器柜和II 段燒毀電壓互感器柜的對(duì)比測(cè)量，比對(duì)設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)象分析，可以看出此次事故符合電壓互感器二次開(kāi)口三角形短路的特性。在發(fā)生系統(tǒng)接地故障時(shí)，電壓互感器二次開(kāi)口三角形上產(chǎn)生零序電壓，但因外部接地線錯(cuò)誤引至L611端子，導(dǎo)致二次開(kāi)口三角形短路，造成電壓互感器嚴(yán)重過(guò)載，最終絕緣擊穿燒毀。

2 電壓互感器燒毀事故預(yù)防及處理

在設(shè)備投運(yùn)前要做好驗(yàn)收交接工作，檢查設(shè)備質(zhì)量、合格證、試驗(yàn)報(bào)告等，柜內(nèi)一次、二次接線與圖紙比對(duì)確認(rèn)，設(shè)備投運(yùn)后定期維護(hù)，定期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)。在進(jìn)行設(shè)備升級(jí)改造時(shí)要加強(qiáng)責(zé)任心，改造線路要標(biāo)記好線號(hào)，更新圖紙并歸檔留存。在不同環(huán)節(jié)采取相應(yīng)措施，進(jìn)行全方位、全過(guò)程監(jiān)督。為提高設(shè)備穩(wěn)定性還可在電壓互感器柜二次回路上加裝數(shù)字式微機(jī)消諧裝置。在這次事故發(fā)生后，及時(shí)更換了電壓互感器、過(guò)電壓保護(hù)器、絕緣套管、靜觸頭盒等，修改柜內(nèi)二次回路接線，解決開(kāi)口三角形短路問(wèn)題，整體與圖紙核對(duì)確認(rèn)無(wú)誤后，安全送電投運(yùn)，之后對(duì)新更換設(shè)備的資料進(jìn)行了整理存檔。