燃機(jī)電廠主變有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)故障停機(jī)分析研究

華電福新廣州能源有限公司 王穎明 華電電力科學(xué)研究院有限公司 梁 晶 劉國(guó)棟 鄭 健

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的日益提高，發(fā)展清潔、高效的能源利用方式成為我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的必然方向[1]。在此大背景下燃機(jī)電廠的作用越來(lái)越凸顯，確保燃機(jī)電廠安全、穩(wěn)定運(yùn)行則顯得尤為重要。燃機(jī)電廠具有清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)，正在逐步成為我國(guó)能源領(lǐng)域重要的一環(huán)[2]。燃機(jī)電廠主變?cè)O(shè)備對(duì)于電廠尤為重要，在實(shí)際運(yùn)行中主變系統(tǒng)的安全穩(wěn)定對(duì)整個(gè)燃機(jī)電廠具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

某燃機(jī)電廠配置三臺(tái)套“一拖一”燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，其中抽凝機(jī)組2臺(tái)，背壓機(jī)組1臺(tái)，全廠配置3臺(tái)220kV主變壓器。主設(shè)備情況：燃?xì)獍l(fā)電機(jī)與汽輪發(fā)電機(jī)均為空冷發(fā)電機(jī)、采用無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，主變壓器采用三相式、自然油循環(huán)自冷、雙線圈銅繞組有載調(diào)壓、分體式變壓器，GIS為220kV、SF6氣體絕緣金屬封閉組合電器，二次設(shè)備包括發(fā)電機(jī)、主變、電抗器、線路保護(hù)、計(jì)量、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊、直流（UPS）系統(tǒng)、自動(dòng)化裝置等二次設(shè)備；機(jī)組主接線：1號(hào)燃機(jī)與2號(hào)汽輪機(jī)引接到1號(hào)主變并網(wǎng)，3號(hào)燃機(jī)與4號(hào)汽輪機(jī)引接到2號(hào)主變并網(wǎng)，5號(hào)燃機(jī)與6號(hào)汽輪機(jī)引接到3號(hào)主變并網(wǎng)。

1 情況分析

1.1 事件經(jīng)過(guò)

當(dāng)日狀態(tài)：1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷120MW，5號(hào)、6號(hào)背壓機(jī)組熱備用狀態(tài)，其中1號(hào)、2號(hào)主變120MW負(fù)載運(yùn)行；3號(hào)主變空載熱備用運(yùn)行，1號(hào)主變中性點(diǎn)接地運(yùn)行，2號(hào)、3號(hào)主變中性點(diǎn)不接地運(yùn)行。當(dāng)日20：54，II線2212開(kāi)關(guān)跳閘，隨后2號(hào)、3號(hào)主變有載開(kāi)關(guān)重瓦斯保護(hù)動(dòng)作，3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)組跳閘，甩負(fù)荷60MW。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)2號(hào)、3號(hào)主變的有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)壓力釋放動(dòng)作并出現(xiàn)泄油情況。

1.2 檢查情況

主變檢查情況。進(jìn)入2號(hào)主變油箱內(nèi)部檢查器，發(fā)現(xiàn)A、C二相高壓繞組有明顯的變形情況，有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)芯體a、b相間隙燒毀、限流電阻燒毀，有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)油室底部有損壞。進(jìn)入3號(hào)主變油箱內(nèi)部檢查，未發(fā)現(xiàn)A、B、C三相高壓繞組有明顯變形、竄動(dòng)、松動(dòng)情況。繞組兩端整齊不竄動(dòng)、無(wú)松動(dòng)情況，分接線與有載連接端子牢固。

變壓器油主要成分的色譜分析。故障發(fā)生后分別對(duì)2、3號(hào)主變本體變壓器油進(jìn)行取樣化驗(yàn)，根據(jù)DL/T 722-2014變壓器油中溶解氣體分析和判斷導(dǎo)則中的三比值法，判斷為電弧放電。分析認(rèn)為，有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)放電電弧較強(qiáng)，有一部分乙炔混入變壓器主體，造成本體油的總烴含量增加。

主變故障后常規(guī)試驗(yàn)。對(duì)3號(hào)和4號(hào)主變低壓側(cè)的封母進(jìn)行檢查，未見(jiàn)異常。對(duì)變壓器封母進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試合格。2號(hào)、3號(hào)主變故障后常規(guī)試驗(yàn)各項(xiàng)結(jié)果合格。

線路及主變保護(hù)檢查情況。II線2212跳閘保護(hù)信號(hào)為“保護(hù)啟動(dòng)、B相縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、重合閘動(dòng)作、ABC相縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作”，測(cè)距保護(hù)顯示故障點(diǎn)在II線距離廠外13公里處；2號(hào)主變跳閘保護(hù)信號(hào)為“2號(hào)主變有載調(diào)壓重瓦斯”；3號(hào)主變跳閘保護(hù)信號(hào)為“3號(hào)主變有載調(diào)壓重瓦斯”；3號(hào)、4號(hào)發(fā)電機(jī)跳閘原因是2號(hào)主變保護(hù)動(dòng)作。1號(hào)主變帶1號(hào)燃機(jī)發(fā)電機(jī)和2號(hào)汽機(jī)發(fā)電機(jī)組60MW負(fù)荷送出I線運(yùn)行正常。

錄波器檢查情況。對(duì)線路和2臺(tái)機(jī)組錄波器的相關(guān)信息進(jìn)行了查看，電網(wǎng)220kV線路B相和110kV線路B相同時(shí)發(fā)生接地故障，57ms后110kV線路C相接地。經(jīng)了解電網(wǎng)220kV和110kV同塔架設(shè)，當(dāng)天氣候?yàn)槔子甏箫L(fēng)同期，分析認(rèn)為惡劣天氣引起外部線路接地故障。

開(kāi)關(guān)控制回路檢查。遠(yuǎn)方、就地、保護(hù)傳動(dòng)、控制臺(tái)按鈕等操作滅磁開(kāi)關(guān)分合閘，滅磁開(kāi)關(guān)動(dòng)作正確。傳動(dòng)檢查內(nèi)容包括：發(fā)變組保護(hù)傳動(dòng)試驗(yàn)正確無(wú)異常；非電量保護(hù)傳動(dòng)試驗(yàn)正確無(wú)異常；手動(dòng)跳、合試驗(yàn)未見(jiàn)異常；操作按鈕分閘試驗(yàn)及傳動(dòng)正常。

主控室操作回路檢查。對(duì)3號(hào)機(jī)組燃機(jī)發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)操作系統(tǒng)、保護(hù)端子、操作回路進(jìn)行檢查，無(wú)異?，F(xiàn)象。對(duì)4號(hào)機(jī)組汽機(jī)發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)操作系統(tǒng)、保護(hù)端子、操作回路進(jìn)行檢查，無(wú)異?，F(xiàn)象。

勵(lì)磁系統(tǒng)及一次設(shè)備檢查。對(duì)3號(hào)和4號(hào)機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子間母線進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，絕緣阻值無(wú)異常；對(duì)勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，勵(lì)磁機(jī)絕緣阻值無(wú)異常；對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、滅磁開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢查未見(jiàn)異常。

發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子檢查。對(duì)3號(hào)和4號(hào)發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子絕緣電阻合格。

1.3 原因分析

通過(guò)調(diào)取故障錄波器錄波波形、繼電保護(hù)動(dòng)作情況，清晰指明事故的方向是線路發(fā)生單相接地形成暫態(tài)過(guò)電壓，造成有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)的間隙動(dòng)作放電并發(fā)展成故障。

1.3.1 變壓器中性點(diǎn)電壓值分析

根據(jù)電廠故障錄波器采集到的2號(hào)、3號(hào)主變3U0電壓波形發(fā)現(xiàn)：II線B相單相接地故障持續(xù)60ms，3U0在起始位置存在明顯的高頻振蕩，最大峰值分別達(dá)到621.6kV、475.9kV，頻率為3333Hz，持續(xù)3.9ms后開(kāi)始衰減，這屬于高頻過(guò)電壓，是由于PT飽和時(shí)過(guò)磁通的諧波干擾形成的，這個(gè)尖峰測(cè)量值不能反應(yīng)真實(shí)情況，不予采信[3]。高頻電壓衰減后的電壓為工頻零序電壓，持續(xù)時(shí)間為56.1ms，兩臺(tái)主變工頻零序電壓幅值分別是131kV、129kV，這個(gè)數(shù)值是真實(shí)可信的。

1.3.2 變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙動(dòng)作原因

2號(hào)和3號(hào)主變中性點(diǎn)為不接地運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)并聯(lián)中性點(diǎn)的避雷器和放電保護(hù)間隙共同完成過(guò)電壓保護(hù)功能。保護(hù)間隙的空氣距離為268mm，工頻放電電壓為3.8kV/cm×26.8cm=102kV，避雷器避的額定電壓144kV，短時(shí)工頻耐受電壓為200kV，殘壓320kV。兩臺(tái)主變中性點(diǎn)和高壓側(cè)避雷器的動(dòng)作記錄儀顯示數(shù)值均為零，說(shuō)明避雷器未動(dòng)作，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)錄像回放發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)主變中性點(diǎn)的放電保護(hù)間隙有放電現(xiàn)象，說(shuō)明在變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓侵入時(shí)刻保護(hù)間隙先于避雷器動(dòng)作。原因是故障時(shí)刻的中性點(diǎn)工頻零序電壓大于102kV、小于200kV，所以變壓器中性點(diǎn)保護(hù)間隙動(dòng)作而避雷器未動(dòng)作。

1.3.3 有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)間隙燒損原因

有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)間隙燒損是由于其間隙放電回路（其作用是保護(hù)級(jí)間過(guò)電壓）接至變壓器中性點(diǎn)，由于2號(hào)、3號(hào)主變壓器中性點(diǎn)運(yùn)行方式為不直接（經(jīng)放電間隙）接地運(yùn)行，因而導(dǎo)致分接開(kāi)關(guān)間隙懸浮，有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)間隙放電回路未能有效形成。開(kāi)關(guān)間隙保護(hù)工頻電壓動(dòng)作值20kV，變壓器中性點(diǎn)間隙保護(hù)電壓動(dòng)作值（沖擊電壓或暫態(tài)電壓）102kV。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地后變壓器中性點(diǎn)電位升高，分接開(kāi)關(guān)間隙保護(hù)動(dòng)作但放電回路不通，因而過(guò)電壓能量無(wú)法釋放，有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)內(nèi)間隙放電，同時(shí)間隙對(duì)均壓環(huán)也放電，導(dǎo)致有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)間隙燒損。

2 結(jié)語(yǔ)

燃機(jī)電廠在分布式能源領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]，本文暴露出主變相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造缺陷，有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)放電間隙借用變壓器中性點(diǎn)為能量釋放通道，當(dāng)變壓器中性點(diǎn)采用不接地運(yùn)行方式時(shí)間隙處于懸浮狀態(tài)，發(fā)生過(guò)電壓時(shí)能量無(wú)釋放路徑；產(chǎn)品無(wú)突發(fā)短路試驗(yàn)報(bào)告，未查到相關(guān)的短路驗(yàn)算報(bào)告和有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)的電壓梯度驗(yàn)算和仿真的相關(guān)參數(shù)驗(yàn)證結(jié)果。

產(chǎn)品出廠試驗(yàn)項(xiàng)目不全，變壓器出廠報(bào)告中未查到中性點(diǎn)400kV全波沖擊和400kV截波沖擊報(bào)告。警示燃機(jī)電廠在具備條件時(shí)，對(duì)有載開(kāi)關(guān)油室進(jìn)行改造，增加取樣口；安排相關(guān)人員進(jìn)行核算或改造工作，確保有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)在中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式下安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止發(fā)生類似事件。隨著燃機(jī)電廠在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，暴露出的問(wèn)題也會(huì)越來(lái)越多，需要相關(guān)從業(yè)人員細(xì)致分析，舉一反三，不斷開(kāi)展新的研究與分析。