35 kV精煉爐爐變損壞的事故分析及治理

王力力

(中冶賽迪電氣技術(shù)有限公司重慶分公司，重慶 400013)

鋼鐵企業(yè)的精煉爐一般是通過(guò)專用變壓器降壓后，通過(guò)安裝在變壓器低壓側(cè)的電極拉弧發(fā)熱，完成對(duì)爐內(nèi)鋼水的冶煉和保溫工作。冶煉時(shí)，精煉爐產(chǎn)生的電弧阻抗是非線性的、不平衡的、不對(duì)稱的。精煉爐冶煉電流可以被分解為基波、整數(shù)次諧波和間諧波。不論是諧波，還是間諧波，均會(huì)引起變壓器的附加發(fā)熱，縮短變壓器絕緣壽命。同時(shí)，精煉爐中壓系統(tǒng)一般會(huì)設(shè)置濾波器以抑制冶煉時(shí)產(chǎn)生的諧波電流上網(wǎng)值。若濾波器設(shè)置不當(dāng)，將會(huì)在某一特定頻率下發(fā)生系統(tǒng)阻抗和濾波器阻抗之間的并聯(lián)諧振，此諧振會(huì)嚴(yán)重放大諧波電流，造成爐變和濾波器的損壞。另外，精煉爐正常生產(chǎn)時(shí)，會(huì)經(jīng)常性分?jǐn)酄t變高壓側(cè)斷路器，產(chǎn)生截流過(guò)電壓。截流過(guò)電壓得不到合理抑制，也會(huì)損壞精煉爐爐變。

某鋼鐵企業(yè)近年來(lái)效益漸增，煉鋼車間精煉爐生產(chǎn)時(shí)間延長(zhǎng)，冶煉節(jié)奏加快。因此，多次出現(xiàn)了精煉爐變壓器故障，進(jìn)而造成設(shè)備可靠性降低。特別是近期出現(xiàn)了一次因精煉爐爐變輕、重瓦斯保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，導(dǎo)致變壓器返廠解體檢修的情況，嚴(yán)重影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響。本文針對(duì)本次精煉爐爐變故障展開(kāi)簡(jiǎn)析。

1 故障系統(tǒng)概況

某鋼鐵企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)專設(shè)1套精煉爐專用35 kV配電裝置。該套配電裝置取電自上級(jí)總降變電站35 kV母線，僅向1臺(tái)爐內(nèi)布置容量為35 MVA的精煉爐變壓器供電，同時(shí)配置1套SVG成套裝置，含2、3、5次濾波支路，用于對(duì)精煉爐冶煉時(shí)產(chǎn)生的電能質(zhì)量污染治理。上級(jí)總降變電站35 kV母線采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式。系統(tǒng)基本參數(shù)如下所示。

1)故障系統(tǒng)簡(jiǎn)要單線圖如圖1所示。

圖1 故障系統(tǒng)單線圖

2)系統(tǒng)短路容量已折算至故障精煉爐35 kV系統(tǒng)母線，最大運(yùn)行方式為1 500 MVA；最小運(yùn)行方式為750 MVA。

3)精煉爐爐變主要參數(shù)如表1所示。

表1 精煉爐爐變主要參數(shù)

4)SVG配套濾波器主要參數(shù)，見(jiàn)表2所示。

表2 SVG配套濾波器主要參數(shù)

2 變壓器故障過(guò)程及現(xiàn)象

2020年2月15日，精煉爐爐變?cè)谡Ｉa(chǎn)時(shí)，突發(fā)輕、重瓦斯保護(hù)同時(shí)動(dòng)作，變高側(cè)斷路器312正確跳閘，將爐變從電網(wǎng)解列。爐變故障前后均無(wú)電流保護(hù)動(dòng)作的記錄。爐變故障同時(shí)，5次濾波支路中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)動(dòng)作，5次濾波支路35 kV側(cè)斷路器316正確跳閘。

故障發(fā)生后，某鋼鐵企業(yè)第一時(shí)間對(duì)爐變和5次濾波支路本體、接線端子、連接電纜等進(jìn)行外觀檢查，爐變未見(jiàn)異常，5次濾波支路左臂上第2只電容器被擊穿，如圖2所示。截至本次精煉爐爐變故障下線時(shí)，該臺(tái)爐變已投運(yùn)7年。

3 變壓器故障原因分析

3.1 變壓器油化驗(yàn)臺(tái)賬

故障爐變油化驗(yàn)臺(tái)賬如表3所示。分析臺(tái)賬數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生的前4個(gè)月，變壓器油中C2H2含量開(kāi)始超標(biāo)，并一直呈上漲趨勢(shì)。根據(jù)變壓器油三比值法故障代碼分析，故障前3個(gè)月?tīng)t變內(nèi)部可能出現(xiàn)匝間、層間或調(diào)壓線圈等絕緣強(qiáng)度降低異常，引起油隙閃絡(luò)或電弧放電。隨著爐變使用時(shí)間的增加和內(nèi)部故障的累積，爐變內(nèi)部由單一的電弧放電異常過(guò)渡到電弧放電兼過(guò)熱異常。查閱該爐變生產(chǎn)運(yùn)行記錄，近2年來(lái)，該臺(tái)爐變工作時(shí)間逐漸加長(zhǎng)，正常生產(chǎn)時(shí)每小時(shí)投停約9次，年工作時(shí)間接近340天。由此，推斷本次動(dòng)作是由爐變內(nèi)部故障引起瓦斯保護(hù)正常動(dòng)作。

3.2 變壓器返廠解體檢修

2020年2月17日，將故障爐變返廠解體檢修。解體后發(fā)現(xiàn)，爐變?nèi)喔邏簜?cè)線圈有不同程度的變形，B相高壓線圈上部短路且絕緣紙筒已被外力破壞，故障處如圖3所示。由此，確定事故是由爐變內(nèi)部故障引起。

4 導(dǎo)致變壓器內(nèi)部故障原因分析

4.1 諧振放大倍數(shù)分析

故障時(shí)，2、3、5次濾波支路全投運(yùn)。根據(jù)故障系統(tǒng)短路容量和表2中 SVG配套濾波器的主要參數(shù)，對(duì)故障的濾波器展開(kāi)仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4、圖4和圖5。

可以看出，隨著35 kV母線短路容量的減小，各次濾波器與系統(tǒng)的并聯(lián)諧振點(diǎn)會(huì)向左移，且并聯(lián)諧振放大倍數(shù)會(huì)增大。而國(guó)標(biāo)中對(duì)大于等于40 MVA的負(fù)載，推薦并聯(lián)諧振點(diǎn)的放大倍數(shù)小于6。根據(jù)仿真結(jié)果得出，不論35 kV系統(tǒng)在何種運(yùn)行方式下，該套濾波器與系統(tǒng)阻抗之間均可能在某一分頻處產(chǎn)生嚴(yán)重的并聯(lián)諧振。而精煉爐冶煉期間產(chǎn)生的諧波電流頻譜往往是連續(xù)的，若在并聯(lián)諧振點(diǎn)頻率處，諧波電流發(fā)生量較大時(shí)，濾波器會(huì)將該頻率諧波電流放大多倍，產(chǎn)生嚴(yán)重的并聯(lián)諧振，造成設(shè)備損壞。

4.2 沖擊諧波電流分析

故障精煉爐爐變檢修返回再投運(yùn)后，選擇與故障前類似的運(yùn)行工況，在爐變35 kV側(cè)高壓開(kāi)關(guān)處利用FLUKE 438電能質(zhì)量測(cè)試儀對(duì)故障精煉爐爐變正常生產(chǎn)時(shí)的諧波發(fā)生量進(jìn)行測(cè)試。將爐變高壓側(cè)正序電壓和電流曲線、負(fù)序電壓和電流曲線、諧波電壓和電流曲線摘錄如下，見(jiàn)圖6至圖8。

圖7 精煉爐爐變高壓側(cè)負(fù)序電壓和電流曲線

圖8 精煉爐爐變高壓側(cè)諧波電壓和電流曲線

通過(guò)分析軟件利用傅里葉變換分解后，得出在爐變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)處測(cè)試獲得的整數(shù)次諧波電流(200 ms平均值和3 s平均值)，見(jiàn)表5和表6。

表5 精煉爐爐變高壓側(cè)整數(shù)次諧波電流200 ms平均測(cè)試值

表6 精煉爐爐變高壓側(cè)整數(shù)次諧波電流3 s平均測(cè)試值

故障發(fā)生時(shí)，精煉爐采用最低電壓檔位冶煉。此時(shí)，爐變基波阻抗約為6.83 Ω，據(jù)此可估算出2次至25次諧波電流在精煉爐爐變上產(chǎn)生的諧波電壓，見(jiàn)表7。

表7 精煉爐最大諧波相電壓 V

對(duì)表7數(shù)據(jù)中2次至25次諧波電壓95%值(3s平均值)進(jìn)行疊加，結(jié)果約為2.1 kV；對(duì)2次至25次諧波電壓最大值(3s平均值)進(jìn)行疊加，約為8.7 kV；對(duì)2次至25次諧波電壓最大值(200 ms平均值)進(jìn)行疊加，約為18.5 kV。正常運(yùn)行時(shí)，精煉爐爐變的最大諧波電壓疊加值由于出現(xiàn)的時(shí)間很短，在短期之內(nèi)一般不會(huì)對(duì)變壓器內(nèi)絕緣產(chǎn)生很大影響。但若生產(chǎn)節(jié)奏加快，爐變工作時(shí)間加長(zhǎng)，且在爐變上長(zhǎng)期疊加短暫過(guò)電壓沖擊，可能會(huì)加速變壓器內(nèi)絕緣老化，造成爐變投運(yùn)一段時(shí)間后發(fā)生內(nèi)部故障。爐變油質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告也能證明這一觀點(diǎn)。

4.3 截流過(guò)電壓分析

精煉爐爐變高壓側(cè)配置1臺(tái)合資品牌35 kV真空斷路器。真空斷路器在開(kāi)斷電抗類負(fù)載時(shí)，有一定概率出現(xiàn)感性電流截流現(xiàn)象，產(chǎn)生截流過(guò)電壓。

當(dāng)截流值足夠大且斷路器負(fù)載側(cè)對(duì)地電容值較小時(shí)，可能出現(xiàn)因截流儲(chǔ)藏于感性負(fù)載內(nèi)的磁能通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)電抗和容抗諧振釋放，引起較高幅值、較高頻率的相對(duì)地和相間操作過(guò)電壓。相對(duì)地過(guò)電壓與斷路器電源側(cè)的電源電壓還可能共同作用于斷路器滅弧室的斷口兩端，引起斷路器相對(duì)相端子或斷路器斷口閃絡(luò)放電，產(chǎn)生過(guò)電壓。此過(guò)電壓一方面會(huì)引起電源側(cè)的過(guò)電壓，另一方面，會(huì)對(duì)負(fù)荷側(cè)絕緣較弱的電氣元件產(chǎn)生威脅，破壞絕緣。

5 改進(jìn)措施

1)調(diào)整濾波器參數(shù)，降低并聯(lián)諧振放大倍數(shù)。較高品質(zhì)因數(shù)的單調(diào)諧濾波器雖然對(duì)特征次諧波的濾除效果較好，但也有通頻帶窄、諧振放大倍數(shù)高等缺點(diǎn)。對(duì)精煉爐等冶煉類非線性負(fù)載而言，其諧波頻譜往往是連續(xù)的。也即是說(shuō)精煉爐正常生產(chǎn)時(shí)，隨工藝的變化會(huì)有一定的概率產(chǎn)生某一頻率某一幅值的諧波和間諧波。若在此頻率下，濾波器阻抗和系統(tǒng)阻抗?jié)M足并聯(lián)諧振的條件，則諧波電流將會(huì)被嚴(yán)重放大，并在公用母線上產(chǎn)生較大的諧波電壓，威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。將一個(gè)或多個(gè)單調(diào)諧低次濾波支路更換為C型或高通濾波支路，一般可以降低諧振放大倍數(shù)，在滿足濾波效果的同時(shí)，可增加系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

2)合理地分配全廠各臺(tái)精煉爐產(chǎn)量指標(biāo)，結(jié)合爐變油質(zhì)化驗(yàn)報(bào)告，對(duì)各臺(tái)精煉爐制訂科學(xué)的生產(chǎn)、定檢計(jì)劃。結(jié)合實(shí)際工況，保證正常生產(chǎn)冶煉時(shí)間，避免為追求高產(chǎn)量而加快冶煉溫升速度。

3)優(yōu)化冶煉控制系統(tǒng)邏輯，提升控制系統(tǒng)整體響應(yīng)速度，降低精煉爐工作短路的概率和縮短持續(xù)時(shí)間，減少冶煉沖擊諧波發(fā)生量。

4)在爐變高壓側(cè)設(shè)置阻容保護(hù)器和低殘壓避雷器，在爐變低壓側(cè)設(shè)置高阻抗補(bǔ)償電容器，以限制過(guò)電壓。同時(shí)規(guī)范操作，盡可能減少精煉爐爐變高壓側(cè)開(kāi)關(guān)的分?jǐn)啻螖?shù)。

5)將爐變高壓側(cè)35 kV系統(tǒng)接地方式由消弧線圈接地改為電阻接地，以減少非對(duì)稱接地過(guò)電壓的幅值和持續(xù)時(shí)間。

6 治理效果

某鋼鐵企業(yè)在采取了上述改進(jìn)措施，同時(shí)優(yōu)化了生產(chǎn)工藝，加強(qiáng)了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和運(yùn)維技術(shù)監(jiān)督后，本案例中的故障精煉爐爐變近一年來(lái)未發(fā)生類似異常和故障，這說(shuō)明安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)得到了夯實(shí)。目前，上述措施已在該鋼鐵企業(yè)其他精煉爐車間中推廣。