一起輔助變壓器母線電纜擊穿故障原因分析和故障處理

周凌波 李念飛 孫劍 聞會(huì)波

摘要：針對(duì)某核電站輔助變壓器低壓側(cè)母線電纜擊穿故障，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢查和解體檢查情況進(jìn)行綜合分析，低壓側(cè)母線電纜三相短路是由于電纜端接頭制造工藝的缺陷，導(dǎo)致端部電場(chǎng)畸變較大，產(chǎn)生局部電暈放電，加速電纜老化，最后導(dǎo)致C相電纜端接頭部主絕緣被擊穿，引起三相母排端部及支撐絕緣子處短路，最后導(dǎo)致電流保護(hù)動(dòng)作，輔助變壓器退出運(yùn)行，并提出了糾正行動(dòng)。

關(guān)鍵詞：共箱母線;三相短路;半導(dǎo)電層;應(yīng)力管;介電常數(shù);間隙放電

1故障概況

主控室出現(xiàn)報(bào)警902AA，主控確認(rèn)2#輔助變壓器已經(jīng)跳閘。接現(xiàn)場(chǎng)電話2#輔助變壓器輕微冒煙，主控立即派出現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)檢查，手動(dòng)啟動(dòng)消防水泵后投運(yùn)2號(hào)輔變消防。現(xiàn)場(chǎng)觀察到端子排出現(xiàn)明火，輔變低壓側(cè)下降段有兩塊蓋板崩開冒煙。主控通知消防車到場(chǎng)，后續(xù)火情沒有發(fā)展，消防車沒有啟動(dòng)噴槍。

電氣人員事后檢查KKO錄波儀，2號(hào)輔變6.6kV側(cè)過流保護(hù)動(dòng)作，跳開2號(hào)輔變進(jìn)線開關(guān)，切除短路故障。機(jī)組失去二分之一廠外安全電源。

2現(xiàn)場(chǎng)故障排查

2.1故障現(xiàn)象

根據(jù)2號(hào)輔變高壓側(cè)錄波信號(hào)分析，故障持續(xù)時(shí)間約1.06秒。故障期間，短路電流最大值達(dá)14.45A（二次有效值），換算到6.6kV側(cè)最大短路電流為28900A;持續(xù)短路電流約28000A。6.6kV過流保護(hù)整定定值為：10920A，延時(shí)1秒。

故障前兩個(gè)周波，輔變低壓側(cè)C相出現(xiàn)約36A的對(duì)地電容電流，表明C相此時(shí)可能存在對(duì)地放電現(xiàn)象。故障發(fā)生后的第一個(gè)周波，C相電流幅值最大。故障持續(xù)期間，因三相接地弧光電阻的不同，導(dǎo)致三相短路電流不平衡，出現(xiàn)零序電流[1]。

2.2故障排查

（1）三相對(duì)地短路故障區(qū)域在母線端部三相支撐絕緣子處，短路電弧使得三相瓷瓶不同程度損毀，端部蓋板對(duì)應(yīng)三相母排處有電弧燒損痕跡，A相部位燒穿一個(gè)洞，該區(qū)域及四周有大量電弧熔融飛濺物，三相母排端部下角被電弧燒毀;（2）C相母排上1根電纜、A相母排上2根電纜主絕緣擊穿點(diǎn)都在金屬護(hù)套及半導(dǎo)體屏蔽接地處;（3）直流耐壓試驗(yàn)后發(fā)生絕緣失效點(diǎn)仍然在金屬護(hù)套及半導(dǎo)體屏蔽接地處;（4）故障擊穿點(diǎn)都處于半導(dǎo)體屏蔽層切割斷口處，在故障點(diǎn)一周都不同程度存在黃色變色情況。

2.3采取緊急搶修

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象及初步分析，電氣持票對(duì)共箱母線中的母排進(jìn)行了處理，更換損毀的三相瓷瓶及相關(guān)附件，切除故障電纜后，重新制作電纜端接頭并進(jìn)行各項(xiàng)電氣試驗(yàn)，確認(rèn)輔變及母線電纜符合運(yùn)行條件后，恢復(fù)2號(hào)輔變的正常運(yùn)行。

3故障原因

從故障波形分析及故障電纜主絕緣擊穿的部位、特征情況看，電纜主絕緣降低導(dǎo)致主絕緣被擊穿是此次短路故障的引發(fā)點(diǎn)，而故障的直接原因是電纜的絕緣強(qiáng)度降低導(dǎo)致電纜擊穿而引起故障發(fā)上，造成電纜絕緣降低的因素有很多：（1）電纜的工作條件對(duì)電纜的絕緣強(qiáng)度的影響;（2）電纜所處的工作環(huán)境（如潮濕問題）對(duì)電纜的絕緣強(qiáng)度的影響;（3）電纜頭制作工藝及過程對(duì)電纜的強(qiáng)度和絕緣性能的影響。

針對(duì)以上三個(gè)可能因素分析如下：

（1）電纜的工作條件主要是指其通流電流和工作溫度，而工作溫度與其通流電流大小密切相關(guān)，由于電纜的結(jié)構(gòu)，其散熱性較差，長(zhǎng)時(shí)工作于過負(fù)荷狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生較高的工作溫度，從而會(huì)加速電纜絕緣的老化。該電纜工作負(fù)荷很小，正常情況下其工作電流不會(huì)超過規(guī)定值，故基本可以排除因工作條件對(duì)電纜的絕緣的不良影響;（2）電纜的工作環(huán)境，主要考慮水分滲入問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，水樹枝劣化所導(dǎo)致的絕緣擊穿，約占了接地故障的80%以上。本次的故障電纜處于輔變低壓側(cè)密封箱室內(nèi)，且有干燥空氣進(jìn)行吹掃，其工作環(huán)境應(yīng)屬較理想狀態(tài)。

從電纜故障部位檢查狀況看，未發(fā)現(xiàn)水樹枝劣化情況，且剝開電纜外部護(hù)層，也未發(fā)現(xiàn)水痕跡，說明故障電纜密封狀況良好，此次電纜擊穿故障不是水樹枝劣化問題導(dǎo)致;（3）電纜頭的制作工藝及過程。電纜頭制作前，為了保證電纜接頭的質(zhì)量，除了嚴(yán)格地選用材料，還必須嚴(yán)格遵守工藝規(guī)程和正確的剝切尺寸，在剝切過程中，除了按照正確的尺寸，還要注意切的力度，不然會(huì)在主絕緣表面留下較深的傷痕，影響主絕緣的長(zhǎng)期安全運(yùn)行[2]。

輔助變壓器系統(tǒng)使用的電纜結(jié)構(gòu)圖1所示：

此次故障處理過程中，在處理電纜端部接頭時(shí)發(fā)現(xiàn)電纜端部主絕緣表面存在一些刀痕，在制作電纜終端頭切割、剝除金屬護(hù)套等外皮時(shí)會(huì)留下一些切割劃痕，如果控制不好，刀痕較深，且處于屏蔽層斷面部位，運(yùn)行中會(huì)在刀痕處產(chǎn)生局部電暈放電，這些部位的黃色痕跡就是電暈放電的結(jié)果，受電暈放電的長(zhǎng)期作用，最終會(huì)在這些部位發(fā)生絕緣擊穿。

加裝應(yīng)力錐，改善該部位場(chǎng)強(qiáng)分布，正是應(yīng)力錐的安裝工藝對(duì)此端部電場(chǎng)分布有著關(guān)鍵性影響。電纜終端接頭的電場(chǎng)分布比電纜絕緣層內(nèi)的分布復(fù)雜得多。電場(chǎng)集中在靠近金屬護(hù)套邊緣的部位，并具有很大的軸向分量，而安裝應(yīng)力管就是為了減弱在端部的電場(chǎng)畸變。

在解體此次事故電纜時(shí)，發(fā)現(xiàn)電纜頭制作中的剝切尺寸基本滿足要求，其覆蓋長(zhǎng)度也未超出標(biāo)準(zhǔn)要求，但是發(fā)現(xiàn)在斷口臺(tái)階處未發(fā)現(xiàn)填充膠類物質(zhì)，從故障部位看，擊穿點(diǎn)旁有一個(gè)較深的傷痕而兩者之間的主絕緣相對(duì)較好。

結(jié)合以上針對(duì)斷口處臺(tái)階沒有填充高介電常數(shù)物質(zhì)的檢查結(jié)果，說明電纜頭制作過程中沒有嚴(yán)格按照工藝規(guī)程來，特別是在斷口處臺(tái)階與上面覆蓋物質(zhì)之間空隙沒有填上硅脂膏。如果斷口空隙中沒有填充類似硅脂膏的高介電常數(shù)物質(zhì)，會(huì)使電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大，產(chǎn)生的局部電暈對(duì)空隙中空氣連續(xù)放電，雖然沒有達(dá)到擊穿主絕緣的程度，但是加速了主絕緣由表及里的老化速度，通過長(zhǎng)期的運(yùn)行，時(shí)間的累積效應(yīng)就表現(xiàn)出來，主絕緣的老化加上高壓波頭的沖擊，最后導(dǎo)致主絕緣最脆弱處發(fā)生擊穿，引發(fā)了此次故障。

4糾正行動(dòng)

（1）立即開展緊急搶修，將故障電纜以及母排進(jìn)行處理，更換電纜外護(hù)套，重新制作故障電纜電纜端接頭，并通過直流、交流耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）制定合理的檢修計(jì)劃，對(duì)其他機(jī)組同類型電纜進(jìn)行相關(guān)電氣試驗(yàn)，對(duì)有缺陷電纜，立即處理電纜端頭，重新制作。

5結(jié)論

（1）輔助變壓器低壓側(cè)母線電纜三相短路是由于電纜端接頭制造工藝的缺陷，導(dǎo)致端部電場(chǎng)畸變較大，產(chǎn)生局部電暈放電，加速電纜老化，最后導(dǎo)致C相電纜端接頭部主絕緣被擊穿，引起三相母排端部及支撐絕緣子處短路，最后導(dǎo)致電流保護(hù)動(dòng)作，2號(hào)輔變退出運(yùn)行。其中電纜端接頭制造工藝的缺陷是事故發(fā)生的根本原因。（2）考慮2號(hào)輔變低壓側(cè)發(fā)生的三相短路故障對(duì)2號(hào)輔變的影響，本次故障的短路電流在其可承受的允許范圍內(nèi)，另進(jìn)行油樣色譜、絕緣、直阻以及交流阻抗等試驗(yàn)，也都說明2號(hào)輔變情況良好，本次故障沒有產(chǎn)生明顯損傷;（3）制定合理的檢修計(jì)劃，對(duì)其他機(jī)組同類型電纜進(jìn)行相關(guān)電氣試驗(yàn)，對(duì)有缺陷電纜，立即處理電纜端頭，重新制作。

參考文獻(xiàn)

[1]熊信銀.發(fā)電廠電氣部分.3版.北京：中國(guó)電力出版社，2004.102.

[2]何光華.高壓電纜終端電壓、電流型發(fā)熱缺陷的分析預(yù)控.第十九屆輸配電研討會(huì)論文集，2011.12