一起油流繼電器重瓦斯誤動(dòng)事故分析

邱 煒，鄭榮鋒，黃 鑫，劉 君，陸曉彬，胡 林，徐清鵬

(國網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

電力系統(tǒng)常常因負(fù)荷變化導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)，為緩解電網(wǎng)壓力，有載分接開關(guān)需頻繁切換而極易發(fā)生故障，影響變電站的安全運(yùn)行[1]。油流繼電器是變壓器調(diào)壓系統(tǒng)中的重要組成部分，其內(nèi)部有輕瓦斯保護(hù)和重瓦斯保護(hù)接點(diǎn)，運(yùn)行中的有載分接開關(guān)油流繼電器通常只要求保留兩組重瓦斯保護(hù)接點(diǎn)。當(dāng)有載分接開關(guān)內(nèi)部存在缺陷時(shí)，容易在調(diào)壓過程中產(chǎn)生劇烈電弧，并生成大量氣體。氣體隨著油流朝著油枕方向涌動(dòng)，作用在有載油流繼電器的下?lián)醢濉．?dāng)油速達(dá)到油流繼電器動(dòng)作整定值時(shí)，重瓦斯保護(hù)動(dòng)作，電力變壓器三側(cè)斷路器跳閘[2-3]。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，電力變壓器事故中有40%以上為有載分接開關(guān)發(fā)生故障導(dǎo)致，因此統(tǒng)計(jì)并分析由有載分接開關(guān)故障導(dǎo)致電力變壓器誤動(dòng)以及故障的典型事故具有十分重要的工程意義和現(xiàn)場需求[2,4]。下面基于一起由220 kV等級(jí)電力變壓器有載分接開關(guān)的油流繼電器重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)引起的變壓器三側(cè)斷路器跳閘的案例，結(jié)合現(xiàn)場檢查、油化試驗(yàn)、高壓試驗(yàn)、保護(hù)及故障錄波等情況，對事故經(jīng)過、誤動(dòng)原因進(jìn)行了分析總結(jié)，并提出了具有現(xiàn)場指導(dǎo)性的建議以及預(yù)防控制措施。

1 事故過程及處理

2020年6月10日，220 kV某變電站發(fā)生有載油流繼電器重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)事故。事故發(fā)生前接線方式220 kV、110 kV均為雙母接線，10 kV為單母分段接線，共兩臺(tái)變壓器。故障前220 kV、110 kV分段斷路器均在合位，10 kV分段斷路器在分位，兩臺(tái)變壓器處于并列運(yùn)行狀態(tài)。

該變電站2號(hào)主變壓器由保定天威保變電氣股份有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品型號(hào)為SSZ-240000/220，2009年出廠。有載調(diào)壓開關(guān)為瑞典ABB公司生產(chǎn)，型號(hào)為UCLRN650/900/Ⅲ，額定電流為700 A，2009年出廠。有載油流繼電器為EMB公司生產(chǎn)，型號(hào)為URF 25/10,整定流速為3.0 m/s，2009年出廠。

2020年6月10日6:55:10.894時(shí)，該變電站2號(hào)主變壓器非電量保護(hù)裝置啟動(dòng)，17 ms后有載重瓦斯保護(hù)動(dòng)作，27 ms后主變壓器三側(cè)202、102、902斷路器跳閘，10 kV備自投正確動(dòng)作合上912斷路器帶10 kV II母負(fù)荷。故障發(fā)生時(shí)變壓器運(yùn)行工況良好，有載調(diào)壓開關(guān)未進(jìn)行調(diào)擋操作。

事故發(fā)生后現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)：有載調(diào)壓開關(guān)在1擋位置；油流繼電器內(nèi)集有瓦斯氣體(如圖1所示)；重瓦斯保護(hù)擋板并未動(dòng)作(一旦擋板動(dòng)作，必須手動(dòng)復(fù)歸)；油流繼電器芯子內(nèi)干簧管接線樁積有游離碳(如圖2所示)，干簧管密封良好無破損?，F(xiàn)場試驗(yàn)：有載調(diào)壓開關(guān)油室絕緣油耐壓試驗(yàn)合格；變壓器直流電阻、分接開關(guān)切換波形、開關(guān)過渡電阻合格；但兩組重瓦斯保護(hù)接點(diǎn)絕緣電阻為0.3 MΩ，偏低。保護(hù)及故障錄波結(jié)果顯示，有載重瓦斯保護(hù)動(dòng)作持續(xù)時(shí)間約40 s，隨后重瓦斯保護(hù)及故障錄波信號(hào)返回；現(xiàn)場檢查二次回路接線正確，二次重瓦斯回路絕緣及保護(hù)出口試驗(yàn)等結(jié)果正確。非電量保護(hù)動(dòng)作期間及保護(hù)動(dòng)作時(shí)刻，無2號(hào)變壓器差動(dòng)及后備保護(hù)啟動(dòng)或異常報(bào)告。

圖1 瓦斯內(nèi)部存在大量氣體

圖2 干簧管接線處游離碳

該有載調(diào)壓開關(guān)總調(diào)擋次數(shù)7336次，2019年12月停電檢修時(shí)變壓器直流電阻、有載分接開關(guān)切換波形均無異常，油流繼電器接點(diǎn)絕緣電阻無異常，檢修時(shí)對有載調(diào)壓開關(guān)的切換油室進(jìn)行了換油處理。近幾個(gè)月調(diào)擋次數(shù)分別為6月6次，5月8次，4月12次，3月4次，最近一次調(diào)擋時(shí)間為6月9日23時(shí)，由2擋調(diào)至1擋運(yùn)行。

綜合現(xiàn)場保護(hù)動(dòng)作信息分析情況，當(dāng)即決定將2號(hào)變壓器有載重瓦斯保護(hù)接信號(hào)、有載壓力釋放信號(hào)接跳閘，調(diào)試合格后將該變壓器定擋投入運(yùn)行，15：40送電成功。

2 油流繼電器結(jié)構(gòu)與基本原理

油流繼電器主要由接線盒與引線口、法蘭連接、試驗(yàn)與復(fù)位探針、玻璃觀察窗以及繼電器本體組成，其中：玻璃觀察窗可直接觀察繼電器內(nèi)部集氣情況和繼電器各功能元件狀態(tài)；試驗(yàn)與復(fù)位探針用于檢修人員對繼電器進(jìn)行動(dòng)作測試，同時(shí)在繼電器動(dòng)作后進(jìn)行復(fù)位(重瓦斯擋板動(dòng)作后，不能自動(dòng)復(fù)位，需人工手動(dòng)復(fù)位)；繼電器引出兩組出線，并接入二次保護(hù)系統(tǒng)[5-6]。油流繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 油流繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

油流繼電器的基本原理是：當(dāng)有載分接開關(guān)由于故障產(chǎn)生強(qiáng)烈氣體造成向油枕方向的高速油流，并且油流速度超過限定數(shù)值(整定值為3.0 m/s)時(shí)，有載油流繼電器將通過擋板與恒磁磁鐵的聯(lián)動(dòng)，使玻璃干簧管內(nèi)觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)跳閘信號(hào)[7-8]。

3 事故原因分析

變壓器跳閘前無調(diào)擋動(dòng)作，運(yùn)行工況良好，故障后變壓器本體及附件未見異常；變壓器繞組直流電阻、有載分接開關(guān)切換波形、變壓器過渡電阻等試驗(yàn)均無異常，變壓器本體油色譜數(shù)據(jù)正常(見表1)：基本排除變壓器本體故障可能。同時(shí)，油流繼電器擋板未動(dòng)作，說明油流速度未超過整定值，有載調(diào)壓開關(guān)切換芯子油室油耐壓合格，也可排除有載調(diào)壓開關(guān)內(nèi)部故障可能。

表1 變壓器本體油色譜試驗(yàn)結(jié)果

故障后檢查油流繼電器干簧管端部接線部位有游離碳，重瓦斯接點(diǎn)絕緣電阻低。該240 MVA變壓器配備的是瑞典ABB公司原裝、額定電流為700 A的有載調(diào)壓機(jī)構(gòu)(而目前240 MVA變壓器一般裝配額定電流1000 A、串聯(lián)雙斷口、4個(gè)過渡電阻的有載調(diào)壓機(jī)構(gòu))，其切換電流裕度較小，有載切換過程中電弧在油中燃燒產(chǎn)生的大量游離碳在涌流作用下進(jìn)入油流繼電器，附著于干簧管正負(fù)電引出線端部，長期累積形成放電小橋，造成絕緣降低甚至擊穿。

有載保護(hù)配備的是EMB公司原裝油流繼電器，該產(chǎn)品采用早期設(shè)計(jì)，干簧管端部附近兩引線的絕緣僅靠引線表面一層絕緣管包裹隔離。所述事故中，干簧管端部受到接點(diǎn)兩側(cè)正負(fù)電壓的影響(直流電壓220 V)，較容易吸附有載切換過程中產(chǎn)生的游離碳，且游離碳會(huì)根據(jù)正負(fù)電荷產(chǎn)生的電場方向，較有規(guī)律地排列形成放電小橋。隨著運(yùn)行時(shí)間地增加，干簧管端部兩引線間逐漸布滿游離碳。

同時(shí)，該油流繼電器早期產(chǎn)品端部引線的絕緣極易破損，絕緣破損后極易通過游離碳導(dǎo)通，從而導(dǎo)致了瓦斯保護(hù)的誤動(dòng)。因此EMB公司在后期新產(chǎn)品中做了改進(jìn)，如圖4所示。新產(chǎn)品在干簧管端部引線間采用絕緣材料包裹后，在內(nèi)部澆注環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)了端部絕緣強(qiáng)度。即使有載切換中累計(jì)產(chǎn)碳量較大，并且在干簧管附近堆積，也不會(huì)導(dǎo)致接點(diǎn)兩側(cè)的引線導(dǎo)通。

圖4 改進(jìn)型干簧管

此外，油流繼電器與油枕間連接管設(shè)計(jì)不當(dāng)，該連接管采用“L”型90°折彎鋼管，折彎處內(nèi)徑減小，造成切換過程中產(chǎn)生的瓦斯氣體無法通暢進(jìn)入油枕，集聚在油流繼電器上部，將干簧管暴露于瓦斯氣體中。當(dāng)干簧管端部放電小橋積碳中混雜的液態(tài)有載油在重力作用下斷斷續(xù)續(xù)滴落，進(jìn)一步降低放電小橋電阻，最終形成近似短路的放電通道導(dǎo)致?lián)舸?/p>

變壓器停電后完成油流繼電器更換，將拆下的油流繼電器進(jìn)行絕緣電阻測試，一組接點(diǎn)絕緣電阻為0(節(jié)點(diǎn)13-14)；另一組接點(diǎn)絕緣電阻為大于1000 MΩ(節(jié)點(diǎn)23-24)。將干簧管端部游離碳擦拭干凈后，兩組接點(diǎn)絕緣電阻均大于1000 MΩ。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 故障油流繼電器節(jié)點(diǎn)絕緣電阻

圖5 干簧管端部游離碳清理前

圖6 干簧管端部游離碳清理后

經(jīng)診斷，該油流繼電器重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)根本原因?yàn)楦苫晒芤€絕緣設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致。由于連管油路不暢，在有載調(diào)開關(guān)切換過程中油流繼電器匯集氣體，覆滿游離碳的干簧管引線暴露在空氣中產(chǎn)生了放電小橋，形成近似短路的放電通道導(dǎo)致?lián)舸?，造成油流繼電器重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)。

4 改進(jìn)措施

電力變壓器誤動(dòng)將極大地影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，案例所發(fā)現(xiàn)的有載重瓦斯保護(hù)誤動(dòng)以及該型號(hào)油流繼電器的家族性缺陷對電力變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大隱患，因此提出以下建議：

1)EMB公司早期類型油流繼電器由于存在部分設(shè)計(jì)缺陷，建議配合停電檢修周期對油流繼電器進(jìn)行開蓋檢查，清除積碳，若干簧管絕緣設(shè)計(jì)存在缺陷應(yīng)立即更換油流繼電器；

2)對存在油路設(shè)計(jì)不合理的變壓器進(jìn)行整改，預(yù)防油路不通導(dǎo)致有載切換過程中產(chǎn)生的瓦斯氣體無法通暢進(jìn)入油枕，集聚在油流繼電器上部，將干簧管暴露于瓦斯氣體中；

3)同時(shí)強(qiáng)化變壓器本體及有載油流繼電器油路的驗(yàn)收要求，杜絕存在類似油路不暢隱患的變壓器投運(yùn)，加強(qiáng)變壓器油流繼電器的巡視力度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除類似隱患。