10 kV共箱封閉母線進戶中間穿墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化技改小結(jié)

阮 剛

(四川能投鼎盛鋰業(yè)有限公司，四川 眉山 620000)

0 引 言

四川能投鼎盛鋰業(yè)有限公司(簡稱鼎盛鋰業(yè))Ⅰ期10 kt/a電池級鋰鹽項目配套新建35 kV鼎盛變電站，其總體設計方案為：35 kV鼎盛變電站為末端負荷站，采用戶內(nèi)站設計，35 kV單回單電源進線，單臺S11-25000kVA/35/10.5kV三相雙繞組銅芯低損耗無勵磁調(diào)壓油浸式電力變壓器，戶外布置；35 kV、10 kV開關(guān)柜戶內(nèi)布置；35 kV出線開關(guān)柜與主變之間采用電纜連接，主變10 kV低壓側(cè)采用共箱封閉母線與戶內(nèi)10 kV開關(guān)柜連接；變電站35 kV和10 kV母線主接線形式均為單母線不分段。各10 kV負荷采用電纜出線，主要設備包含9臺配電變壓器、16臺高壓電動機等，為全廠各生產(chǎn)裝置及生活、辦公區(qū)等提供用電，同時配備容量1 000 kVA、Ue=400 V的應急柴油發(fā)電機組1臺。

35 kV鼎盛變電站為EPC總承包項目，設計單位為成都市某甲級設計院，變電站于2018年5月31日建成并一次性送電成功。正常運行約18個月后，2019年11月5日11:40:06，35 kV鼎盛變電站除35 kV電源進線外，全站突然停電，電力監(jiān)控系統(tǒng)顯示故障為“35 kV主變差動保護動作”，主變上、下兩側(cè)501開關(guān)、901開關(guān)跳閘導致全廠停電，應急柴油發(fā)電機組自動啟動，向各二級變電所事故段應急負荷供電。

1 事故原因分析

1.1 35 kV主變差動保護基本原理

主變差動保護，是變壓器的主要保護手段。其基本原理是，反映被保護變壓器各端流入和流出電流的差，保護區(qū)內(nèi)如果發(fā)生故障，差動回路中的電流值大于整定值，差動保護瞬時動作，而保護區(qū)外的故障，主變差動保護則不應動作。

35 kV主變差動保護范圍如圖1。電流互感器TA1設置在35 kV出線柜501出線側(cè)，電流互感器TA2設置在10 kV進線柜901上端側(cè)，在變壓器正常運行和外部故障時，電流互感器TA1、TA2電流相等(I2′-I2″=0)，差動回路的電流等于零，一旦(I2′-I2″)>差動保護設定值，主變差動保護動作。

圖1 35 kV主變差動保護范圍示意圖

1.2 35 kV主變差動保護影響因素

據(jù)上述主變差動保護基本原理，本次35 kV鼎盛變電站主變差動保護是在35 kV主變正常運行時發(fā)生的，故在故障檢查時應排除掉變壓器激磁涌流產(chǎn)生的不平衡電流、變壓器兩側(cè)電流相位不同產(chǎn)生的不平衡電流、計算變比與實際變比造成的不平衡電流、電流互感器TA1與TA2型號不同造成的不平衡電流、變壓器帶負荷調(diào)整分接頭造成的不平衡電流等因素的影響。

1.3 35 kV主變差動保護范圍

據(jù)上述35 kV主變差動保護原理及主變差動保護影響因素分析，35 kV鼎盛變電站主變差動保護范圍即電流經(jīng)過電流互感器TA1、TA2的范圍(如圖1)，亦即35 kV主變上、下側(cè)電流互感器TA1、TA2之間的范圍，主要包括35 kV側(cè)出線501開關(guān)至35 kV主變的35 kV電纜、35 kV主變設備本體、35 kV主變至10 kV側(cè)進線901開關(guān)之間的10 kV共箱封閉母線三部分。

1.4 故障點查找

據(jù)35 kV主變差動保護范圍，分別檢查35 kV電纜、35 kV主變設備本體、10 kV共箱封閉母線(三相母線導體封閉在同一個金屬外殼中的金屬封閉母線)。故障點檢查過程及結(jié)果如下。

35 kV油浸式電力變壓器油品取樣分析結(jié)果顯示，氣體成分分析未見異常，油品耐壓試驗49.9 kV等相關(guān)數(shù)據(jù)合格，變壓器直流電阻、變比、本體耐壓試驗等相關(guān)檢測數(shù)據(jù)合格，綜合數(shù)據(jù)判斷主變設備正常；35 kV側(cè)501開關(guān)至主變高壓側(cè)35 kV出線電纜耐壓試驗檢測數(shù)據(jù)合格，35 kV電纜正常；主變低壓側(cè)至10 kV側(cè)進線901開關(guān)之間的共箱封閉母線耐壓試驗檢測數(shù)據(jù)不合格，并出具了相關(guān)檢測報告。由此，確認是主變至10 kV側(cè)進線901開關(guān)之間的10 kV共箱封閉母線發(fā)生了相間短路故障。隨即，檢修人員對共箱封閉母線開蓋檢查，檢查結(jié)果為：在10 kV共箱封閉母線由戶外進入戶內(nèi)的進戶位置(見圖2)，戶外、戶內(nèi)兩部分之間設置的環(huán)氧樹脂隔板絕緣被擊穿，造成母排相間放電，觸發(fā)主變差動保護動作。本次35 kV主變差動保護動作迅速，體現(xiàn)了其高靈敏性及可靠性，未造成主變設備及母線的損壞。

圖2 10 kV共箱封閉母線進戶位置示意圖

1.5 事故原因分析

1.5.1 直接原因

10 kV共箱封閉母線在進戶穿墻位置內(nèi)部設置的環(huán)氧樹脂隔板絕緣強度降低而被擊穿，造成10 kV母排相間放電，觸發(fā)主變差動保護動作。

1.5.2 間接原因

1.5.2.1設計方面的原因

設計院在施工圖設計圖紙中僅提供了10 kV共箱封閉母線有關(guān)電氣的相關(guān)參數(shù)(包括戶外型以及31.5 kA、2 000 A、數(shù)量10 m等參數(shù))，并未提供10 kV共箱封閉母線進戶穿墻位置的結(jié)構(gòu)設計，也未提供穿墻套管型號、共箱封閉母線箱體外形尺寸等參數(shù)。

1.5.2.210 kV共箱封閉母線產(chǎn)品存在設計缺陷

總承包方提供的10 kV共箱封閉母線中間穿墻結(jié)構(gòu)原設計剖面圖(及母排相間放電位置)如圖3。生產(chǎn)廠家提供的10 kV共箱封閉母線產(chǎn)品[產(chǎn)品型號為GFM-10.5kV/2000A/50Hz，銅母排規(guī)格為TMY-3(120 mm×10 mm)，戶外型，防護等級IP54，采用自然冷卻方式]中間穿墻結(jié)構(gòu)設計存在缺陷、材料選擇錯誤——設置的穿墻密封連接裝置采用環(huán)氧樹脂絕緣板材料作為戶內(nèi)、戶外之間密封分隔，且環(huán)氧樹脂絕緣板直接搭接在10 kV銅母排上，此種材料隨著時間的推移其絕緣強度會逐步降低而易被擊穿，造成母排相間放電，即環(huán)氧樹脂絕緣板不能作為10 kV母線的主絕緣材料使用。

圖3 10 kV共箱封閉母線中間穿墻結(jié)構(gòu)剖面圖

1.5.2.3環(huán)境因素

10 kV共箱封閉母線正常運行時，所處環(huán)境的溫度、濕度、污穢等級等因素均符合設計及產(chǎn)品使用環(huán)境要求，不是影響10 kV共箱封閉母線安全運行的主要因素。

1.6 臨時應急處置方案

經(jīng)過上述原因分析，建設單位、設計院、總承包單位、10 kV共箱封閉母線生產(chǎn)廠家均認可造成本次全廠停電事故的直接原因為10 kV共箱封閉母線產(chǎn)品母線中間穿墻結(jié)構(gòu)設計存在缺陷和材料選擇錯誤，由總承包單位承擔本次停電事故的全部責任。10 kV共箱封閉母線進戶中間穿墻結(jié)構(gòu)隱患的整改由本項目總承包單位、10 kV共箱封閉母線生產(chǎn)廠家負責，要求按有關(guān)規(guī)范/標準優(yōu)化共箱封閉母線產(chǎn)品設計方案，方案報設計院、建設單位同意后，限期完成整改。

為盡快恢復全廠供電、減少損失，建設單位同意以下臨時應急處置方案：取消現(xiàn)有10 kV共箱封閉母線中間穿墻位置設置的環(huán)氧樹脂隔板，在10 kV共箱母線耐壓試驗合格后，先行恢復全廠電力系統(tǒng)供電，從全廠停電到恢復正常供電，合計停電時間約為18 h。

2 技改方案

2.1 技改的主要難點

(1)停電整改所能給出的作業(yè)時間有限，共箱封閉母線技改必須將主變停電后方能交付施工作業(yè)，據(jù)裝置設備恢復運行方面的要求，從主變停電交出到恢復全廠供電總時長不能超過12 h。

(2)共箱封閉母線金屬外殼箱體幾何尺寸有限，現(xiàn)有金屬外殼箱體內(nèi)部空間僅為972 mm(寬)×452 mm(高)，如圖3所示，這給穿墻套管型號及材料的選擇帶來困難。

2.2 技改主要參考標準及設計圖冊

(1)共箱封閉母線技改主要參考標準為《金屬封閉母線》(GB/T 8349—2000)，要求“金屬封閉母線可在適當部位設置防結(jié)露裝置。自然冷卻離相封閉母線應在戶內(nèi)外穿墻處設置密封絕緣套管或采取其他措施，以防止外殼中戶內(nèi)外空氣對流、區(qū)域之間的溫差造成的結(jié)露給母線安全運行帶來的危害”，以及其他相關(guān)技術(shù)要求。

(2)共箱封閉母線技改設計參考《國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設計：35kV變電站分冊》戶內(nèi)變電站設計部分，即：主變戶外布置，35 kV、10 kV開關(guān)柜戶內(nèi)布置；參考典型設計方案，編號B-1和B-2。

2.3 技改方案的比選

2.3.1 方案一

參考《國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設計：35kV變電站分冊》典型設計，主要設計方案為：戶外部分從35 kV變壓器10.5 kV低壓出線側(cè)到進戶穿墻位置采用裸露的銅質(zhì)硬母線，不采用共箱封閉母線；穿墻位置采用CWW-10kV/2000A耐污型戶外銅導體瓷質(zhì)穿墻套管及其他密封絕緣材料；母線進入戶內(nèi)后則采用共箱封閉母線，與10 kV進線開關(guān)柜連接。

本方案(方案一)是《國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型設計：35kV變電站分冊》典型設計方案，方案成熟，主要適用于新建變電站，最初設計時就需充分考慮細節(jié)。若本次技改按照方案一實施，不僅要拆除室外部分的共箱母線箱體，穿墻位置的土建預留孔洞的尺寸也需要改動，戶內(nèi)部分的共箱母線箱體尺寸及銅母排也需作相應的調(diào)整，改動太大，等于是推翻了原設計院的設計方案，加之所能給出的技改施工作業(yè)時間有限，方案一不能滿足實際生產(chǎn)所需且費用也高。

2.3.2 方案二

保持現(xiàn)10 kV共箱封閉母線金屬外殼幾何尺寸不變，穿墻位置采用CWW-10kV/2000A耐污型戶外銅導體瓷質(zhì)穿墻套管及其他密封絕緣材料。

本方案(方案二)從理論上來看是可行的，但是CWW-10kV/2000A型穿墻套管幾何尺寸較大，在現(xiàn)有共箱金屬外殼箱體有限空間972 mm(寬)×452 mm(高)內(nèi)安裝，3個套管之間的安全距離不符合規(guī)范要求，除非將穿墻位置戶外、戶內(nèi)部分的共箱金屬外殼空間變大，這又同樣涉及到土建預留孔洞的尺寸變化、部分銅母排需重新制作安裝、施工作業(yè)時間較長等問題。

2.3.3 方案三

保持現(xiàn)有10 kV共箱封閉母線金屬外殼箱體幾何尺寸不變，在穿墻位置設置TGJ8-12型高壓穿墻套管，采用10 mm厚10 kV絕緣板進行分隔，母線外套35 kV電壓等級的熱縮母排套管。

TGJ8-12型高壓穿墻套管絕緣子采用環(huán)氧樹脂澆注成型，耐污穢及潮濕，無需特別維護，只需定期清理表面，兩端有用于安裝的螺紋孔。TGJ8-12型高壓穿墻套管主要參數(shù)為：額定電壓10 kV，最高電壓12 kV；絕緣子能承受的工頻耐受電壓(有效值)42 kV/5 min，雷電沖擊耐受電壓(峰值)75 kV。TGJ8-12型高壓穿墻套管為戶內(nèi)裝置，使用在共箱封閉母線內(nèi)是可行的，同時該套管要求在無嚴重影響絕緣子絕緣的氣體、蒸氣、灰塵及其他爆炸性和腐蝕性介質(zhì)的場所使用，現(xiàn)有環(huán)境條件均符合該套管的使用要求。

本方案(方案三)無需改動共箱金屬外殼尺寸，銅母排無需重新制作，3個套管之間的安全距離也符合規(guī)范要求，施工作業(yè)時間短，費用也比較低。

2.3.4 方案比選結(jié)果

通過對上述3個技改方案在技術(shù)、經(jīng)濟、可行性等方面的綜合比較，方案一、方案二在輸變電工程設計之初選擇應該是最優(yōu)的；方案三則是基于本項目的實際情況提出的，實施難度不大，且符合規(guī)范要求，雖說不是國家電網(wǎng)公司典型設計方案，但最適合于本項目的技改，故確定方案三為最終設計及實施方案。10 kV共箱封閉母線中間穿墻結(jié)構(gòu)技改設計剖面圖如圖4。

圖4 共箱封閉母線中間穿墻結(jié)構(gòu)技改設計剖面圖

3 技改實施情況及效果

本次10 kV共箱封閉母線中間穿墻結(jié)構(gòu)技改，利用2020年度春季大修機會在計劃的12 h內(nèi)順利完成，包括耐壓試驗在內(nèi)的各項試驗數(shù)據(jù)合格且安全送電。技改后至今2 a多的時間內(nèi)，供配電系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定、安全運行，未出現(xiàn)過任何問題。2022年度春季大修期間對10 kV共箱封閉母線中間穿墻結(jié)構(gòu)技改部分進行了重點檢查，除了套管表面稍有積塵外，無任何放電跡象，其他各項試驗數(shù)據(jù)均正常。

4 結(jié)束語

參照GB/T 8349—2000等標準，結(jié)合本工程實際案例及鼎盛鋰業(yè)“35 kV主變差動保護動作”事故，在設計、產(chǎn)品生產(chǎn)的各個階段，如何正確設計共箱封閉母線中間穿墻結(jié)構(gòu)、如何正確選用相關(guān)材料，各環(huán)節(jié)各種細節(jié)均應該得到重視，以免一些被忽略的細節(jié)問題影響到電力系統(tǒng)的正常運行。鼎盛鋰業(yè)本次10 kV共箱封閉母線進戶中間穿墻位置設置TGJ8-12型高壓穿墻套管的技改，無需改動共箱金屬外殼尺寸，銅母排無需重新制作，施工作業(yè)時間短、技改費用低、實際運行效果好，這對業(yè)內(nèi)類似問題的解決有一定的啟示作用，本技改案例對設計院、生產(chǎn)廠家及建設單位等工程技術(shù)人員也有一定的參考價值。