真空斷路器因操作過電壓造成設(shè)備燒毀的事故分析

李建斌+周少金+楊斌

摘 ?要：文章對(duì)6 kV配電站站內(nèi)真空斷路器操作過電壓造成設(shè)備燒毀事故進(jìn)行分析，簡(jiǎn)述了兩次事故經(jīng)過和處理過程，分析了造成事故的原因，提出了完善6 kV配電站防止類事故的措施，為6 kV配電站安全運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：真空斷路器操作過電壓;事故經(jīng)過;分析;措施

中圖分類號(hào)：TM862 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2016）03-0079-02

1 ? 事故經(jīng)過

1.1 ?事故一

?筆者所在單位的制氧配電站由分公司110 kV/6 kV中心變配電站供電，其運(yùn)行方式為：1#進(jìn)線帶6 kVⅠ段母線，2#進(jìn)線帶6kVⅡ段母線，6kV母聯(lián)處于熱備用狀態(tài)，配電站處于單母線分段運(yùn)行狀態(tài)，22#柜/1#空壓機(jī)處于備用狀態(tài)，接線圖， 如圖1所示。

2009年9月12日，7時(shí)05分值班人員接到分公司當(dāng)班調(diào)度下達(dá)22#柜/1#空壓機(jī)送電命令，經(jīng)檢查高壓開關(guān)柜及1#電抗器正常，根據(jù)規(guī)程要求運(yùn)行停機(jī)24 h后，需對(duì)停運(yùn)設(shè)備進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，經(jīng)遙測(cè)絕緣電阻為2 500 MΩ，為合格狀態(tài)，具備送電條件。7時(shí)10分，值班員根據(jù)調(diào)度指令，合上1#空壓機(jī)運(yùn)行柜開關(guān)，電機(jī)柜受電開始啟動(dòng)，7時(shí)10分2秒值班人員發(fā)現(xiàn)電抗器處有異常弧光，并伴有滾滾濃煙和異常聲響，值班人員按供電系統(tǒng)事故處理程序立即采取停電措施，并緊急滅火。

? 事故發(fā)生后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，電抗器A、B、C三相連接銅

板與電纜頭壓線鼻子螺絲連接部位正常，無過熱、拉弧痕跡，且A、C兩相電抗器試驗(yàn)合格。僅B相電抗器出線端與連接銅板拉開較大，拉弧痕跡明顯，接觸處焊接面長(zhǎng)度由原來50 mm變?yōu)?0 mm，且線圈匝間有斷裂，同時(shí)，對(duì)22#、23#、24#三組高壓開關(guān)柜及電機(jī)本體進(jìn)行試驗(yàn)，均合格。初步判斷為電抗器本體故障。

1.2 ?事故二

?在制氧配單母線分段運(yùn)行方式情況下，2009年9月19日，8時(shí)06分，對(duì)重新購置的電抗器安裝好后經(jīng)試驗(yàn)合格，按作業(yè)指導(dǎo)書要求，分公司調(diào)度指令對(duì)空壓機(jī)、22#進(jìn)行送電，在電機(jī)啟動(dòng)的瞬間仍發(fā)現(xiàn)電抗處有異常弧光。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)其事故現(xiàn)象同更換前電抗器一樣，新裝B相電抗器出線匝間放電，有拉弧痕跡。

2 ?處理過程

?“9.12”設(shè)備事故發(fā)生后，分公司調(diào)度立即命令該運(yùn)行人員退出了事故柜運(yùn)行，同時(shí)組織本單位技術(shù)人員及設(shè)備廠家技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備事故進(jìn)行分析、研究，對(duì)電抗器、高壓開關(guān)、電機(jī)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)檢查、試驗(yàn)，其高壓開關(guān)、電機(jī)設(shè)備檢查試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)程要求。故可排除高壓開關(guān)、電機(jī)設(shè)備故障，由于在送電過程中，電抗器出現(xiàn)出現(xiàn)匝間放電，有拉弧痕跡，且電抗器出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破損，且匝間出現(xiàn)短路現(xiàn)象，事故后的電抗器檢查、試驗(yàn)不合格，判斷電抗器在送電前有匝間短路故障，事故是電抗器在送電時(shí)由于大的啟動(dòng)電流突變，引起電抗器內(nèi)部產(chǎn)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，阻止大電流的突變，因電抗器內(nèi)部匝間絕緣下降，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)造成電抗器匝間短路，引起電抗器B相電抗器出線匝間放電，出現(xiàn)拉弧痕跡。根據(jù)這一檢查、試驗(yàn)和結(jié)論，9月19 日，分公司組織外購合格電抗器，動(dòng)力分公司組織技術(shù)人員對(duì)電抗器出廠產(chǎn)品進(jìn)行投運(yùn)前系統(tǒng)檢查、試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)程要求，10：26分送電，再次發(fā)生了“9.12”設(shè)備事故。為此判斷本次事故非電抗器本體造成，分公司調(diào)度下令該高壓開關(guān)柜轉(zhuǎn)入檢修狀態(tài)，需進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3 ?原因分析

?事故發(fā)生后，從系統(tǒng)過電壓入手分析該次事故原因。

3.1 ?電力系統(tǒng)過電壓種類

電力系統(tǒng)中的過電壓分為雷電過電壓和內(nèi)部過電壓兩大類。

?從本次電機(jī)柜受電操作，其設(shè)備在防雷系統(tǒng)完好的室內(nèi)進(jìn)行操作，可排除外部雷電過電壓造成的事故，只考慮內(nèi)部過電壓造成的電抗器拉弧事故。

?內(nèi)部過電壓則是由于系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)的電磁能的振蕩和積聚所引起的，可分為工頻過電壓、諧振過電壓以及操作過電壓。

?內(nèi)部過電壓的能量來源于電力網(wǎng)本身，它的幅值和電力網(wǎng)的工頻電壓基本上成正比。內(nèi)部過電壓的幅值與電力網(wǎng)工頻相電壓的幅值Uxg之比，稱為內(nèi)過電壓倍數(shù)K。內(nèi)過電壓倍數(shù)與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式、系統(tǒng)容量和參數(shù)、斷路器的性能、母線上的出線數(shù)目以及電網(wǎng)運(yùn)行接線、操作方式等因素有關(guān)。

?①工頻過電壓：工頻過電壓直接影響避雷器的選擇以及線路、變電站絕緣的選擇。而且，由于操作過電壓是在工頻過電壓的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，工頻過電壓增高時(shí)，操作過電壓也會(huì)相應(yīng)增高。此外，在運(yùn)行中，變壓器、電抗器、互感器等高壓電氣設(shè)備，也要具有在一定時(shí)間內(nèi)承受一定倍數(shù)工頻過電壓的能力。因此，對(duì)于超高壓電網(wǎng)的工頻過電壓是一個(gè)重要參數(shù)。工頻過電壓是由線路電容效應(yīng)、不對(duì)稱接地零序阻抗影響，以及甩負(fù)荷后電勢(shì)升高引起的，在本次電機(jī)柜受電操作過程中，從系統(tǒng)錄波裝置檢查情況看，工頻電壓在正常范圍變化，因此可排除工頻過電壓的影響。

?②諧振過電壓：電網(wǎng)中諧振過電壓事故是最頻繁的，在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)和中性點(diǎn)不直接接地系統(tǒng)中都會(huì)發(fā)生，諧振過電壓的持續(xù)時(shí)間比操作過電壓要長(zhǎng)得多，它甚至可能穩(wěn)定存在，一直到發(fā)生新的操作，破壞諧振條件時(shí)為止，由于諧振過電壓的持續(xù)性質(zhì)，它的危害性也較大。包括線性諧振，非線性諧振（鐵磁諧振）。本次在本次電機(jī)柜受電操作過程中，從系統(tǒng)錄波裝置檢查情況看，電壓在正常范圍變化，因此也可排除諧振過電壓的影響。

?③操作過電壓：電網(wǎng)中斷路器合、切空線路、電容器組等感性和容性負(fù)荷時(shí)，產(chǎn)生操作過電壓，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備有大的損壞作用，本次電抗器B相電抗器發(fā)生燒毀事故，在電抗器本體狀態(tài)正常情況下，真空斷路器合閘時(shí)，產(chǎn)生的事故，因此，從真空斷路器如何產(chǎn)生操作過電壓入手，來分析事故原因，應(yīng)該是較為合理途徑。

3.2 ?切除空載變壓器以及電動(dòng)機(jī)、電抗器引起過電壓理 ? ? 論依據(jù)

?高壓短路器在切除空載變壓器以及電動(dòng)機(jī)、電抗器時(shí)，有可能在被切除的電器和開關(guān)上出現(xiàn)過電壓，產(chǎn)生這種過電壓的原因是開關(guān)中電感電流的突然被“切斷”所致，一般這種切流現(xiàn)象發(fā)生在電流下降到零的過程中，經(jīng)驗(yàn)表明切流現(xiàn)象也有在電流有零上升的某一時(shí)刻發(fā)生，通常在切斷大于100A的較大交流是，開關(guān)觸頭間的電弧是在工頻電流自然過零時(shí)斷弧，在這種情況下，電氣設(shè)備的電感中儲(chǔ)藏的磁場(chǎng)能量為零，不會(huì)產(chǎn)生過電壓。但在切空載變壓器以及電動(dòng)機(jī)、電抗器中，由于激磁電流很小，一般只有額定電流的1%～4%，而開關(guān)的去游離作用很強(qiáng)，故當(dāng)電流不為零時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的切流現(xiàn)象，這樣電感中儲(chǔ)藏的能量就將全部轉(zhuǎn)化為電能，這就是切除空載變壓器以及電動(dòng)機(jī)、電抗器引起過電壓的實(shí)質(zhì)。根據(jù)這個(gè)理論，可以分析“9.12”電抗器燒毀事故的原因。

3.3 ?真空斷路器發(fā)生操作過電壓的實(shí)質(zhì)

?筆者所在的制氧配電站，使用的是真空斷路器，真空斷路器雖然有熄弧能力極強(qiáng)的特點(diǎn)，但由于我單位供電網(wǎng)絡(luò)大、復(fù)雜，系統(tǒng)的負(fù)載種類較多，有電機(jī)類、變壓器類、整流變類、電弧爐等。而且負(fù)載的多變極易引起系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，使用真空斷路器在進(jìn)行分、合時(shí)，極有可能引起系統(tǒng)操作過電壓，這是因?yàn)檎婵諗嗦菲髟陉P(guān)合過程中，即預(yù)擊穿或觸頭發(fā)生彈跳時(shí)，真空斷路器觸頭有瞬間存在電流過零點(diǎn)之前即被強(qiáng)行切斷現(xiàn)象，截流后電感中的磁能再向雜散電容放電，將電感中儲(chǔ)藏的能量就將全部轉(zhuǎn)化為電能，易發(fā)生操作過電壓，這種過電壓主要產(chǎn)生在相間，一般為相電壓的2.5～4 Uxg。過電壓源向系統(tǒng)周圍擴(kuò)散，對(duì)供電系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生危害，從而造成重大設(shè)備事故和經(jīng)濟(jì)損失。

? 根據(jù)這一思路，經(jīng)技術(shù)人員檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有電抗高壓柜沒有裝防止過電壓裝置，僅I段母線裝有一組ZnO避雷器，標(biāo)準(zhǔn)要求，見表1，從此來看，傳統(tǒng)避雷器的工頻放電電壓約是相對(duì)地電壓的4.5倍，對(duì)限制雷電過電壓是有效的，但對(duì)限制2.5～4倍的真空斷路器操作過電壓就毫無效果。因此，發(fā)生此次事故的主要原因是真空斷路器沒有加裝相應(yīng)的過電壓保護(hù)裝置。

4 ?解決措施

?經(jīng)過分析，找出了造成真空斷路器因操作過電壓引起的電抗器燒毀的原因，根據(jù)上述的分析，選用合格的TBP三相組合式過電壓保護(hù)器，安裝在電抗器進(jìn)線側(cè)，按作業(yè)指導(dǎo)書對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行送電，送電后，空壓機(jī)經(jīng)過電抗器限流啟動(dòng)完成后，電抗器短接轉(zhuǎn)入空壓機(jī)正常運(yùn)行。

?TBP三相組合式過電壓保護(hù)器，由于采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其中任意三相可分別接入被保護(hù)設(shè)備進(jìn)線側(cè)A、B、C三相，其接地端接入接地級(jí)。該裝置具有阻容吸收器和避雷器的雙重功能，有效解決了操作過電壓的高陡度和高幅值，從而限制真空斷路器操作過電壓，消除站內(nèi)母線避雷器保護(hù)的盲區(qū)。現(xiàn)僅列舉電機(jī)類TBP工頻放電電壓（表略）。

?通過比較可看出三相過壓保護(hù)器特點(diǎn)：

①獨(dú)特的單間隙設(shè)計(jì)，使動(dòng)作更加穩(wěn)定可靠，提高了瞬時(shí)狀態(tài)下過電壓的能力;

②其達(dá)到動(dòng)作后消除截波和續(xù)流的產(chǎn)生，間隙不再承擔(dān)滅弧任務(wù)，僅起截?cái)喙ゎl電壓的作用，使其沖擊系數(shù)降到1成為現(xiàn)實(shí);

③其針對(duì)不同類型負(fù)載如電動(dòng)機(jī)類;發(fā)電機(jī)、變壓器、母線類;電容器類共分三類進(jìn)行個(gè)性保護(hù)，同時(shí)合理科學(xué)地選取ZnO各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)解決了續(xù)留、載波沖擊系數(shù)等問題，綜合辯證采用“三相一地”的過電壓保護(hù)理論，使相間過電壓大大降低（與普通避雷器相比下降了60%～70%），更加可靠地保護(hù)了被保護(hù)設(shè)備的絕緣安全;

④在系統(tǒng)發(fā)生較高諧振過電壓時(shí)，由于間隙擊穿，在電網(wǎng)中突然接入電容，在破壞了諧振條件，阻止了振蕩，有利于消除諧振過電壓。

5 ?結(jié) ?語

隨著國家對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行要求的提高，配電站作為電力系統(tǒng)的基本運(yùn)行單元，其安全性對(duì)電力系統(tǒng)的安全有重要的意義，如何防止配電站內(nèi)部事故的發(fā)生，避免事故的擴(kuò)大，需要不斷的總結(jié)分析事故發(fā)生的原因，本文就是基于這種理念，建議使用真空斷路器操作的開關(guān)設(shè)備，為確保配電站安全運(yùn)行，必須安裝過電壓保護(hù)器，以提高供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全可靠性，保證安全供電，確保供電系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行正常。

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