從電抗器原理分析高壓串聯(lián)電抗器故障原因 從電抗器原理分析高壓串聯(lián)電抗器故障原因
摘 要：通過某電廠一起典型的因500kV電抗器內(nèi)部故障而導(dǎo)致線路跳閘的事故，結(jié)合事故現(xiàn)象，描述了事故發(fā)生的全過程，利用氣相色譜、高壓試驗(yàn)等方法分析了此次故障的原因，并通過多次掉罩檢查，判斷電抗器故障屬內(nèi)部突發(fā)性高能量的油中火花放電，故障原因判定為絕緣油中存在懸浮物，導(dǎo)致引線對(duì)地或固體材料之間油的絕緣強(qiáng)度降低，引起突發(fā)性的電弧擊穿。
由此次事故可以得出，只有在設(shè)備制造及安裝過程中嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，確保制造及安裝的質(zhì)量，并在日常運(yùn)行維護(hù)中嚴(yán)格按照檢修工藝要求定期進(jìn)行維護(hù)及檢修，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行處理，才能保證設(shè)備的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。該典型故障為防止電力系統(tǒng)500kV電抗器類似事故的發(fā)生提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞：500kV電抗器；電抗器原理；串聯(lián)電抗器故障；氣相色譜分析
500kV高壓串聯(lián)電抗器可以吸收系統(tǒng)容性無(wú)功功率、限制系統(tǒng)的過電壓和潛供電容電流、提高重合閘成功率，還可以削弱空載或輕載時(shí)長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)所引起的工頻電壓升高，改善沿線電壓分布和輕載線路中的無(wú)功分布并降低線損、減少潛供電流，加速潛供電弧的熄滅，提高線路自動(dòng)重合閘的成功率，有利于消除發(fā)電機(jī)的自勵(lì)磁，可以說是長(zhǎng)距離高壓輸電線路不可缺少的重要電氣設(shè)備。
本文分析的某電廠故障電抗器的基本參數(shù)為：1992年俄羅斯生產(chǎn)，1993年5月安裝投運(yùn)。該電抗器由3臺(tái)單相、1臺(tái)中性點(diǎn)組成，型號(hào)為PO—40000/550，額定電壓550/√3kV，額定功率為40±2MW，投產(chǎn)近15年，尚未進(jìn)行過任何大修或絕緣油處理。
某年3月27日上午07時(shí)01分電廠中控室事故音響報(bào)警，500kVC3串5031斷路器、5032斷路器事故跳閘，Ⅰ回線失電。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上發(fā)出“Ⅰ回線電抗器輕瓦斯”、“Ⅰ回線串聯(lián)電抗器絕緣下降”，返回屏上發(fā)出“電抗器故障”、“電抗器事故”，500kV保護(hù)電抗器Ⅰ屏上發(fā)出“主電抗B相輕瓦斯”、“主電抗B相重瓦斯”、“主電抗A相絕緣下降”故障，現(xiàn)地檢查Ⅰ回電抗器三相油溫、油位正常。
保護(hù)裝置檢查及動(dòng)作情況：Ⅰ號(hào)電抗器輕瓦斯保護(hù)動(dòng)作發(fā)信，幾乎同時(shí)重瓦斯保護(hù)動(dòng)作跳閘，檢查發(fā)現(xiàn)瓦斯繼電器輕瓦斯開口杯處于動(dòng)作狀態(tài)，繼電器內(nèi)部有大量氣體，保護(hù)動(dòng)作行為正確。保護(hù)裝置動(dòng)作采樣值顯示，電抗器500kV側(cè)套管A、B、C相二次電流分別為0.43A、0.58A、0.42A，中性點(diǎn)側(cè)套管A、B、C相二次電流分別為0.41A、0.56A、0.41A，B相電流明顯較其他兩相高，電抗器差動(dòng)保護(hù)相電流突變量判據(jù)啟動(dòng)（0.08A），因未到保護(hù)動(dòng)作整定值（0.17A），電抗器差動(dòng)保護(hù)未動(dòng)作，保護(hù)動(dòng)作行為正確。
一、利用氣相色譜方法分析故障原因
3月27日上午7時(shí)34分，電廠油化人員抽取瓦斯繼電器中的氣體樣本，通過觀察和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確認(rèn)瓦斯繼電器中的氣體為無(wú)色、可燃性氣體。隨后抽取瓦斯繼電器及電抗器本體油樣，進(jìn)行氣相色譜分析。
表1給出了Ⅰ回線串聯(lián)電抗器B相故障前兩次本體油定檢試驗(yàn)結(jié)果以及故障后瓦斯繼電器內(nèi)氣樣、油樣以及本體油樣色譜分析的試驗(yàn)結(jié)果。由表1可以看出：故障后三次試驗(yàn)結(jié)果的總 烴、乙 炔（C2H2）、氫氣（H2）均已嚴(yán)重超標(biāo)。[1]
下面就Ⅰ回線電抗器B相的相對(duì)產(chǎn)氣速率進(jìn)行計(jì)算：
前年12月29至故障前一日（3月26日）之間的相對(duì)產(chǎn)氣速率：前年12月29日至故障發(fā)生當(dāng)日之間的相對(duì)產(chǎn)氣速率：式中：rr——相對(duì)產(chǎn)氣速率，%/月；Ci2——第二次取樣測(cè)得油中氣體組分含量，μL/L；Ci1——第一次取樣測(cè)得油中氣體組分（i）含量，μL/L；——二次取樣分析時(shí)間間隔的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，（月）；G——設(shè)備總油量，t；d——油的密度，（t/d3）。
由計(jì)算結(jié)果可知，故障發(fā)生前油中氣體相對(duì)產(chǎn)氣速率并未超過注意值10%。[1]故障發(fā)生后油中氣體相對(duì)產(chǎn)氣速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過注意值。
對(duì)故障發(fā)生后氣樣和油樣的三次測(cè)試結(jié)果按三比值的編碼規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，所得C2H2/C2H4、CH4/H2、C2H4/C2H6比值范圍編碼[2]都為2、0、2。再結(jié)合三次試驗(yàn)結(jié)果油中各種氣體的含量及相對(duì)產(chǎn)氣速率，由此，可初步判斷電抗器故障性質(zhì)為內(nèi)部突發(fā)性高能量的油中火花放電故障。
此類型故障產(chǎn)氣速度快、產(chǎn)氣量大、故障來(lái)勢(shì)較猛，導(dǎo)致故障氣體還沒有完全溶解到油中就已上升進(jìn)入瓦斯繼電器中，所以瓦斯繼電器的氣樣組分含量比瓦斯繼電器的油中組分含量高，而電抗器油中組分含量則更低。同時(shí)從表1中可以看出乙烯、甲烷含量均較高，故可初步判斷放電點(diǎn)溫度較高。而且還可以看出CO和CO2含量均無(wú)較大變化，且屬正常范圍內(nèi)，故可初步判斷此次故障發(fā)生的時(shí)間較短，固體絕緣材料應(yīng)尚未受到損壞。
二、利用高壓試驗(yàn)分析故障原因
事故發(fā)生后，電廠高壓試驗(yàn)人員對(duì)故障電抗器進(jìn)行了直流電阻、絕緣電阻、直流泄漏電流、介質(zhì)損耗因素的測(cè)量。直流電阻試驗(yàn)結(jié)果為4.933Ω，與兩月前預(yù)防性試驗(yàn)4.975Ω（數(shù)值均換算到75℃）無(wú)較大變化，介質(zhì)損耗因素試驗(yàn)結(jié)果為tgδ%=0.678、Cx =4590 PF（10kV，油溫為20℃），與兩月前預(yù)防性試驗(yàn)tgδ%=0.541、Cx =4157 PF（10kV，油溫為20℃）基本一致，其余試驗(yàn)結(jié)果也明顯變化。高壓試驗(yàn)結(jié)果均屬正常值。
為確認(rèn)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，電廠隨后邀請(qǐng)電力試驗(yàn)研究單位相關(guān)人員對(duì)上述試驗(yàn)進(jìn)行了復(fù)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果基本一致。由此，可初步判斷故障電抗器繞組并無(wú)明顯故障。
三、故障電抗器掉罩檢查
3月29日、4月2日及5日，電廠電氣人員對(duì)故障電抗器先后三次進(jìn)行了吊罩檢查，主要結(jié)果如下：事故后半小時(shí)、掉罩前分別兩次從電抗器油箱上部、中部、下部取出油樣，進(jìn)行水分、擊穿電壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均正常，外觀也透明無(wú)雜質(zhì)。發(fā)現(xiàn)油箱底部剩油有少量絕緣材料（主要是絕緣紙）碎片和絕緣紙板的墊片以及極少部分的肉眼可辨識(shí)懸浮物。還發(fā)現(xiàn)一顆8厘螺栓，螺栓無(wú)燒傷、過熱現(xiàn)象。
第四層繞組（面向中性點(diǎn)套管略偏左部位）發(fā)現(xiàn)有四粒銅珠，色澤光亮，對(duì)此部位進(jìn)行詳細(xì)檢查未發(fā)現(xiàn)明顯故障點(diǎn)。在本體下端絕緣擋板上還發(fā)現(xiàn)一顆直徑約3mm的銅珠及多顆細(xì)小的銅珠，另有少量細(xì)小的焊渣。
夾件、鐵芯無(wú)松動(dòng)，位移、接地情況良好，對(duì)穿心螺桿、鐵心、夾件用兆歐表測(cè)量絕緣，絕緣電阻均在2500MΩ以上，絕緣良好；500kV高壓套管和220kV側(cè)套管電流互感器二次繞組直流電阻與A、C相比較無(wú)明顯差別。各繞組之間及對(duì)地絕緣良好。對(duì)繞組、圍屏、高低壓套管、鐵芯和夾件以及引線對(duì)地等部位進(jìn)行了詳細(xì)檢查，均未發(fā)現(xiàn)任何明顯過熱、熔斷、放電等故障點(diǎn)。
對(duì)于檢查中發(fā)現(xiàn)的螺栓以及繞組上及本體下端絕緣擋板上發(fā)現(xiàn)的銅珠，由于銅珠表面光澤度高，位置相對(duì)集中，而現(xiàn)場(chǎng)檢查并未發(fā)現(xiàn)明顯故障點(diǎn)，并結(jié)合高壓試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)以及廠家咨詢可判定為制造、安裝時(shí)遺留，與故障無(wú)直接關(guān)聯(lián)。
從現(xiàn)場(chǎng)掉罩檢查情況看，故障電抗器可見部分未發(fā)現(xiàn)明顯故障部位，但不完全排除不可見部分存在異常。由此初步判斷故障原因?yàn)榻^緣油中存在懸浮物，導(dǎo)致引線對(duì)地或固體材料之間油的絕緣強(qiáng)度降低，引起突發(fā)性的電弧擊穿。
四、結(jié)束語(yǔ)
綜合上述氣相色譜分析結(jié)果及高壓試驗(yàn)分析結(jié)果，可判定為Ⅰ回線串聯(lián)電抗器B相故障屬內(nèi)部突發(fā)性高能量的油中火花放電，故障原因可判定為絕緣油中存在懸浮物，導(dǎo)致引線對(duì)地或固體材料之間油的絕緣強(qiáng)度降低，引起突發(fā)性的電弧擊穿。
診斷高壓電抗器故障是復(fù)雜而又有系統(tǒng)的，需要綜合多種手段進(jìn)行分析。而設(shè)備制造、安裝的工藝質(zhì)量對(duì)今后設(shè)備是否能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行有較大的影響，因此必須嚴(yán)格執(zhí)行制造及安裝工藝標(biāo)準(zhǔn)，確保制造及安裝的質(zhì)量，并在日常運(yùn)行維護(hù)中嚴(yán)格按照檢修工藝要求定期進(jìn)行維護(hù)及檢修，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行處理，才能保證設(shè)備的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。 |
