10kV单相接地诱发铁磁谐振事故分析陈光远

引言

司家营研山铁矿2#矿石破碎站使用蒂森克虏伯KB54-75旋回破碎机,高压柜为ABB公司成套设备,供电取自35kV变电站内2#粗破(531)高压真空断路器,通过约300m长的高压电缆连接。破碎站进线柜下方3个JDZxR-10C型电磁式电压互感器组成一组,组成Y/Y/开口三角形结构,中性点接地,二次侧开口三角形装有25Q消谐电阻,一次侧无消谐装置。自三系列投产以来,2#矿石破碎站进线柜先后两次发生了电压互感器烧毁事故,导致大范围停电,严重威胁着正常生产运行。

1故障概况

据高压部门提供数据,2018-11-16T20:28一20:36,35kV变电站10kV二段母线出线柜补偿2#(538)、中碎2#(526)、办公2#(534)分别多次接地报警,PT微机综合保护装置报C相接地。20:38,2#主变高后备(3302)、2#主变低后备(502)、35kV2#受电(3221)、2#粗破(531)、2#主变差动、2#浮选(528)、磨选1#(533)、主厂2#(527)开始故障录波,同时2#粗破(531)速断跳闸,其他报警的线路不再报警。现场方面,20:33左右破碎站突然停车断电,20:38电气室发出巨响并有烟雾冒出,泄压盖崩开。

经检查发现进线柜下部电压互感器A相、B相熔断器熔断,A相开裂内部绝缘脂成黑色流,3台电压互感器均严重的发热情况,A相电压互感器尾端外壳崩开,保险熔断,一次侧与铜排接触部分有融化痕迹(图1),一次、二次绕组有烧损迹象(图2),二次测量绕组与剩余电压绕组间绝缘电阻为零,一次、二次绕组和地间绝缘电阻为零,外部输出接线端子线路焦化:B相电压互感器外壳无明显损坏,保险熔断,一次侧与铜排接触部分有融化痕迹,二次测量绕组与剩余电压绕组间绝缘电阻为零,一次绕组接地,一次、二次绕组间绝缘电阻正常:C相电压互感器外观无异常,内部熔断器未熔断,绝缘电阻正常。三相相电压互感器均有发热,A相、B相比C相发热更为严重。

2原因分析

实际情况应为电压互感器发热导致绝缘降低,A相电压互感器一次侧电压击穿绝缘介质与二次绕组及地短路,同时B相电压互感器一次绕组接地与之形成回路,A相电压互感器闪弧后电离的粉尘导致铜排间三相短路爆炸。造成电压互感器烧毁的原因总体上有以下几项:

(1)产品质量问题,由于设计或制作工艺问题造成电压互感器持续发热或绝缘不符合要求造成烧毁。

(2)二次绕组过负荷,电压互感器二次侧负荷过大,超过设计的热极限功率,内部热量不能及时散出,温度持续升高,造成整体绝缘水平降低,导致一次侧对二次侧或对地放电烧毁。

(3)电网过电压,可分为与电压互感器相关的铁磁谐振和与其无关的线路持续故障引起的电网谐振过电压以及操作过电压,铁磁谐振造成的一次侧电流增大且持续时间长也可引起电压互感器过热烧毁。如果电压过高会直接导致绝缘介质击穿,使其汽化且体积急速膨胀,而干式电压互感器采用环氧树脂浇铸,内部填充绝缘脂,空间有限,当压强增加到一定程度时便发生爆裂。

资料表明,国内因铁磁谐振造成的电压互感器烧毁事件最多,即使装有二次消谐装置也因保护的局限性不能完全避免事故。根据事故发生后各方面的信息整理具体分析如下:

根据高压部门提供的报警记录,20:28一20:36,中碎2#(526)、办公2#(534)供电区域某处发生持续的单相间歇性接地故障,非故障相的相电压升高至线电压,对地电容会充以线电压相对应的电荷,故障期间故障点会流过对地电容等量的电容电流与对地电容形成简单回路。由于进线柜采用下进线方式,电压互感器在断路器电源上级并不能分断,同时这一放电过程导致互感器铁芯磁饱和,感抗急剧下降,与供电线路对地容抗相匹配时形成LC振荡电路,产生铁磁谐振,电压互感器中的熔断器额定电流为2A,通过与大连第一互感器有限公司技术人员沟通确认,根据分频、基频和高频谐振的不同特点,认为此时的谐振电流不能保证熔断器熔断,但是已经超过一次侧额定电流几十甚至上百倍,一次绕组迅速发热造成热击穿迅速烧毁电压互感器是此次事故的第一原因。

经查阅产品参数说明和设计图纸,同时与大连第一互感器有限公司进行沟通,确认电压互感器二次侧热极限功率为350w,而现场消谐电阻为25Q/600w,长期接入,在线路接地开口三角形产生100V电压时,电阻功率已经达到400w,超过设计的热极限功率。而根据《互感器第3部分:电磁式电压互感器的补充技术要求》(GB20840.3一2013)规定,计算热极限功率应施加1.9倍电压持续8h温升不超过《互感器第1部分:通用技术要求》(GB20840.1一2010)表6的规定值加10K。分析认为,电网产生谐振时开口三角形电压超过100V造成绕组发热,且故障点间歇闪弧造成二次消谐不能消除电网中谐波分量甚至自身过载,引起剩余电压绕组温度迅速上升是此次事故的第二原因。

经过全方位检查后,找到事故诱因为中破区域一台高压电机端子断裂对机壳闪弧。

3防治措施

根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620一1997)规定,二次消谐电阻R△≤0.4(Xm/K132),重新计算二次消谐电阻阻值,暂时将其改为40Q。

根据柜内空间条件,结合ABB及大连第一互感器有限公司意见,可进行以下改造:

(1)将二次消谐改为一次消谐,或采用二者相结合的方式,将二次侧消谐电阻改为微机消谐装置,防止其长期接入造成互感器发热。

(2)改半绝缘为全绝缘电压互感器,中性点不进行接地。

(3)如条件允许,改电磁式PT为电容式PT,彻底避免谐振。

4结语

电磁式电压互感器发热烧毁事故,起因大多是电网某处故障引发的谐振,目前消谐最直接有效的措施仍为一次侧接入非线性消谐电阻,同时二次消谐的局限性可能是导致电压互感器烧毁的另一个主要原因。