低压变压器短路引起的高压侧母线故障事故分析及防范

宋 晓

(中国化工沧州大化股份有限公司 电气车间,河北 沧州 061000)

1 事故经过

总变电站是一个双电源单母线分段,内外双桥式接线方式。双电源电压均为 35 kV,分别供给 I,II段母线,有两台16000 kVA主变压器变为 6 kV电压经母线供生产用电。35 kV和6 kV母线都有联络开关345和645。正常时35 kV两段都投入运行,两段互做备用。变电站采用单母线分段接线形式,用断路器把母线分段后,对重要设备可以从不同段引出两个回路,有两个电源供电。当一段母线发生故障,分段断路器自动将故障段切除,保证正常母线不间断供电和不致使重要设备停电。内外双桥式接线,可以提高改变输电线路运行方式的灵活性;对变压器和电源进线回路操作都很方便[1]。总变电站系统图如图1所示。

2010年 8月 2日 14点 35分左右,当时气候炎热,室外温度38℃,湿度60%。总变电站控制室突然中央信号盘的事故及预告信号发出了“10变2#变压器接地报警”光子牌(10变2#变压器是公司的井河水泵房的2#变压器)信号频繁瞬时亮起数次,此时应为10变2#变压器瞬间接地数次。10 s后“10变2#变压器接地报警”光子牌常亮,伴有预告信号铃声,此时应为10变2#变压器接地。2 s后事故及预告信号又发出了“6 kVII段系统接地”信号,其光子牌常亮,又过了 2 s后事故及预告信号又发出了“6 kVII段电压互感器熔断器熔断”信号,其光子牌常亮,并伴有预告铃声。此时 6 kV配电室内的情况是6102(10变2#变压器开关柜)的位置信号指示灯全灭(红,绿灯),6102断路器的机械机构位置信号牌还是显示在合闸位置,能闻到刺鼻的气味,断路器的机构中冒出了白色的烟。这时用手动切除控制开关已经不管用。6 kV电压互感器的熔断器三相全部熔断。这是控制室中控制盘上显示“6 kV的分段断路器自投动作”信号动作,光子牌常亮。说明6 kV母联分段开关645自投成功,并伴有事故笛响起。立刻事故及预告信号盘上发出了“6 kV I段系统接地”信号,光子牌常亮。当时值班员立即手动切除了6 kV母联分段开关645和6 kV II段母线断路器开关 602,此时6 kV II段母线电压消失,2#主变空载运行,事故及预告信号盘上的“6 kV I段系统接地”信号消失,光子牌灭。

图1 总变电站 35 kV,6 kV系统图

公司的“井河水泵房”有两台变压器(10变1#,2#),泵房从地下抽取的地下水供给全公司的工艺设备生产用水,蓄水池储水,消防用水以及厂内生活用水。此次停电事故造成总变电站6 kV II段母线停电2 d,生产供水减少1/2,许多现场工艺设备不能正常运行,工艺生产车间停车 2 d,10变 2#变压器喷油爆炸,总变6 kV配电室 6102断路器烧毁。直接经济损失 300多万元。

2 事故分析

10变 2#变压器因为发生相间短路故障,造成过流继电器动作,过流信号为非选择性的。变压器的高低两侧跳闸,低压侧母线断路器4102过流保护经1.2 s延时动作跳闸成功,总变电站的事故及预告信号已经动作发出信号,6 kV配电室的6102开关柜的过流保护应该在3 s后动作跳闸,但是因为断路器本身的机械机构卡死,未能及时跳开断路器,造成事故扩大越级。将6102变压器的短路故障电路延伸至6 kV II母线,而6 kVII段母线断路器602认为6102过流信号已动作,所以602的过流信号不会动作,造成母线系统接地故障信号发出,6 kV II段的短路电流将该段的电压互感器的熔断器熔断,电压互感器失电,系统误判断为 6 kV II低电压保护信号动作,母联分段断路器645开关误自投。又将故障短路电流延伸至 6 kV I段母线上,事故扩大。如果不能立即切除故障将会造成总变电站6 kV母线I、II失电,全公司停电,工艺车间原料报废,设备严重损坏的危险。故障被切除后由于短路电流的长期存在造成6102断路器烧毁,10变 2#变压器喷油爆炸。

事故及预告信号动作顺序：10变 2#变压器接地报警→6 kV II段系统接地→6 kV II段电压互感器熔断器熔断→6 kV分段断路器自投成功→6 kV I段系统接地。接地故障如图2所示,过流继电器动作时限如图3所示。

图2 10变2#变压器接地故障图

图3 过流保护时限配合示意图

3 改造措施

3.1 调整实验周期

电气设备的电气试验固然重要,能发现设备本身存在的问题,还应根据设备运行的实际情况调整试验周期,此次事故因6102断路器已运行将近18个月未停运作电气传动试验,断路器机械机构故障未能发现,发生了原可以避免的故障,造成事故的扩大。电气设备的试验周期最长时间应为一年一次。新投入的断路器投入前或大修后断路器投入前均应进行断路器的耐压试验,试验断路器断流能力,应用开断电流代替断流容量。取断路器实际开断时间(为继电保护动作时间与断路器固有分闸时间之和)的短路电流作为试验条件。

3.2 定期巡视检查

目前的容量较小的变压器现场安置在户外露天式,变压器旁边无围墙和顶棚遮拦。造成变压器短路故障是多方面的,有变压器内部故障和外部原因造成的,应该积极防御。为了防止有人攀爬变压器和变压器遭到空中落物,应在变压器周围加盖围墙和架设顶棚防治空中落物和阳光暴晒雨雪侵蚀。电力设施所处的环境是相当复杂和千变万化的,最容易受到环境变化的影响,所以规定要对电器设备和设备场区进行定期巡视检查。其目的是监视,检查设备运行或使用的情况,是否发生缺陷、异常,场区是否有危险情况后危险物等[2]。

3.3 更新电气设备

适当更新电气设备,新电气设备有以往电气设备不可比拟的优势,弥补了旧电气设备上的缺陷。比如先进的数字电器保护设备比以往机械式继电器动作的灵敏性和准确性准确很多,能保障设备迅速可靠动作。在6102开关柜上弃用了老式的模拟信号保护设备,采用了深圳中电电力技术有限公司的 PMC-6510微机型保护测控装置。它的电源采用100 V-5 A,交直流两用。与站二次电源相匹配,保护动作反应时限短,几乎可以达到0秒准确动作。

3.4 过流保护重新整定计算

动作电流按躲过并列运行中切除一台变压器时所产生的过负荷电流。公司10变 1#,2#两台变压器容量相等按下式[2],

式中,Idz为动作电流;Kk为可靠系数;Kh为返回系数;m为并列运行的变压器的台数;Ie为每台变压器的额定电流。

10变 1#,2#变压器电源侧的过电流保护,与低压侧过电流保护相配合的计算公式为

式中,I′dz为分段(母联)断路器上过流保护的动作电流;Ifh◦i为与所考虑的变压器相连的母线段的正常动作电流。

继电器动作电流按下式计算：

式中,Kjx为电流互感器接线系数;n1为电流互感器变比。灵敏系数按下式计算

式中,Id◦ j◦ min为计算运行方式下,灵敏度系数效验点发生短路时,流过继电器的最小短路电流(可采用稳态短路电流 )。

在断路器上加装失灵保护,断路器失灵保护作为一种近后备保护方式得到了普遍采用,其目的是当发生故障断路器拒动时,快速而有选择性地切除故障。当系统发生故障,失灵保护就是通过故障元件的保护,作用于本变电站相邻断路器跳闸。断路器失灵保护相电流判别元件的灵敏度系数大于 1.3,应能躲过正常运行的负荷电流。失灵保护延时元件的整定时限应大于断路器的跳闸时间与保护装置的返回时间之和,并有一定的裕度[4]。

4 结束语

经过上述方案的改造,10变2#变压器投入前对6102断路器及其继电保护装置进行电气试验后,断路器均能断开正常负荷电流和故障短路电流。继电保护装置输入上述公式的计算数值能满足要求准确动作。经过一段时间的正常运行后设备一切正常。此后相继对6 kV配电室其他开关柜进行了相同的改造后运行稳定效果明显。

[1]朱良镭,王萍,丁雁.电力工程电气设计手册：一次部分 [M].北京：中国电力出版社,1991：65-70.

[2]王锡生.大型变电站实施分级巡视的探讨 [M].北京：中国电力出版社,2003：193-199.

[3]李润琴,纪素青,丁雁.电力工程电气设计手册：二次部分 [M].北京：中国电力出版社,1991：707-714.

[4]李素芯.电气运行人员技术问答 [M].北京：中国电力出版社,1997：274-281.