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1 事故情况
四川凉山某水电站共有3组发电机,其系统原理见图1。发电机的额定电压为l 5kV,通过三个升压变压器将电压升至220kV汇流后输出。该系统设备于2007年投运。
(1)在事发之前设备的运行方式,经业主记录现场情况如下:
①2号机组处于停机备用状态;2号发电机出口断路器处于断开状态(AH204柜),隔离开关处于合上状态;
②2号主变(2TM)处于空载运行;
③1号机组正常运行,带60Mw有功、17Mvar无功,3号发电机组已解除备用,其AH301柜中的出口隔离开关处于拉开位置,3号主变带15kW,1号厂用变正常运行;
④2号机组的实际停机时间为2009年11月17日21:09:11时(2号机组出口断路器分闸时间),且分闸正常。
(2)事故经过:
①2009年11月20日17:23:16时,2号主变差动保护动作;
②2009年11月20日17:24:54时,2号主变高压侧220kV断路器跳闸;
③2009年11月20日17:24:55时,2号发电机转子回路灭磁过电压动作;
④2009年11月20日17:24:56时,2号发电机调速器故障(网频信号丢失所致)。
在出现事故2号主变高压侧220kV断路器跳闸后,业主立即对2号机组出口断路器至2号主变高压侧断路器所有一次设备进行了例行检查以及试验检查,检查结果如下:
①除2号机组出口断路器三相有明显故障点外,其余未发现故障现象。15kV母线PT上的母线消谐装置未动作;
②发电机保护及故障录波装置均未动作;
③2号变压器常规检查试验“合格”;
④2号机组15kV母线上的阻容装置试验结果正常;
⑤综合保护装置差动动作电流记录为:A相1.6A、B相23.9A、C相11.6A{
⑥出口断路器的故障为烧毁现象,真空泡绝缘表面上有大量金属粉末,呈现为极间断口外绝缘破坏,上、下端放电。B相除上、下端放电外并对地放电,详见图2、图3。
2 事故原因分析
事故发生后,成套生产厂方、出口断路器供货商(系国外进口)及业主一起进行了分析,各自说法不一。其中有一种说法认为220kV侧断路器开断是因为操作过电压造成发电机断路器绝缘击穿。
现作如下分析:
由于某种原因造成2号主变高压侧220kV开关差动跳闸,差动跳闸后出现操作过电压,过电压没有被15kV母线上过压保护吸收装置吸收,造成过电压击穿发电机出口断路器,导致该出口断路器上、下端闪络,B相有部分对地闪络,这个瞬态过电压影响到发电机的励磁系统中,所以出现了灭磁过电压动作。
我们假定这个论点成立,即220kV开关断开引起了瞬态操作过电压,但是瞬态操作过电压是以毫秒计算,断路器开断过电压后15kV段便没有了电压,何来持续闪络?最多应闪络一次。然而真空泡绝缘表面上的大量金属粉末又证明了闪络持续了一定的时间,至少是数分钟以上的持续闪络。其二,220kV侧开关分断,造成的操作过电压主要是变压器高压侧线圈对220kV开关的下端影响,对主变15kV侧影响很小,主要是感应过电压,且衰减很快,因为220kV侧的操作过电压要通过变压器铁心磁场转换后才能感应到低压侧,所以由操作过电压造成事故的说法是不成立的。
2号机组出口断路器为什么会发生闪络?如果说220kV侧断路器分断造成的过电压不能形成l 5kV侧出口断路器持续闪络的话,那又是什么原因造成的呢?分析如下:
(1)2号发电机组处于热备用状态
前面已经说过,在事故发生前,2号机组出口断路器是断开状态(AH204柜),隔离开关是合上状态,2号主变处于空载运行。由1号机组正常发电,220kV母线侧通过2号主变向15kV母线供电,即15kV母线侧有空载电压,也就是说2号出口断路器上端有电压存在,出口断路器的下端接的发电机组相当于一个很大的负载。电压存在的时间是从上次停机热备用(即2009年11月17日21:09)时开始,到11月20日17:23时高压侧220kV断路器断开时止,约三天时间。在这三天时间里真空泡表面发生了爬电现象,从而造成了击穿闪络。
为什么真空泡会发生爬电现象?
(2)真空灭弧室表面外绝缘爬电距离不够
根据中华人民共和国电力行业标准DL/T593-2006第5.14.2条,户内开关设备外绝缘的爬电距离中规定:“户内开关设备的相对地间、相和相间、断路器或负荷开关一个极的两个端子间的瓷质的或有机的绝缘子,…其最小标称爬电比距LT应该不小于18mm/kV(瓷质)和20mm/kV(有机),…”。
显然,该断路器极间外绝缘爬电距离应该不小于:
18mm/kV×15kV=270mm
另外,标准还规定:可能处在反相条件下和热备用状态下的开关装置,其断口需要更长的爬电距离。此时,推荐的应用系数为α=1.15。
由于该电站是3组发电机并列运行,当一组投运后,另两个待发电机组就处于热备用状态,其开关断口的爬电距离还应当是:
270×1.15=310mm
显然,该发电机出口断路器真空灭弧室外绝缘爬距明显不够,只有240mm左右,不符合相关标准要求。至于为什么热备用状态下的开关装置,其断口距离需要更长的爬电距离,在这里就不作阐述。
(3)真空断路器灭弧室中部有金属缝导致外绝缘恶化
由于断路器断口外爬电距离不够,加上又处于热备用状态(即长期处于隔离开关合上,断路器上端带电、下端带负荷),使该断路器上端在一定电压作用下,沿灭弧室表面爬电,并在外绝缘的金属缝表面聚集,聚集到一定场强后便向下端放电。这可以从照片A相和C相看到,灭弧室金属缝均有放电现象,经不断地累积、聚集性放电后,终于上、下极之间外绝缘击穿,断口的绝缘形成放电通路,这就是后来人们看到的真空灭弧室表面有很多的金属粉末。
灭弧室外绝缘击穿放电后,其中B相还对地放电,使三相电流不平衡,导致差动综合保护器动作。根据业主的综合保护器动作记录看:一是差动保护动作,二是B相零序电流的电流保护动作。这正符合断路器断口击穿放电的实际情况。
另外,在几乎同一时间,发电机组灭磁开关过电压动作,正是因出口断路器真空泡的放电击穿形成的闪络过电压导致的。
由于是向断路器的下端放电,所以在断路器隔离开关以上的15kV母线上的阻容吸收装置未发生破坏而是完好正常的,同时击穿放电在发电机定子绕组感应出过电压也是正常的。这正好证明:是由于断路器断口外绝缘破坏造成击穿,引起机组定子线圈过电压而导致灭磁开关动作。
人们也许会问,有金属缝的灭弧室过去很久都是这个样子,为什么没有出事?
这是因为断路器在正常合闸工作中,同极上、下端是同电位,不会爬电。而断路器分闸后,隔离开关又是 打开状态,断路器上端并无电位,所以也不会爬电。而只有在断路器上端有电压,且下端带有负载,同时断路器外绝缘爬电距离又不够,此时真空泡表面的金属缝又起到了过河桥墩作用,在这样的情况下才会发生爬电并导致击穿。
(4)事故后,断路器上、下端为什么能够承受工频耐压1min?
由于是爬电累积放电造成的击穿,所以当空气绝缘恢复后,仍需有个重新爬电的过程,lmin不足以聚集足够电荷。另外,额定电压1.5kV工频耐压不应当是42kV/min,而应当是46kV/min,同时DL/T593-2006标准额定绝缘水平在表l注4中规定:隔离断口是指隔离开关、负荷一隔离开关的断口以及起联络作用或作为热备用的负荷开关和断路器的断口。很显然,对于额定电压是12kV的断路器,如果用于联络或热备用的环境,工频耐压应该为48kV/min。对于额定电压15kV的断路器,一般通用的工频耐压为46kV/min的话,那么用在现有热备用的发电机组,其每分钟的工频耐压应当是53kV。
从以上可看出,显然该发电机出口断路器的耐压值过低,不符合相关标准要求,能承受42kV/min,并不能说明该断路器的绝缘就是合格的。
3 结论
该事故的主要原因是该机组断路器上、下端之间的爬距不够,不符合国家相关规定。且工频耐压42kV/min也不符合国家相关规定。在2号机组热备用状态下,2号机组出口断路器形成聚集型累积放电,终至断路器三相外绝缘击穿,并且B相还对地击穿,造成220kV侧断路器差动及零序保护动作跳闸,以及发电机组灭磁开关过电压动作,事故得以终止。
4 改进措施的建议
以上发电系统中,由于15kV发电机出口断路器真空灭弧室表面爬电距离不够,造成了事故。因此该系统的断路器真空灭弧室都应当对外绝缘采取补救措施,以防后患。建议具体可采纳以下方法:
(1)所有的真空灭弧室表面用硅胶套外包,硅胶外面形成伞群,并满足相关爬电距离要求;
(2)将灭弧室中缝处外包,并形成伞群,同时满足相关爬距要求;
(3)经上述改造后,15kV发电机出口断路器的断口实施工频耐压53kV/rain,应无异常;
(4)建议不采用有裸露金属中缝的真空灭弧室。
四川凉山某水电站共有3组发电机,其系统原理见图1。发电机的额定电压为l 5kV,通过三个升压变压器将电压升至220kV汇流后输出。该系统设备于2007年投运。
(1)在事发之前设备的运行方式,经业主记录现场情况如下:
①2号机组处于停机备用状态;2号发电机出口断路器处于断开状态(AH204柜),隔离开关处于合上状态;
②2号主变(2TM)处于空载运行;
③1号机组正常运行,带60Mw有功、17Mvar无功,3号发电机组已解除备用,其AH301柜中的出口隔离开关处于拉开位置,3号主变带15kW,1号厂用变正常运行;
④2号机组的实际停机时间为2009年11月17日21:09:11时(2号机组出口断路器分闸时间),且分闸正常。
(2)事故经过:
①2009年11月20日17:23:16时,2号主变差动保护动作;
②2009年11月20日17:24:54时,2号主变高压侧220kV断路器跳闸;
③2009年11月20日17:24:55时,2号发电机转子回路灭磁过电压动作;
④2009年11月20日17:24:56时,2号发电机调速器故障(网频信号丢失所致)。
在出现事故2号主变高压侧220kV断路器跳闸后,业主立即对2号机组出口断路器至2号主变高压侧断路器所有一次设备进行了例行检查以及试验检查,检查结果如下:
①除2号机组出口断路器三相有明显故障点外,其余未发现故障现象。15kV母线PT上的母线消谐装置未动作;
②发电机保护及故障录波装置均未动作;
③2号变压器常规检查试验“合格”;
④2号机组15kV母线上的阻容装置试验结果正常;
⑤综合保护装置差动动作电流记录为:A相1.6A、B相23.9A、C相11.6A{
⑥出口断路器的故障为烧毁现象,真空泡绝缘表面上有大量金属粉末,呈现为极间断口外绝缘破坏,上、下端放电。B相除上、下端放电外并对地放电,详见图2、图3。
2 事故原因分析
事故发生后,成套生产厂方、出口断路器供货商(系国外进口)及业主一起进行了分析,各自说法不一。其中有一种说法认为220kV侧断路器开断是因为操作过电压造成发电机断路器绝缘击穿。
现作如下分析:
由于某种原因造成2号主变高压侧220kV开关差动跳闸,差动跳闸后出现操作过电压,过电压没有被15kV母线上过压保护吸收装置吸收,造成过电压击穿发电机出口断路器,导致该出口断路器上、下端闪络,B相有部分对地闪络,这个瞬态过电压影响到发电机的励磁系统中,所以出现了灭磁过电压动作。
我们假定这个论点成立,即220kV开关断开引起了瞬态操作过电压,但是瞬态操作过电压是以毫秒计算,断路器开断过电压后15kV段便没有了电压,何来持续闪络?最多应闪络一次。然而真空泡绝缘表面上的大量金属粉末又证明了闪络持续了一定的时间,至少是数分钟以上的持续闪络。其二,220kV侧开关分断,造成的操作过电压主要是变压器高压侧线圈对220kV开关的下端影响,对主变15kV侧影响很小,主要是感应过电压,且衰减很快,因为220kV侧的操作过电压要通过变压器铁心磁场转换后才能感应到低压侧,所以由操作过电压造成事故的说法是不成立的。
2号机组出口断路器为什么会发生闪络?如果说220kV侧断路器分断造成的过电压不能形成l 5kV侧出口断路器持续闪络的话,那又是什么原因造成的呢?分析如下:
(1)2号发电机组处于热备用状态
前面已经说过,在事故发生前,2号机组出口断路器是断开状态(AH204柜),隔离开关是合上状态,2号主变处于空载运行。由1号机组正常发电,220kV母线侧通过2号主变向15kV母线供电,即15kV母线侧有空载电压,也就是说2号出口断路器上端有电压存在,出口断路器的下端接的发电机组相当于一个很大的负载。电压存在的时间是从上次停机热备用(即2009年11月17日21:09)时开始,到11月20日17:23时高压侧220kV断路器断开时止,约三天时间。在这三天时间里真空泡表面发生了爬电现象,从而造成了击穿闪络。
为什么真空泡会发生爬电现象?
(2)真空灭弧室表面外绝缘爬电距离不够
根据中华人民共和国电力行业标准DL/T593-2006第5.14.2条,户内开关设备外绝缘的爬电距离中规定:“户内开关设备的相对地间、相和相间、断路器或负荷开关一个极的两个端子间的瓷质的或有机的绝缘子,…其最小标称爬电比距LT应该不小于18mm/kV(瓷质)和20mm/kV(有机),…”。
显然,该断路器极间外绝缘爬电距离应该不小于:
18mm/kV×15kV=270mm
另外,标准还规定:可能处在反相条件下和热备用状态下的开关装置,其断口需要更长的爬电距离。此时,推荐的应用系数为α=1.15。
由于该电站是3组发电机并列运行,当一组投运后,另两个待发电机组就处于热备用状态,其开关断口的爬电距离还应当是:
270×1.15=310mm
显然,该发电机出口断路器真空灭弧室外绝缘爬距明显不够,只有240mm左右,不符合相关标准要求。至于为什么热备用状态下的开关装置,其断口距离需要更长的爬电距离,在这里就不作阐述。
(3)真空断路器灭弧室中部有金属缝导致外绝缘恶化
由于断路器断口外爬电距离不够,加上又处于热备用状态(即长期处于隔离开关合上,断路器上端带电、下端带负荷),使该断路器上端在一定电压作用下,沿灭弧室表面爬电,并在外绝缘的金属缝表面聚集,聚集到一定场强后便向下端放电。这可以从照片A相和C相看到,灭弧室金属缝均有放电现象,经不断地累积、聚集性放电后,终于上、下极之间外绝缘击穿,断口的绝缘形成放电通路,这就是后来人们看到的真空灭弧室表面有很多的金属粉末。
灭弧室外绝缘击穿放电后,其中B相还对地放电,使三相电流不平衡,导致差动综合保护器动作。根据业主的综合保护器动作记录看:一是差动保护动作,二是B相零序电流的电流保护动作。这正符合断路器断口击穿放电的实际情况。
另外,在几乎同一时间,发电机组灭磁开关过电压动作,正是因出口断路器真空泡的放电击穿形成的闪络过电压导致的。
由于是向断路器的下端放电,所以在断路器隔离开关以上的15kV母线上的阻容吸收装置未发生破坏而是完好正常的,同时击穿放电在发电机定子绕组感应出过电压也是正常的。这正好证明:是由于断路器断口外绝缘破坏造成击穿,引起机组定子线圈过电压而导致灭磁开关动作。
人们也许会问,有金属缝的灭弧室过去很久都是这个样子,为什么没有出事?
这是因为断路器在正常合闸工作中,同极上、下端是同电位,不会爬电。而断路器分闸后,隔离开关又是 打开状态,断路器上端并无电位,所以也不会爬电。而只有在断路器上端有电压,且下端带有负载,同时断路器外绝缘爬电距离又不够,此时真空泡表面的金属缝又起到了过河桥墩作用,在这样的情况下才会发生爬电并导致击穿。
(4)事故后,断路器上、下端为什么能够承受工频耐压1min?
由于是爬电累积放电造成的击穿,所以当空气绝缘恢复后,仍需有个重新爬电的过程,lmin不足以聚集足够电荷。另外,额定电压1.5kV工频耐压不应当是42kV/min,而应当是46kV/min,同时DL/T593-2006标准额定绝缘水平在表l注4中规定:隔离断口是指隔离开关、负荷一隔离开关的断口以及起联络作用或作为热备用的负荷开关和断路器的断口。很显然,对于额定电压是12kV的断路器,如果用于联络或热备用的环境,工频耐压应该为48kV/min。对于额定电压15kV的断路器,一般通用的工频耐压为46kV/min的话,那么用在现有热备用的发电机组,其每分钟的工频耐压应当是53kV。
从以上可看出,显然该发电机出口断路器的耐压值过低,不符合相关标准要求,能承受42kV/min,并不能说明该断路器的绝缘就是合格的。
3 结论
该事故的主要原因是该机组断路器上、下端之间的爬距不够,不符合国家相关规定。且工频耐压42kV/min也不符合国家相关规定。在2号机组热备用状态下,2号机组出口断路器形成聚集型累积放电,终至断路器三相外绝缘击穿,并且B相还对地击穿,造成220kV侧断路器差动及零序保护动作跳闸,以及发电机组灭磁开关过电压动作,事故得以终止。
4 改进措施的建议
以上发电系统中,由于15kV发电机出口断路器真空灭弧室表面爬电距离不够,造成了事故。因此该系统的断路器真空灭弧室都应当对外绝缘采取补救措施,以防后患。建议具体可采纳以下方法:
(1)所有的真空灭弧室表面用硅胶套外包,硅胶外面形成伞群,并满足相关爬电距离要求;
(2)将灭弧室中缝处外包,并形成伞群,同时满足相关爬距要求;
(3)经上述改造后,15kV发电机出口断路器的断口实施工频耐压53kV/rain,应无异常;
(4)建议不采用有裸露金属中缝的真空灭弧室。