開(kāi)關(guān)柜內(nèi)三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器的維護(hù)

廖維東，韋 瑋，吳雙杰

(貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 遵義 564408)

0 引言

構(gòu)皮灘發(fā)電廠位于貴州省余慶縣境內(nèi)烏江干流上，是貴州省境內(nèi)最大發(fā)電廠，裝機(jī)容量5×600 MW，多年平均發(fā)電量96.82億kWh，2009年電站實(shí)現(xiàn)“半年五投”。

該廠10 kV系統(tǒng)布置于地下廠房?jī)?nèi)，共8段母線，每段母線設(shè)置一臺(tái)進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜、6—10臺(tái)饋線開(kāi)關(guān)柜，進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜與高壓廠用變低壓側(cè)之間通過(guò)10 kV動(dòng)力電纜連接，饋線開(kāi)關(guān)柜與配電變壓器高壓側(cè)之間通過(guò)10 kV動(dòng)力電纜連接，共計(jì)67臺(tái)10 kV開(kāi)關(guān)柜，每臺(tái)開(kāi)關(guān)柜均配置一臺(tái)ABB公司生產(chǎn)的 VD4真空開(kāi)關(guān)，容量630 A，所有開(kāi)關(guān)柜內(nèi)10 kV動(dòng)力電纜搭接處均設(shè)置10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器。

開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)置10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器，主要目的就是防止10 kV系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)電壓對(duì)電氣設(shè)備的絕緣破壞，從而引起電氣設(shè)備事故。過(guò)電壓可分為外部過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓兩大類，外部過(guò)電壓包括直擊雷過(guò)電壓、感應(yīng)雷過(guò)電壓;內(nèi)部過(guò)電壓包括操作過(guò)電壓、工頻過(guò)電壓、諧振過(guò)電壓。對(duì)于戶內(nèi)10 kV系統(tǒng)，最有可能產(chǎn)生的過(guò)電壓為開(kāi)關(guān)操作過(guò)電壓。

每當(dāng)真空開(kāi)關(guān)操作時(shí)，極易產(chǎn)生操作過(guò)電壓，主要是由于電路中存在電感電容儲(chǔ)能元件，在開(kāi)關(guān)操作瞬間釋放出能量，在電路中產(chǎn)生電磁振蕩而引發(fā)的。而真空開(kāi)關(guān)由于具有高速滅弧能力，在切斷電路時(shí)，往往在電流過(guò)零前被強(qiáng)行開(kāi)斷，在斷弧瞬間儲(chǔ)藏在負(fù)載內(nèi)的電感與電容之間電磁能量轉(zhuǎn)換將在線路上產(chǎn)生過(guò)電壓，這比一般開(kāi)關(guān)要突出，尤其在最先斷開(kāi)相觸頭間，有可能因過(guò)電壓引起電弧重燃，而產(chǎn)生更大的過(guò)電壓。

在感性負(fù)載中，這種過(guò)電壓幅值高，上升陡度快，頻率也高，這無(wú)疑對(duì)電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載的絕緣是十分危險(xiǎn)的。總之，真空開(kāi)關(guān)操作時(shí)不管出現(xiàn)哪種過(guò)電壓都會(huì)對(duì)設(shè)備不利，嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

該廠10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器由安徽亞凱電力科技有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為TBP-B-12.7/131，持續(xù)運(yùn)行電壓：12.7 kV，圖中A，B，C分別與10 kV配電系統(tǒng)A相、B相、C相連接。

1 事故情況

2019年6月，某同類型水電廠(下稱某水電廠)上位機(jī)發(fā)“3號(hào)主變保護(hù)A套動(dòng)作、3號(hào)高廠變后備跳閘I，II動(dòng)作”，3號(hào)主變高壓側(cè)213開(kāi)關(guān)、3號(hào)發(fā)電機(jī)出口023開(kāi)關(guān)、3號(hào)高廠變低壓側(cè)013開(kāi)關(guān)、3號(hào)機(jī)滅磁開(kāi)關(guān)相繼跳閘，3號(hào)機(jī)甩193 MW負(fù)荷(電氣接線見(jiàn)圖1)，廠用電10 kV Ⅲ段失電。

停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)3號(hào)高壓廠用變低壓側(cè)10 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器(型號(hào)為TBP-B，與該廠型號(hào)一致) B相發(fā)生擊穿短路爆燃事故，相鄰A，C兩相套筒絕緣硅橡膠材料遭受不同程度燒損，經(jīng)進(jìn)一步解體檢查發(fā)現(xiàn)B相過(guò)電壓保護(hù)器套筒內(nèi)部氧化鋅電阻及放電間隙已完全燒空。

2 事故分析

某水電廠10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器電氣原理如圖2所示，CG為放電間隙，F(xiàn)R為氧化鋅非線性電阻，D為設(shè)備接地點(diǎn)，結(jié)構(gòu)采用放電間隙和氧化鋅非線性電阻串聯(lián)，使二者互為保護(hù)。

圖1 某水電廠10 kV系統(tǒng)局部電氣接線

圖2 過(guò)電壓保護(hù)器電氣原理

2.1 直接原因

10 kV Ⅲ段013進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜內(nèi)過(guò)電壓保護(hù)器發(fā)生B相擊穿短路爆燃，相鄰A，C兩相套筒絕緣硅橡膠材料也被不同程度燒損，從而引發(fā)三相短路。

2.2 根本原因

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查運(yùn)行時(shí)未出現(xiàn)系統(tǒng)過(guò)電壓，且當(dāng)時(shí)未操作開(kāi)關(guān)，可排除因系統(tǒng)過(guò)電壓或操作過(guò)電壓引起設(shè)備擊穿的可能。為進(jìn)一步確認(rèn)內(nèi)部是否受潮或老化，現(xiàn)場(chǎng)解剖同批次運(yùn)行中產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)氧化鋅電阻上下部有發(fā)霉受潮老化跡象，由于內(nèi)部間隙有空氣存在，過(guò)電壓保護(hù)器運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生間隙與閥片受潮、老化，使其絕緣性能逐漸下降，惡性循環(huán)，當(dāng)無(wú)法承受系統(tǒng)工作電壓時(shí)就發(fā)生擊穿事故，放電間隙和閥片被擊穿破壞。

綜述，該廠2006年投運(yùn)至今，運(yùn)行14年，長(zhǎng)期運(yùn)行10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器絕緣不斷受潮老化，性能下降，且10 kV母線檢修預(yù)試時(shí)未對(duì)過(guò)電壓保護(hù)器進(jìn)行任何手段檢測(cè)，從而導(dǎo)致設(shè)備擊穿事故。

3 維護(hù)試驗(yàn)

由于該廠10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器與該廠發(fā)生事故的10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器為同一類型，且已運(yùn)行10年，由于國(guó)標(biāo)、行標(biāo)、企標(biāo)均缺少10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，電廠沒(méi)有任何有效手段開(kāi)展過(guò)電壓保護(hù)器氧化鋅閥片絕緣劣化檢測(cè)，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。

為此，該廠通過(guò)分析10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器結(jié)構(gòu)與原理，制定了該過(guò)電壓保護(hù)器維護(hù)試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)器間隙、氧化鋅閥片絕緣性能的有效檢測(cè)，確保10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，具體有以下幾項(xiàng)措施。

(1) 制定過(guò)電壓保護(hù)器檢修預(yù)試計(jì)劃，可借鑒10 kV母線的檢修預(yù)試周期，每隔三年開(kāi)展一次檢修預(yù)試。

(2) 10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器檢修預(yù)試時(shí)，重點(diǎn)為以下幾步。

① 對(duì)過(guò)電壓保護(hù)器進(jìn)行檢查維護(hù)，主要標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)備表面無(wú)破損，表面硅橡膠物見(jiàn)本色，底部密封良好，各部位接頭緊固牢靠。

② 開(kāi)展絕緣電阻試驗(yàn)，將10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器底座擺放在鐵板上(鐵板面積約大于底座)，用接地線將過(guò)電壓保護(hù)器接地D端與鐵板短路接地，拆開(kāi)過(guò)電壓保護(hù)器三相接頭，分別測(cè)量A相對(duì)BC相及地、B相對(duì)AC相及地、C相對(duì)AB相及地絕緣電阻，絕緣電阻可參考10 kV母線標(biāo)準(zhǔn)(不應(yīng)低于1 MΩ/kV)，標(biāo)準(zhǔn)要求大于等于10 MΩ，正常情況下絕緣電阻均為GΩ級(jí)別，此試驗(yàn)主要檢測(cè)過(guò)電壓保護(hù)器內(nèi)部有無(wú)臟污、嚴(yán)重受潮等分布式絕緣缺陷。

③ 開(kāi)展工頻放電電壓試驗(yàn)，在過(guò)電壓保護(hù)器絕緣電阻試驗(yàn)合格之后，選擇7 kVA/60 kV小容量交直流輕型試驗(yàn)變壓器(由于過(guò)電壓保護(hù)器試品容量較小)進(jìn)行工頻放電電壓測(cè)試。此階段試驗(yàn)儀器由試驗(yàn)變壓器與試驗(yàn)控制箱組成，將試驗(yàn)變壓器與試驗(yàn)控制箱正確接線后開(kāi)展空升試驗(yàn)，過(guò)程中試驗(yàn)電壓勻速上升、高壓側(cè)無(wú)電流、儀器無(wú)跳閘，表明試驗(yàn)儀器正常。隨后進(jìn)行工頻放電電壓測(cè)試，圖3為工頻放電電壓測(cè)試試驗(yàn)原理接線，試驗(yàn)控制箱上表V2為試驗(yàn)變壓器高壓側(cè)電壓(試品耐壓值)，試驗(yàn)控制箱上表A1為試驗(yàn)變壓器低壓側(cè)電流值，試驗(yàn)前將過(guò)流保護(hù)整定值設(shè)置為2.5 A。分別從A相對(duì)BC相及地、B相對(duì)AC相及地、C相對(duì)AB相及地逐相進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器緩慢加壓，同時(shí)觀察表V2的數(shù)值與表A1的變化情況，在過(guò)電壓保護(hù)器CG，F(xiàn)R未擊穿放電時(shí)，表A1的數(shù)值不超過(guò)1 A，待過(guò)電壓保護(hù)器試品上施加的工頻電壓達(dá)到一定值時(shí)，表A1的數(shù)值突增，過(guò)電壓保護(hù)器擊穿動(dòng)作，試驗(yàn)控制箱保護(hù)跳閘，記錄試品施加電壓值，即為過(guò)電壓保護(hù)器工頻放電電壓值，標(biāo)準(zhǔn)為23.2 kV (有效值)的90 %～120 %。此試驗(yàn)主要檢測(cè)過(guò)電壓保護(hù)器內(nèi)部有無(wú)老化、受損、局部受潮等危害性極大的集中性絕緣缺陷，對(duì)發(fā)現(xiàn)設(shè)備早期出現(xiàn)的絕緣劣化最有效。

圖3 A相過(guò)電壓保護(hù)器工頻放電電壓測(cè)量

依據(jù)10 kV三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器廠家說(shuō)明書(shū)，推薦戶內(nèi)過(guò)電壓保護(hù)器使用壽命為10年(硅橡膠絕緣介質(zhì)老化特性)，結(jié)合該廠實(shí)際(環(huán)境濕度RH55 %，環(huán)境溫度30 ℃左右)，目前已逐步開(kāi)展過(guò)電壓保護(hù)器更換工作，從而避免設(shè)備絕緣老化引起的事故。

4 結(jié)束語(yǔ)

鑒于國(guó)內(nèi)10 kV開(kāi)關(guān)柜使用較為普遍，柜內(nèi)進(jìn)線端配置三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器為典型設(shè)計(jì)，為了防止10 kV系統(tǒng)設(shè)備免受真空開(kāi)關(guān)操作過(guò)電壓的危害。由于目前過(guò)壓保護(hù)器無(wú)國(guó)家、行業(yè)預(yù)防性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器投運(yùn)后極易被忽視，形成維護(hù)死區(qū)，反而為10 kV系統(tǒng)運(yùn)行埋下了安全隱患。所以補(bǔ)充了三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器維護(hù)試驗(yàn)項(xiàng)目，進(jìn)而杜絕三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器運(yùn)行中有可能發(fā)生的短路擊穿事故，徹底消除三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器的絕緣隱患。