劉春昊

(沈陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

通常來說,電解鋁廠用電負荷的特點是用電負荷大且集中,電解系列直流負荷約占全廠總用電負荷的95%,動力負荷約為全廠用電負荷的5%。由于電解直流負荷大而且集中,一般需要多臺單機組12脈波整流機組并聯(lián)運行,將110 kV以上高壓交流電轉(zhuǎn)化為直流電為其供電。由于整流直流電源的工作特性,此種供電系統(tǒng)運行時會產(chǎn)生較大的無功負荷和相應的諧波電流,因此在電解鋁廠內(nèi)通常將無功補償與直流整流系統(tǒng)諧波治理統(tǒng)籌考慮。不僅如此,由于巨大的電解直流負荷通常需要由超高壓直接整流供電,母線集中補償不僅投資大而且運行可靠性不高,所以通常將無功補償容量分散設(shè)置在調(diào)壓變壓器第三繞組上。該裝置是充分利用了調(diào)壓整流變壓器組的第三繞組抽頭來實現(xiàn)的,該種補償方式具有運行靈活、技術(shù)先進、運行可靠、經(jīng)濟合理、便于運行維護管理的特點,因此在行業(yè)內(nèi)被廣泛應用。

第三繞組接入的負荷是較大容量的容性負荷,對于裝置本身特別是引線系統(tǒng)的可靠性要求極高。為了最大限度減少第三繞組之間的相間短路故障并降低線路損耗,第三繞組的引線應盡可能短而且盡量避免直接采用電纜引線,因此通常距離不宜太長。隨著要求的功率因數(shù)越高,補償容量相應增大,導致通過變壓器第三繞組和外部引線的電流增加很大,其損耗和發(fā)熱增大,嚴重影響引線導體的絕緣強度。一旦配置方案選擇不當,十分容易引起對地或相間短路等事故,使整個調(diào)壓變壓器損壞。因此,第三繞組和濾波補償往往成為整流機組最薄弱的環(huán)節(jié)之一。

本文通過一起整流機組第三繞組引線故障引發(fā)的跳閘事故,結(jié)合現(xiàn)場收集到的現(xiàn)場故障照片、設(shè)備拆解檢查情況分析事故發(fā)生的原因。論述了調(diào)壓整流變壓器三角形穩(wěn)定繞組的作用,以及在設(shè)計、施工中應該著重解決的問題,指出了第三繞組和濾波補償?shù)倪B接電纜容易發(fā)生絕緣擊穿造成短路的問題。最后結(jié)合該事故對第三繞組引線方式的選取、設(shè)計以及現(xiàn)場安裝工作給出了幾點建議。

1 供電整流所工程概況

通常電解鋁供電整流系統(tǒng)采用雙回供電電源,本次論述的電解鋁廠項目,供電電壓為220 kV,供電距離約為20 km。220 kV配電系統(tǒng)采用雙母線,2回電源進線間隔,4回整流機組饋線間隔,1個母聯(lián)間隔,2個PT間隔,配電設(shè)備采用分立元件方式(AIS)。

該項目供電整流裝置是按照N+1原則設(shè)置了單機組直流輸出電流2×42 kA,直流輸出電壓800 V DC的4套整流機組,即正常情況下N+1臺(4臺)機組運行供電解系列240 kA電流運行。當一臺機組故障或者檢修情況下,其余N臺(3臺)機組能夠滿足電解系列240 kA電流生產(chǎn)。調(diào)壓變壓器一次電壓為220 kV,主接線采用自耦接線,調(diào)壓方式采用MR公司79級有載調(diào)壓開關(guān)粗調(diào),整流器橋臂設(shè)置自飽和電抗器細調(diào),自飽和電抗器與整流變壓器共油箱。調(diào)壓變壓器和整流變壓器中性點絕緣等級為110 kV,調(diào)壓變壓器設(shè)置了容量為24 MVA的三角形接線的第三繞組作為穩(wěn)定繞組。同時為提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)和抑制直流整流電源系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波,利用調(diào)壓變壓器第三繞組進行補償,將調(diào)壓變壓器三角形穩(wěn)定繞組以10 kV電壓等級引出接入了容量為20 kvar的電容電抗補償裝置,該補償裝置可以將供電整流系統(tǒng)的功率因數(shù)提高至0.95,同時可以有效抑制調(diào)壓整流裝置產(chǎn)生的諧波流入電源系統(tǒng)。

(1)調(diào)壓整流變壓器(含油風冷卻裝置)采用半戶外安裝,相鄰的調(diào)壓整流變壓器之間設(shè)有防火隔間。

(2)整流器與調(diào)壓整流變壓器之間設(shè)有防火墻,整流器、直流隔離開關(guān)、直流傳感器配置在戶內(nèi)。

(3)10 kV濾波補償成套裝置配置在戶外,進線開關(guān)柜為戶內(nèi)安裝,并采用10 kV電纜與調(diào)壓變壓器第三繞組出線套管進行連接。

2 事故經(jīng)過及應急處理

在鋁廠正常生產(chǎn)時,整流所內(nèi)4臺整流機組穩(wěn)定運行。主控室值班人員突然發(fā)現(xiàn)4號機組濾波補償發(fā)生速斷保護動作,造成高壓側(cè)機組斷路器跳閘。事故發(fā)生前未有任何征兆,整流所內(nèi)4臺機組均運行正常,4號機組濾波補償處于冷備用狀態(tài)(第三繞組出線電纜帶電),飽和電抗器的控制電流、偏移電流均在工藝技術(shù)指標控制范圍之內(nèi),系列總電流給定保持在240 kA。事故經(jīng)過大致如下:

00∶04 主控室值班人員發(fā)現(xiàn)后臺監(jiān)控計算機報有4號整流機組調(diào)壓變壓器SEL351速斷保護跳閘、4號機組濾波補償速斷保護跳閘報警,4號機組220 kV斷路器分位,同時發(fā)現(xiàn)系列總直流電流降至200 kA左右。經(jīng)現(xiàn)場檢查4號機組斷路器位置,4號機組斷路器三相均已在分閘位置。

00∶08 按照應急預案,對1號、2號、3號機組采取升電流措施。同時安排巡檢人員對4號機組調(diào)壓整流變壓器、濾波補償?shù)冗M行現(xiàn)場檢查,發(fā)現(xiàn)4號機組濾波補償開關(guān)柜室內(nèi)有冒煙燒焦味。

00∶30 經(jīng)過研判,將4號整流機組轉(zhuǎn)為冷備用狀態(tài)。

01∶00 經(jīng)過協(xié)調(diào),將4號整流機組轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)。

此次4號機組跳閘的突發(fā)事故,由于運行人員及時采取措施對其他三臺機組進行升電流操作,確保了電解系列電流在較短時間內(nèi)恢復至240 kA,因此該事故并沒有造成電解生產(chǎn)的損失。

3 事故檢查情況

經(jīng)組織相關(guān)技術(shù)人員對4號機組進行徹底檢查,在濾波補償進線高壓柜后側(cè)的電纜溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)A相電纜有明顯的接地短路燒損痕跡,參見圖1所示。

圖1 A相電纜有明顯的接地短路燒損痕跡

同時在調(diào)壓變壓器第三繞組出線側(cè)電纜橋架上,發(fā)現(xiàn)B相電纜有嚴重擊穿現(xiàn)象,屏蔽接地燒毀,參見圖2所示。

圖2 B相電纜有嚴重擊穿現(xiàn)象

這些情況結(jié)合調(diào)取4號整流機組SEL351保護和濾波補償進線保護裝置故障錄波曲線,可以初步判定事故的直接原因就發(fā)生在濾波補償引線電纜處。

4 事故原因分析

根據(jù)現(xiàn)場檢查的情況,對此次4號整流機組跳閘的原因分析結(jié)論如下:

(1)濾波補償A相電纜接于進線開關(guān)柜側(cè)因絕緣擊穿造成A相接地短路,同時引發(fā)B相電纜第三繞組出線端絕緣薄弱處擊穿,并通過屏蔽接地線與A相形成相間短路是本次4號整流機組跳閘的直接原因。

(2)濾波補償裝置的進線電纜絕緣層出現(xiàn)老化導致絕緣性能降低,在高壓電場作用下產(chǎn)生局部放電,最終導致電纜在絕緣薄弱處發(fā)生接地短路,是本次整流機組跳閘的間接原因。

5 事故后檢驗及防范措施

事故發(fā)生后,對變壓器內(nèi)部進行了相關(guān)檢查,第一時間進行了一系列相關(guān)試驗進行檢查:

(1)絕緣電阻

油溫40℃單位:GΩ溫度:28℃ 測試項目絕緣電阻測試值R15R60R600吸收比極化指數(shù)高壓-低壓及地2.082.584.231.241.63 高壓-低壓及地(介損后)2.873.626.211.251.71 低壓-高壓及地0.430.541.27 低壓-高壓及地(介損后)0.440.561.101.271.94 低壓-高壓及地(清理瓷瓶)0.50.631.25

(2)直流電阻測試

高壓/mΩAOBOCO△% 補償繞組/mΩ848.5850.9847.60.3AbBbBbCbCbAb△%11.5111.2311.262.4%帶接線板測量 11.2311.2211.081.34%不帶接線板10.33810.29710.4211.197%不帶接線板

(3)變壓比檢測

實測變比值電流/mA額定變比最大誤差%AB/abBC/bcCA/caAB/abBC/bcCA/ca23.18823.19023.1952.4151.6813.00623.1570.16

(4)線圈介損測試

油溫35℃環(huán)境溫度28℃反接法 測試部位實測Cx(nf)tanδ/%測試電壓/kV 高壓-中壓、補償及地13.370.26810 補償+中壓-高壓及地60.190.57810

(5)變壓器油色譜分析

(6)變壓器油微水分析

變壓器油微水第一次第二次平均4號調(diào)變上部12.011.311.74號調(diào)變下部11.411.011.2

(7)變壓器油耐壓試驗

耐壓數(shù)據(jù)范圍220kV∶≥35kV測試結(jié)果第一次43.0第四次37.1第二次48.5第五次42.1第三次41.0第六次41.7 平均電壓42.2kV測試結(jié)論合格

從檢測結(jié)果來看,數(shù)據(jù)異常主要發(fā)生在變壓器油樣指標上。4號調(diào)壓變壓器下層樣1總烴含量超出國家標準注意值范圍160.15/150,下層樣2總烴含量超出國家標準注意值范圍164.41/150;上層樣1總烴含量超出國家標準注意值范圍161.97/150。

通過與事故發(fā)生前數(shù)據(jù)進行對比分析,4號整流機組油樣之前也存在總烴177.9超標的現(xiàn)象。在本次事故發(fā)生2個月后重新送檢時,4號機組油樣總烴降為125,處于合格范圍。因此,可以判定本次事故沒有對變壓器內(nèi)部造成損傷。即便如此,在對4號整流機組進行恢復送電前,也對整流所內(nèi)其它位置進行了隱患排查,并制定了相應防范措施。

(1)整流機組運行時會產(chǎn)生大量高次諧波,易造成電纜發(fā)熱和絕緣層破壞,應縮短電纜使用壽命,及時更換電纜。

(2)考慮到4號整流機組的濾波補償連接電纜在不帶負載的情況下,發(fā)生了絕緣擊穿,所以1至3號整流機組濾波補償連接電纜可能同樣存在老化并被擊穿的隱患。因此,將1至3號整流機組濾波補償連接電纜拆除,并用新電纜進行替換。

(3)對其它電纜和重要敷設(shè)路徑進行檢查,對易造成磨損或拐角受力的地方采取絕緣防護措施,防止和杜絕此類絕緣破損接地電氣事故的發(fā)生。

6 結(jié) 語

整流機組的第三繞組和濾波補償裝置一旦發(fā)生故障危害性較大。本次4號機組跳閘事故對工程中第三繞組引線方式的選取、設(shè)計、現(xiàn)場施工安裝以及安全檢查工作具有一定的警示作用。

(1)調(diào)壓變壓器設(shè)計如短路阻抗等參數(shù)時,主要考慮變壓器高低壓側(cè)的動穩(wěn)定,然而根據(jù)本次案例,調(diào)壓變壓器第三繞組容易發(fā)生外部短路故障。由于第三繞組通常容量偏小,繞組抗短路能力較為薄弱,短路電流造成的危害可能引發(fā)變壓器內(nèi)部的損傷。因此,在進行調(diào)壓整流變壓器組設(shè)計制造時,在合理確定阻抗的同時,更應該考慮加強第三繞組線圈強度的設(shè)計,來應對第三繞組外部發(fā)生短路時,給調(diào)壓變壓器組造成不必要的損壞。

(2)濾波補償一般利用調(diào)壓變壓器第三繞組,多采用角接方式,套管引出,通常一相經(jīng)避雷器接地,即可避免變壓器內(nèi)部和外部過電壓帶來的沖擊。

(3)濾波補償裝置與調(diào)壓變壓器的連接引線應盡量縮短距離,在技術(shù)經(jīng)濟合理的前提下,優(yōu)先采用硬母線、封閉母線或者絕緣管母線方式進行連接,盡量避免采用電纜方式。如果受場地限制需要采用電纜引線,建議需要單芯電纜分開敷設(shè)安裝。

(4)應加強對濾波補償引線部位的維護和巡視,負責人員應充分了解濾波補償?shù)墓ぷ髟砼c事故危害。

(5)如為新建項目,在進行濾波補償引線安裝工作時,應加強監(jiān)督和檢查,降低投運后的風險隱患。