整流机组第三绕组引线故障分析及处理

刘春昊

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

通常来说,电解铝厂用电负荷的特点是用电负荷大且集中,电解系列直流负荷约占全厂总用电负荷的95%,动力负荷约为全厂用电负荷的5%。由于电解直流负荷大而且集中,一般需要多台单机组12脉波整流机组并联运行,将110 kV以上高压交流电转化为直流电为其供电。由于整流直流电源的工作特性,此种供电系统运行时会产生较大的无功负荷和相应的谐波电流,因此在电解铝厂内通常将无功补偿与直流整流系统谐波治理统筹考虑。不仅如此,由于巨大的电解直流负荷通常需要由超高压直接整流供电,母线集中补偿不仅投资大而且运行可靠性不高,所以通常将无功补偿容量分散设置在调压变压器第三绕组上。该装置是充分利用了调压整流变压器组的第三绕组抽头来实现的,该种补偿方式具有运行灵活、技术先进、运行可靠、经济合理、便于运行维护管理的特点,因此在行业内被广泛应用。

第三绕组接入的负荷是较大容量的容性负荷,对于装置本身特别是引线系统的可靠性要求极高。为了最大限度减少第三绕组之间的相间短路故障并降低线路损耗,第三绕组的引线应尽可能短而且尽量避免直接采用电缆引线,因此通常距离不宜太长。随着要求的功率因数越高,补偿容量相应增大,导致通过变压器第三绕组和外部引线的电流增加很大,其损耗和发热增大,严重影响引线导体的绝缘强度。一旦配置方案选择不当,十分容易引起对地或相间短路等事故,使整个调压变压器损坏。因此,第三绕组和滤波补偿往往成为整流机组最薄弱的环节之一。

本文通过一起整流机组第三绕组引线故障引发的跳闸事故,结合现场收集到的现场故障照片、设备拆解检查情况分析事故发生的原因。论述了调压整流变压器三角形稳定绕组的作用,以及在设计、施工中应该着重解决的问题,指出了第三绕组和滤波补偿的连接电缆容易发生绝缘击穿造成短路的问题。最后结合该事故对第三绕组引线方式的选取、设计以及现场安装工作给出了几点建议。

1 供电整流所工程概况

通常电解铝供电整流系统采用双回供电电源,本次论述的电解铝厂项目,供电电压为220 kV,供电距离约为20 km。220 kV配电系统采用双母线,2回电源进线间隔,4回整流机组馈线间隔,1个母联间隔,2个PT间隔,配电设备采用分立元件方式(AIS)。

该项目供电整流装置是按照N+1原则设置了单机组直流输出电流2×42 kA,直流输出电压800 V DC的4套整流机组,即正常情况下N+1台(4台)机组运行供电解系列240 kA电流运行。当一台机组故障或者检修情况下,其余N台(3台)机组能够满足电解系列240 kA电流生产。调压变压器一次电压为220 kV,主接线采用自耦接线,调压方式采用MR公司79级有载调压开关粗调,整流器桥臂设置自饱和电抗器细调,自饱和电抗器与整流变压器共油箱。调压变压器和整流变压器中性点绝缘等级为110 kV,调压变压器设置了容量为24 MVA的三角形接线的第三绕组作为稳定绕组。同时为提高供电系统功率因数和抑制直流整流电源系统产生的谐波,利用调压变压器第三绕组进行补偿,将调压变压器三角形稳定绕组以10 kV电压等级引出接入了容量为20 kvar的电容电抗补偿装置,该补偿装置可以将供电整流系统的功率因数提高至0.95,同时可以有效抑制调压整流装置产生的谐波流入电源系统。

(1)调压整流变压器(含油风冷却装置)采用半户外安装,相邻的调压整流变压器之间设有防火隔间。

(2)整流器与调压整流变压器之间设有防火墙,整流器、直流隔离开关、直流传感器配置在户内。

(3)10 kV滤波补偿成套装置配置在户外,进线开关柜为户内安装,并采用10 kV电缆与调压变压器第三绕组出线套管进行连接。

2 事故经过及应急处理

在铝厂正常生产时,整流所内4台整流机组稳定运行。主控室值班人员突然发现4号机组滤波补偿发生速断保护动作,造成高压侧机组断路器跳闸。事故发生前未有任何征兆,整流所内4台机组均运行正常,4号机组滤波补偿处于冷备用状态(第三绕组出线电缆带电),饱和电抗器的控制电流、偏移电流均在工艺技术指标控制范围之内,系列总电流给定保持在240 kA。事故经过大致如下:

00∶04 主控室值班人员发现后台监控计算机报有4号整流机组调压变压器SEL351速断保护跳闸、4号机组滤波补偿速断保护跳闸报警,4号机组220 kV断路器分位,同时发现系列总直流电流降至200 kA左右。经现场检查4号机组断路器位置,4号机组断路器三相均已在分闸位置。

00∶08 按照应急预案,对1号、2号、3号机组采取升电流措施。同时安排巡检人员对4号机组调压整流变压器、滤波补偿等进行现场检查,发现4号机组滤波补偿开关柜室内有冒烟烧焦味。

00∶30 经过研判,将4号整流机组转为冷备用状态。

01∶00 经过协调,将4号整流机组转为检修状态。

此次4号机组跳闸的突发事故,由于运行人员及时采取措施对其他三台机组进行升电流操作,确保了电解系列电流在较短时间内恢复至240 kA,因此该事故并没有造成电解生产的损失。

3 事故检查情况

经组织相关技术人员对4号机组进行彻底检查,在滤波补偿进线高压柜后侧的电缆沟内发现A相电缆有明显的接地短路烧损痕迹,参见图1所示。

图1 A相电缆有明显的接地短路烧损痕迹

同时在调压变压器第三绕组出线侧电缆桥架上,发现B相电缆有严重击穿现象,屏蔽接地烧毁,参见图2所示。

图2 B相电缆有严重击穿现象

这些情况结合调取4号整流机组SEL351保护和滤波补偿进线保护装置故障录波曲线,可以初步判定事故的直接原因就发生在滤波补偿引线电缆处。

4 事故原因分析

根据现场检查的情况,对此次4号整流机组跳闸的原因分析结论如下:

(1)滤波补偿A相电缆接于进线开关柜侧因绝缘击穿造成A相接地短路,同时引发B相电缆第三绕组出线端绝缘薄弱处击穿,并通过屏蔽接地线与A相形成相间短路是本次4号整流机组跳闸的直接原因。

(2)滤波补偿装置的进线电缆绝缘层出现老化导致绝缘性能降低,在高压电场作用下产生局部放电,最终导致电缆在绝缘薄弱处发生接地短路,是本次整流机组跳闸的间接原因。

5 事故后检验及防范措施

事故发生后,对变压器内部进行了相关检查,第一时间进行了一系列相关试验进行检查:

(1)绝缘电阻

油温40℃单位:GΩ温度:28℃ 测试项目绝缘电阻测试值R15R60R600吸收比极化指数高压-低压及地2.082.584.231.241.63 高压-低压及地(介损后)2.873.626.211.251.71 低压-高压及地0.430.541.27 低压-高压及地(介损后)0.440.561.101.271.94 低压-高压及地(清理瓷瓶)0.50.631.25

(2)直流电阻测试

高压/mΩAOBOCO△% 补偿绕组/mΩ848.5850.9847.60.3AbBbBbCbCbAb△%11.5111.2311.262.4%带接线板测量 11.2311.2211.081.34%不带接线板10.33810.29710.4211.197%不带接线板

(3)变压比检测

实测变比值电流/mA额定变比最大误差%AB/abBC/bcCA/caAB/abBC/bcCA/ca23.18823.19023.1952.4151.6813.00623.1570.16

(4)线圈介损测试

油温35℃环境温度28℃反接法 测试部位实测Cx(nf)tanδ/%测试电压/kV 高压-中压、补偿及地13.370.26810 补偿+中压-高压及地60.190.57810

(5)变压器油色谱分析

(6)变压器油微水分析

变压器油微水第一次第二次平均4号调变上部12.011.311.74号调变下部11.411.011.2

(7)变压器油耐压试验

耐压数据范围220kV∶≥35kV测试结果第一次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 平均电压42.2kV测试结论合格

从检测结果来看,数据异常主要发生在变压器油样指标上。4号调压变压器下层样1总烃含量超出国家标准注意值范围160.15/150,下层样2总烃含量超出国家标准注意值范围164.41/150;上层样1总烃含量超出国家标准注意值范围161.97/150。

通过与事故发生前数据进行对比分析,4号整流机组油样之前也存在总烃177.9超标的现象。在本次事故发生2个月后重新送检时,4号机组油样总烃降为125,处于合格范围。因此,可以判定本次事故没有对变压器内部造成损伤。即便如此,在对4号整流机组进行恢复送电前,也对整流所内其它位置进行了隐患排查,并制定了相应防范措施。

(1)整流机组运行时会产生大量高次谐波,易造成电缆发热和绝缘层破坏,应缩短电缆使用寿命,及时更换电缆。

(2)考虑到4号整流机组的滤波补偿连接电缆在不带负载的情况下,发生了绝缘击穿,所以1至3号整流机组滤波补偿连接电缆可能同样存在老化并被击穿的隐患。因此,将1至3号整流机组滤波补偿连接电缆拆除,并用新电缆进行替换。

(3)对其它电缆和重要敷设路径进行检查,对易造成磨损或拐角受力的地方采取绝缘防护措施,防止和杜绝此类绝缘破损接地电气事故的发生。

6 结 语

整流机组的第三绕组和滤波补偿装置一旦发生故障危害性较大。本次4号机组跳闸事故对工程中第三绕组引线方式的选取、设计、现场施工安装以及安全检查工作具有一定的警示作用。

(1)调压变压器设计如短路阻抗等参数时,主要考虑变压器高低压侧的动稳定,然而根据本次案例,调压变压器第三绕组容易发生外部短路故障。由于第三绕组通常容量偏小,绕组抗短路能力较为薄弱,短路电流造成的危害可能引发变压器内部的损伤。因此,在进行调压整流变压器组设计制造时,在合理确定阻抗的同时,更应该考虑加强第三绕组线圈强度的设计,来应对第三绕组外部发生短路时,给调压变压器组造成不必要的损坏。

(2)滤波补偿一般利用调压变压器第三绕组,多采用角接方式,套管引出,通常一相经避雷器接地,即可避免变压器内部和外部过电压带来的冲击。

(3)滤波补偿装置与调压变压器的连接引线应尽量缩短距离,在技术经济合理的前提下,优先采用硬母线、封闭母线或者绝缘管母线方式进行连接,尽量避免采用电缆方式。如果受场地限制需要采用电缆引线,建议需要单芯电缆分开敷设安装。

(4)应加强对滤波补偿引线部位的维护和巡视,负责人员应充分了解滤波补偿的工作原理与事故危害。

(5)如为新建项目,在进行滤波补偿引线安装工作时,应加强监督和检查,降低投运后的风险隐患。