劉新建,王 健

(江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 江陰 214400)

1 精煉爐大功率冶煉變壓器故障簡述

某鋼廠4臺精煉爐對應配置4臺同規(guī)格、兩家國內(nèi)知名品牌的冶煉變壓器,其中兩臺2009年投入使用,另兩臺2014年投入使用,從2016年變壓器第一次發(fā)生故障開始,至2019年共計出現(xiàn)6次變壓器重瓦斯動作,變壓器燒毀事故,2次正常下線吊芯檢查,發(fā)現(xiàn)變壓器內(nèi)部異常,給鋼廠生產(chǎn)造成嚴重影響。

2 故障變壓器供電系統(tǒng)概況

故障變壓器所在的供電系統(tǒng)采用220 kV總降,主變采用220/35 kV 100 MVA 戶外油浸式變壓器[1-2],設置了1套35 kV配電裝置,采用中性點經(jīng)電阻(600 A,10 s)接地方式。該段35 kV母線主要向煉鋼廠4臺容量為32 MVA的精煉爐爐變供電(4臺精煉爐最多允許3臺同時運行),同時配置1套45 Mvar TCR型靜態(tài)補償器SVC成套裝置,含2、3、4、5次濾波支路,且為1臺裝機容量為60 MW的發(fā)變組提供并網(wǎng)點,故障供電系統(tǒng)簡要單線圖詳見圖1。精煉爐變壓器發(fā)生故障時,2#主變僅向本段35 kV母線供電。故障系統(tǒng)主要電氣設備參數(shù)詳見表1。

表1 SVC成套裝置濾波支路參數(shù)

圖1 故障系統(tǒng)簡要單線圖

3 電能質(zhì)量主要測試數(shù)據(jù)

測試煉鋼廠4臺精煉爐正常生產(chǎn)時的電能質(zhì)量在220 kV變電站35 kV母線,測試結果表明,4臺精煉爐冶煉諧波電流發(fā)生量基本一致,隨機從1#精煉爐變壓器選取一個時間段的測量數(shù)據(jù)作為分析對象。

根據(jù)測試情況,整理出精煉爐諧波電流參數(shù),詳見表2～表3。

表2 1#精煉爐整數(shù)次諧波電流200 ms平均值

表3 1#精煉爐整數(shù)次諧波電流3 s平均值參考值

精煉爐基波電壓參數(shù)詳見表4。

表4 1#精煉爐35 kV母線基波電壓測試值

4 故障分析

四臺精煉爐變壓器為戶內(nèi)布置,每次故障均有瓦斯保護動作,且重瓦斯保護跳閘時,系統(tǒng)沒有相應變壓器電流保護動作的記錄,因此,初步可判斷是由于變壓器內(nèi)部故障引起瓦斯保護正常動作。

4.1 爐變(編號20080816)油化驗臺賬分析

精煉爐變壓器油是由許多不同分子量的碳氫化合物分子組成的混合物[3],其在正常運行過程中受熱、電和機械方面力的作用逐漸老化,產(chǎn)生某些可燃性氣體,其氣體產(chǎn)生量、氣體產(chǎn)生速率和種類可以作為變壓器內(nèi)部故障的佐證[4]。根據(jù)DL/T 722—2014《變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則》的要求,變壓器油中各組分含量超注意值或氣體增長率超注意值后,可以采用三比值法[5]分析故障代碼,進而推斷出變壓器內(nèi)部故障的類型。根據(jù)1#精煉爐變壓器(編號20080816)油化驗臺賬、三比值法故障代碼和變壓器內(nèi)部故障類型判斷,精煉爐變壓器第一次故障時,返廠檢修的化驗報告中,故障三比值編碼為122,因此判斷故障是由于變壓器內(nèi)部電弧放電兼過熱引起。在2019年10月8日至2019年10月29日間,從2019年10月8日開始,變壓器油中C2H2含量超標且持續(xù)增加。通過三比值法分析2019年10月29日至2020年1月08日的3次變壓器油化驗報告,發(fā)現(xiàn)故障代碼為102,因此,判斷故障是由于變壓器內(nèi)部電弧放電引起;通過三比值法分析2020年2月11日的1次變壓器油化驗報告,其故障代碼為122,判斷故障是由于變壓器內(nèi)部電弧放電兼過熱引起。對2019年10月08日至2020年1月08日間的4次變壓器油化驗報告C2H2絕對產(chǎn)氣速率分析,均超過標準要求。上述分析結果結合油化驗報告中H2、CH4、C2H4和總烴等變化趨勢說明,在正常生產(chǎn)過程中,精煉爐變壓器內(nèi)部可能出現(xiàn)匝間、層間或調(diào)壓線圈等絕緣強度降低的狀況,引起油隙閃絡或電弧放電,隨著爐變使用時間的變化和內(nèi)部未解決故障的累積,爐變內(nèi)部由單一的電弧放電異常過渡到電弧放電兼過熱異常。

4.2 精煉爐系統(tǒng)諧振放大倍數(shù)分析

4.2.1 精煉爐系統(tǒng)短路電流計算

將精煉爐35 kV故障系統(tǒng)單線圖1整理,標注各元器件等效對應的對稱短路容量,見圖2,并作相應計算?？傻镁珶挔t35 kV側(cè)大小方式短路容量,詳見表5。

圖2 精煉爐35 kV故障系統(tǒng)各元器件對稱短路容量

表5 精煉爐35 kV側(cè)母線短路容量

4.2.2 濾波支路仿真

根據(jù)表1 SVC成套裝置濾波支路參數(shù)和表5煉鋼廠精煉爐35 kV側(cè)母線對應短路容量,按SVC濾波支路全投運行工況,采用濾波器仿真軟件進行仿真計算。計算結果詳見表6和圖3～圖5。

表6 運行方式對應諧振放大倍數(shù)

圖3 精煉爐35 kV側(cè)小方式下諧振放大倍數(shù)

圖4 精煉爐35 kV側(cè)大方式下諧振放大倍數(shù)

圖5 精煉爐35 kV側(cè)最大方式下諧振放大倍數(shù)

根據(jù)表6和圖3～圖5可知,隨著35 kV母線短路容量的增加,SVC各濾波支路與系統(tǒng)的并聯(lián)諧振點向右移,且并聯(lián)諧振放大倍數(shù)增大。國標GB/T 26868《高壓濾波裝置設計與應用導則》推薦,對于大于等于40 MVA的負載,并聯(lián)諧振點的放大倍數(shù)小于6。根據(jù)仿真數(shù)據(jù),在任何運行方式下,精煉爐存在并聯(lián)諧振點處的放大倍數(shù)超過6的情況,存在安全隱患。同時通過仿真,在運行電壓為36.75 kV且各濾波支路全投入時,基波無功有效補償容量約為60 Mvar,超出了TCR支路的額定出力能力45 Mvar,造成無功的返送,抬高母線電壓約0.7 kV,即濾波支路全部投入時,雖然獲得更好的濾波效果,但造成母線電壓的進一步升高。

4.3 操作過電壓分析

精煉爐變壓器戶內(nèi)布置于精煉爐車間獨立的變壓器室內(nèi)。按運檢規(guī)程要求定期巡檢、維護該變壓器定,且精煉爐35 kV母線并網(wǎng)的60 MW發(fā)變組并網(wǎng)運行無異常。每套精煉爐變壓器高壓側(cè)均設置2臺西門子35 kV真空斷路器,設備正常運行時,上述2臺斷路器1用1備。精煉爐變壓器與35 kV真空斷路器之間設置1套阻容保護器和1套變電站用避雷器。在分析故障的過程中[6-7],注意到變壓器瓦斯保護動作均是在變壓器投運以后3年以上才發(fā)生該故障,且不同兩個廠家的變壓器均出現(xiàn)了故障。四臺變壓器投停次數(shù)折算到每小時約7次。真空斷路器在開斷電抗類負載時,有感性電流截流現(xiàn)象。對于精煉爐變壓器高壓側(cè)真空斷路器,在合閘時一般不會出現(xiàn)過電壓,但在變壓器空載情況下斷路器分閘時的截流現(xiàn)象,將產(chǎn)生截流過電壓,詳見圖6。此時過電壓可能出現(xiàn)在變壓器高壓側(cè),威脅變壓器絕緣。

圖6 精煉爐真空斷路器分閘波形圖

當截流值足夠大且斷路器負載側(cè)對地電容值小時,可能出現(xiàn)因截流儲存于電感內(nèi)的磁能引起較高幅值、較高頻率的相對地和相間操作過電壓。相地過電壓與斷路器電源側(cè)的電源電壓共同作用于斷路器滅弧室的動靜觸頭兩端,引起斷路器相間或斷路器斷口閃絡放電,導致產(chǎn)生過電壓。此過電壓一方面引起電源側(cè)的過電壓,另一方面威脅負荷側(cè)絕緣較弱的電氣元件,降低絕緣性。

4.4 諧波電流引起爐變繞組過熱

精煉爐是一種運行狀態(tài)復雜、變化隨機性較強的一種諧波源,其冶煉時產(chǎn)生的諧波頻譜幾乎連續(xù)[8]。精煉爐諧波電流發(fā)生量的大小與爐子的噸位、冶煉的工藝、爐子本身制造水平和冶煉操作方式有關。

從表2中可以看出,冶煉時諧波電流最大值與諧波電流95%大值的差別很大,特別是對2次諧波,其諧波電流最大值與諧波電流95%大值的比值超過35倍。同時,精煉爐冶煉也產(chǎn)生大量的間諧波。一方面,諧波電流有效值與基波電流有效值疊加,使得變壓器繞組和鐵芯發(fā)熱,影響絕緣壽命;另一方面,大量的諧波電流會使得變壓器的鐵芯進入飽和區(qū)運行,可能與系統(tǒng)中的電容發(fā)生鐵磁諧振,引起過電壓。

改良冶煉工藝和規(guī)范冶煉操作,既可減少冶煉時間,又可以減少冶煉時諧波電流最大值與諧波電流95%大值,降低變壓器過熱的風險。

4.5 電壓調(diào)整分析

4.5.1 基波電壓過高

將表4中精煉爐35 kV母線基波相電壓測試數(shù)據(jù)折算成線電壓,本次測試基波線電壓最大值約為37.24 kV,基波線電壓最小值接近36.5 kV,運行電壓仍偏高。

現(xiàn)場測量電網(wǎng)中0#發(fā)電機典型運行參數(shù)見表7。

表7 0#發(fā)電機典型運行參數(shù)

根據(jù)表7可知,在精煉爐35 kV母線電壓偏高時,根據(jù)發(fā)電機P-Q曲線的要求,調(diào)整發(fā)電機的無功出力,調(diào)節(jié)35 kV母線電壓。

4.5.2 TCR可控電抗器容量偏小且運行不可靠

測試變電站主變35 kV出線斷路器時,電網(wǎng)中SVC成套裝置4次濾波支路、5次濾波支路未投入運行,且5次諧波電流上網(wǎng)值超標、長時閃變超標。主要原因有兩點：一是由于35 kV母線運行電壓偏高,濾波支路基波補償容量約60 Mvar,大于TCR的感性無功出力;二是TCR支路發(fā)熱嚴重且故障率高,運行不可靠。

4.6 變壓器制造工藝分析

4.6.1 變壓器接地

在變壓器運行過程中,由于變壓器各金屬結構件在電場所處的位置不同,產(chǎn)生的電位也不同,當兩點的電位差達到一定數(shù)值時,產(chǎn)生放電現(xiàn)象。放電的結果導致變壓器油分解或固體絕緣損壞,為避免發(fā)生該現(xiàn)象,不應帶電的金屬結構件需要有效接地[9-10]。

現(xiàn)場實際情況是變壓器制造廠商提供的變壓器往往將鐵芯、夾件、箱蓋(桶式變壓器)、變壓器器身的接地進行內(nèi)部連接,只留給用戶一個接地點。由于內(nèi)部連接情況檢查不方便,且精煉爐冶煉變壓器生產(chǎn)過程中性點偏移量大,容易出現(xiàn)接地問題而放電,導致油定期實驗不合格,甚至產(chǎn)生其它更嚴重的后果,因此,區(qū)分開變壓器各類接地,留給用戶可靠接地的可操作性空間。

4.6.2 變壓器線圈設計制造

線圈在設計上必須滿足的基本要求包括：

1)電氣強度

變壓器線圈要求能承受雷電沖擊耐受電壓、操作沖擊耐受電壓、工頻耐受電壓,尤其是設計階段,需要根據(jù)用戶現(xiàn)場電網(wǎng)的實際運行參數(shù)設計,或者在新建項目中,在用戶提供的變壓器工作電壓基礎上,調(diào)高一檔設計是有效的方法。

2)機械強度

冶金行業(yè)大容量冶煉變壓器由于工藝要求,須抗頻繁沖擊、過載能力強,線圈的機械強度要求能承受長期頻繁大幅度變化的電流所產(chǎn)生的電磁力,考慮到這種變壓器損壞往往會導致修復工作量大、生產(chǎn)停產(chǎn)時間長、損失金額大,因此,采取多種措施盡可能提高線圈的機械強度是必要的。

圖7為一臺冶煉變壓器使用2年,無任何異常情況下,下線吊芯檢查,發(fā)現(xiàn)高壓線圈變形,線間的絕緣墊塊大量松動。

圖7 使用2年的冶煉變壓器

5 結論及整改措施

5.1 結 論

(1)冶煉時產(chǎn)生大量的沖擊諧波電流,在其變壓器上產(chǎn)生大的壓降,此諧波壓降疊加上35 kV供電系統(tǒng)較高的基波電壓,導致精煉爐變壓器匝間、層間和相間及相對殼體絕緣受到?jīng)_擊,日積月累破壞絕緣。

(2)冶煉時產(chǎn)生了大量的諧波電流和間諧波電流,造成變壓器繞組過熱,縮短絕緣壽命。

(3)靜態(tài)無功補償SVC成套裝置TCR支路出力受限,且發(fā)電機未參與調(diào)壓,正常運行時,35 kV母線電壓過高,其是變壓器使用壽命縮短的原因之一。

(4)冶煉變壓器按常規(guī)設計,不能完全適應電網(wǎng)及現(xiàn)場的使用要求。

5.2 整改措施

(1)改造靜態(tài)無功補償SVC成套裝置,4次濾波支路、5次濾波支路投入運行,調(diào)整濾波器參數(shù),以此減小并聯(lián)諧振點放大倍數(shù)。同時,采用調(diào)節(jié)220 kV站2#主變高壓側(cè)抽頭和0#發(fā)電機無功出力的方法,合理控制35 kV母線運行電壓。

(2)規(guī)范操作,減少在冶煉過程中分合高壓開關的操作次數(shù),特別是減少精煉爐變壓器空載分閘。并且在與變壓器制造廠溝通后,將原先真空開關合閘擋位由13擋調(diào)整為7擋,減小合閘時,繞組受到的電動力沖擊。

(3)變壓器制造的技術要求細節(jié)調(diào)整：①變壓器修復按照工作電壓37.5 kV設計;②變壓器使用的高壓線圈匝絕緣材料厚度調(diào)整至大于等于1.35 mm;③線圈線餅綁扎加強,線圈截圓上間隔120°軸向通長三道綁扎牢固;④變壓器外殼、夾件、鐵芯單獨設置接地引出線。

該煉鋼廠精煉爐冶煉變壓器在上述整改措施落實后,設備已經(jīng)正常運行兩年時間,其未發(fā)生異常情況,整改措施取得較好的應用效果。