施文豐

(中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

由于并聯(lián)電容器能夠提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、降低系統(tǒng)能耗,被廣泛應(yīng)用在各級(jí)變配電站內(nèi)[1]。因?yàn)?0 kV成套并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償柜(以下簡稱成套柜)防護(hù)等級(jí)高,故障發(fā)生時(shí)電弧被限制在柜內(nèi),對運(yùn)行人員來說更為安全可靠,從而被廣泛應(yīng)用在各類工商業(yè)末端變配電所內(nèi)。但噴射式熔斷器[2,3]在成套柜內(nèi)的不當(dāng)使用、成套柜安裝調(diào)試不到位、運(yùn)行管理不當(dāng),會(huì)造成故障的擴(kuò)大。

1 電力系統(tǒng)及成套柜故障概況

某化工廠電力系統(tǒng)概況如下:全廠設(shè)置1座110 kV總降壓站;2回110 kV架空線路分別引自供電公司2個(gè)不同的變電站;110 kV系統(tǒng)采用雙母線接線(母聯(lián)正常分位);設(shè)有2臺(tái)110 kV/10.5 kV 40 MVA主變;10 kV系統(tǒng)采用單母線分段接線(母聯(lián)正常分位);每段10 kV母線設(shè)成套電容補(bǔ)償柜1組(4 800 kvar),每組補(bǔ)償柜分為4個(gè)分支,容量分別為600 kvar、1 200 kvar、1 500 kvar、1 500 kvar,各分支均采用真空接觸器進(jìn)行投切,采用熔斷器進(jìn)行保護(hù);10 kV系統(tǒng)采用消弧線圈接地系統(tǒng)。該廠電力系統(tǒng)簡圖和成套柜簡圖見圖1和圖2。

圖1 電力系統(tǒng)簡圖

圖2 無功補(bǔ)償簡圖(單套)

2023年某日,該化工廠110 kV總降壓站內(nèi)II段10 kV開關(guān)柜(10 kV電容器饋線柜)的過流保護(hù)I段動(dòng)作,斷路器跳閘,全廠10 kV系統(tǒng)發(fā)生短時(shí)電壓波動(dòng);該起電氣故障導(dǎo)致部分工藝生產(chǎn)裝置停車。

2 故障分析

故障發(fā)生后,經(jīng)現(xiàn)場勘察、試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):① II段成套柜內(nèi)的第2～4分支的噴射式熔斷器均熔斷(見圖3),1 200 kvar分支的電抗器a相下端連接電容器的接線柱燒融、燒斷(見圖4),1 200 kvar分支的a相電容器中性點(diǎn)側(cè)接線柱燒黑,a相電容器漏液(見圖5);② II段10 kV開關(guān)柜(10 kV電容器饋線柜),過流I段動(dòng)作,斷路器跳閘成功,動(dòng)作電流8.875 A,電流互感器變比300/1 A,折算為一次值2 662.5 A。總降壓站內(nèi)專用故障錄波裝置啟動(dòng),錄得2#110 kV主變10 kV側(cè)二次最大故障電流1.737 A,故障持續(xù)時(shí)間約158 ms,故障前、后電流為0.4～0.5 A,電流互感器變比2 000/1 A,折算一次電流增量約為2 600 A左右。2#主變110 kV側(cè)電壓由59.5 V跌至41.95 V(相電壓,二次值),跌幅29.5%。消弧線圈控制器上查得單相接地記錄5次,其中4次單相接地故障的記錄為該起故障時(shí)刻的前1 min之內(nèi);另外1次單相接地故障記錄距該起故障時(shí)刻45 d。小電流選線裝置未查到相關(guān)故障記錄。電容器各分支保護(hù)裝置無動(dòng)作記錄(分支繼電保護(hù)未投用)。檢查還發(fā)現(xiàn)成套柜柜內(nèi)一次回路的部分螺栓存在松動(dòng)情況(用手可以直接擰動(dòng))。對成套柜柜內(nèi)元件進(jìn)行耐壓試驗(yàn)、電容器電容量測試等試驗(yàn)[4],結(jié)果顯示:除第2、3、4分支的熔斷器熔斷、第2分支的電抗器損壞、第2分支a相電容器損壞外,其余一、二次元件均正常。

圖3 熔斷器熔斷

圖4 電抗器接線柱燒斷

圖5 電容器漏液、接線柱燒黑

結(jié)合微機(jī)綜保動(dòng)作記錄、消弧線圈控制器和專用故障錄波記錄,判斷故障原因?yàn)榈?分支的電抗器與電容器接線柱處,見圖6中“f”點(diǎn)處和圖4,由于螺栓未緊固,運(yùn)行后持續(xù)發(fā)熱,引起彈簧墊圈失效,導(dǎo)致螺栓松弛,接觸電阻進(jìn)一步變大,發(fā)熱更為嚴(yán)重,當(dāng)熱積累到一定程度時(shí),發(fā)生絕緣的熱崩潰,導(dǎo)致該處發(fā)生單相接地故障;接地后,a相電容器對地直接放電,同時(shí)消弧線圈進(jìn)行了補(bǔ)償,系統(tǒng)恢復(fù)正常;a相電容器對地直接放電引起其部分內(nèi)熔絲[5]熔斷;間隔幾秒后,電抗器與電容器接線柱處再次發(fā)生單相接地,如此反復(fù)幾次后,“f”處被a相電容器直接對地放電電流和系統(tǒng)單相接地短路電流燒熔、燒斷;a相電容器經(jīng)多次對地弧光短路沖擊,中性點(diǎn)側(cè)的接線柱燒黑,內(nèi)部發(fā)生了嚴(yán)重?fù)舸?發(fā)生漏液,繼而引起a相的噴射式熔斷器2FUa熔斷,噴射產(chǎn)生的弧光和噴射物引起成套柜內(nèi)母線三相短路,電弧光朝第3、4分支側(cè)漂移,導(dǎo)致第3、4分支的熔斷器也同步發(fā)生熔斷;本次三相短路造成整個(gè)10 kV系統(tǒng)晃電,后由10 kV開關(guān)柜的過流I段動(dòng)作,斷路器跳閘成功,故障被切除。

圖6 故障示意

綜上所述,本起故障的直接原因?yàn)?成套柜的安裝調(diào)試人員在做耐壓試驗(yàn)后,恢復(fù)柜內(nèi)一次接線的過程中,對相關(guān)的連接螺栓未完全緊固,導(dǎo)致通電后接線柱發(fā)熱,熱積累誘發(fā)單相接地短路。故障擴(kuò)大的原因?yàn)?安裝調(diào)試單位對各電容器分支的保護(hù)裝置未按規(guī)范進(jìn)行整定和調(diào)試,成套柜的電壓不平衡保護(hù)[6]形同虛設(shè),在發(fā)生單相接地引發(fā)a相電容器內(nèi)部熔絲部分熔斷,放電線圈二次側(cè)有較大不平衡電壓時(shí),電容器分支的電壓不平衡保護(hù)未能及時(shí)切除該分支,導(dǎo)致a相電容器內(nèi)部進(jìn)一步擊穿;電容器成套柜內(nèi)設(shè)置的噴射式熔斷器2FUa在熔斷時(shí)噴射,使單相故障進(jìn)一步擴(kuò)大為了三相短路故障。組織方面的間接原因?yàn)?成套柜在送電前,未按相關(guān)規(guī)程的要求確認(rèn)一、二次回路的完整性及繼電保護(hù)的設(shè)置是否正確;在運(yùn)行過程中,運(yùn)行維護(hù)人員巡檢不到位,未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)單相接地故障及成套柜內(nèi)的發(fā)熱隱患。

3 故障處理

故障原因分析完成后,采取了如下方式對故障進(jìn)行了處理:對成套柜內(nèi)損壞的電抗器、電容器更換為同規(guī)格型號(hào)的新產(chǎn)品;將成套柜內(nèi)所有噴射式熔斷器均更換為限流式熔斷器[2];一次耐壓試壓完后,對全部一、二次回路接線柱和端子重新緊固一遍;按設(shè)計(jì)要求將繼電保護(hù)定值輸入各分支的繼電保護(hù)裝置內(nèi),進(jìn)行保護(hù)傳動(dòng)試驗(yàn)。所有試驗(yàn)合格后,重新對成套柜驗(yàn)收送電,送電后運(yùn)行正常。

4 相關(guān)的防范措施

防范措施包括:① 嚴(yán)格按照GB/T 11024.3—2019要求,在成套柜采購訂貨過程中,若采用真空接觸器進(jìn)行投切電容器,則要求成套廠商使用限流式熔斷器,不應(yīng)在柜內(nèi)使用噴射式熔斷器;若采用真空斷路器進(jìn)行投切,則電容器應(yīng)采用內(nèi)熔絲進(jìn)行保護(hù),成套柜內(nèi)的所有元件按滿足系統(tǒng)動(dòng)、熱穩(wěn)定的要求來配置;② 耐壓試驗(yàn)完成后,在恢復(fù)一次接線的過程中做好相關(guān)接線的緊固工作;繼電保護(hù)調(diào)試后,確保相關(guān)的繼電保護(hù)功能投用;③ 有條件的地方,宜在每臺(tái)成套柜內(nèi)設(shè)置在線測溫裝置,加強(qiáng)電容器、電抗器及內(nèi)部接線的溫度監(jiān)測;④ 對消弧線圈接地系統(tǒng),做好消弧線圈控制器與小電流選線裝置之間的配合,如小電流選線裝置利用消弧線圈補(bǔ)償后的殘余電流的有功分量或高次諧波,以提高選線準(zhǔn)確率[7],方便在發(fā)生單相接地故障時(shí),運(yùn)行值班人員能較快找出故障點(diǎn)。

組織措施為加強(qiáng)設(shè)備投運(yùn)前的一、二次回路、繼電保護(hù)裝置的檢查和確認(rèn),但在運(yùn)行過程中加強(qiáng)巡檢,及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患和缺陷。