事故原因分析：變壓器爆炸釀慘禍

文/ 中國水科院 中國大壩協(xié)會 編輯/時香麗

事故發(fā)生前的薩彥－舒申斯克水電站 攝影/CFP

俄羅斯薩彥－舒申斯克水電站事故受到世界廣泛關注，影響重大。中國大壩協(xié)會在事故發(fā)生后，陸續(xù)收到了來自各方的質疑和不同的信息。為澄清事實，以正視聽，中國大壩協(xié)會收集整理了有關資料，但由于俄羅斯方未對事故做出正式的、官方的報告，也未能找到權威的俄羅斯專家就事故進行探討，所以本文的分析仍是初步的。

薩彥-舒申斯克水電站位于葉尼塞河上游，混凝土重力拱壩最大壩高245米，水庫庫容313億立方米，壩后式廠房內安裝10臺單機64萬千瓦的水輪發(fā)電機組，總裝機640萬千瓦，多年平均發(fā)電量235億千瓦時。該工程于1968年開工，首臺機組于1978年投運，為提前收到效益，當時采用60米低水頭的臨時機組，出力僅為15.5萬千瓦，邊澆筑大壩邊發(fā)電。1987年全部機組投入正常運行，成為當時僅次于伊泰普電站（總裝機20×70萬）的世界第二大水電站。

水電站壓力鋼管為壩后背管式，直徑7.5米。額定水頭194米，額定流量358立方米/秒。轉輪直徑6.77米，額定轉速142.8轉/min。最大水頭212米，最大出力73.5萬千瓦。發(fā)電機額定電壓15.75kV，最大容量736MVA，定子采用水內冷，發(fā)電機轉子重935噸。

主接線采用擴大單元接線，每2臺64萬千瓦機組與1組160萬kVA的單相變壓器組相聯(lián)，每臺單相變壓器的容量為53.3萬kVA，位于廠壩間，升壓至500kV送出。

一般認為，薩彥-舒申斯克水電站事故是變壓器維修時爆炸引起的。變壓器發(fā)生爆炸通常是內部絕緣破壞，其原因大致有以下幾方面：

變壓器近端發(fā)生短路故障，短路電流所產生的電動力使變壓器受到破壞，故障進一步發(fā)展形成爆炸。類似事故在變壓器型式試驗的短時電流試驗中屢見不鮮。薩彥－舒申斯克水電站采用三個單相變壓器組的結構，減小了內部短路的幾率，但一旦發(fā)生對地短路將會產生很大的電動力。

變壓器本身存在絕緣老化，在日常運行中沒有及時處理，積累到一定程度導致變壓器絕緣損壞；另水電站的環(huán)境條件比較差，變壓器的絕緣油容易受潮，致使擊穿強度降低，當遇到過電壓故障時發(fā)生絕緣擊穿，可以使變壓器線圈損壞、燒毀并引起爆炸。電力設備設計壽命通常是30年，薩彥－舒申斯克水電站從首臺機組1978年投運至今已運行40余年，如變壓器一直未更換過，則運行時間早已超過其設計壽命，發(fā)生此類故障的幾率較高。

變壓器的故障一般不會造成變壓器的爆炸，變壓器通常具有差動保護和瓦斯保護。差動保護是在變壓器輸入容量和輸出容量發(fā)生變化時的保護動作，開關跳閘；瓦斯保護是在變壓器內部壓力超標時的動作，切斷變壓器電源。早期設計的變壓器有防暴筒，變壓器絕緣擊穿短路后防暴筒動作，變壓器內部壓力釋放，外殼可能扭曲，但不應爆炸。變壓器爆炸，說明變壓器故障時間過長，可能是變壓器保護沒有及時動作，開關沒有及時斷開，變壓器內部因絕緣擊穿而短路，短路電流引起變壓器內部壓力驟升，防暴筒來不及釋放，引起爆炸。

攝影/ChinaFotoPress/CFP

當變壓器爆炸后，機組失去負荷，轉速快速上升。為保護機組不至因為飛逸而破壞，水輪機調速器會自動關閉導葉。如導葉關閉太快，會使導葉前壓力快速上升。根據(jù)電站基本參數(shù)估算，其壓力鋼管長度約為450m，壓力波在水中傳遞速度約為900m/s，壓力波由機組傳至水庫需0.5s。當機組在滿負荷運行時，導葉內流速在25m/s左右。如導葉全關閉時間為5s，水擊壓力約為230m水頭，如在額定水頭194m工作，總壓力超過400m水頭，作用在導葉前圓環(huán)上的壓力可能高達5000～8000噸，這種水壓作用完全可能沖破水輪機頂蓋，進而掀翻機組。

然而，在水電站設計中，發(fā)電機組甩負荷應該是設計時必須考慮到的運行工況之一，不應該因甩負荷而造成如此大的損失。事故發(fā)生可能是調速器導葉關閉規(guī)律設置不合理，也可能是調速器或油壓裝置出現(xiàn)故障。此外，也不排除變壓器爆炸損壞了空壓機和油壓裝置，導葉在自關閉水力矩作用下自動關閉。

我國近十幾年對水電站進行大規(guī)模的技術改造，大中型水電站基本上都采用了自動化水平更高也更安全的調速器。只要高度重視安全問題，注意保持設備的完好率，特別是對一些關鍵設備定期進行檢查維修，應該完全可以避免類似事故的發(fā)生。

當前，國際上報導對于事故原因還有如下猜測：1、因異物進入水輪機組，導致導葉緊急關閉，從而發(fā)生水錘；2、變壓器爆炸傷及壓力鋼管或蝸殼，導致高壓水涌出；3、水錘發(fā)生導致變壓器爆炸。