變電所大修中低壓母線三相短路故障分析

劉永春

(廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 廈門 363105)

0 引言

變電所通常是企業(yè)或者生產(chǎn)裝置電力負荷分配控制的中心，變電所設(shè)備主要包括高低壓開關(guān)柜、電力變壓器等。南方某特大型石化企業(yè)苯乙烯裝置變電所大修主要包括高低壓開關(guān)柜的更換、繼電保護的整組試驗以及大修后正式送電試運行等內(nèi)容。變電所大修具有時間短，開關(guān)設(shè)備的拆卸、安裝任務(wù)重的特點，安全環(huán)節(jié)多，完成大修項目要比新建項目更復(fù)雜、危險更大；同時，大修涉及部門多，且受到人員素質(zhì)、作業(yè)環(huán)境及施工進度等諸多因素的影響，安全管理難度大，稍有不慎，就可能出現(xiàn)安全紕漏，引發(fā)安全事故。

1 苯乙烯裝置變電所大修

該企業(yè)苯乙烯裝置變電所是一座靠近裝置區(qū)的2層小樓，1樓是電纜室，2樓是開關(guān)設(shè)備。變電所原安裝有12臺6 kV高壓開關(guān)柜和30多臺380 V低壓開關(guān)柜，這些開關(guān)設(shè)備是1995年連同生產(chǎn)裝置一起從意大利整體引進的。在設(shè)備航運過程中，由于受到海水浸蝕，許多電氣控制元件氧化嚴重，加上十多年的運行，設(shè)備暴露出很多問題，對苯乙烯裝置的安全、穩(wěn)定生產(chǎn)都產(chǎn)生了比較大的影響。為此，在苯乙烯裝置大檢修期間，該企業(yè)決定對變電所的高、低壓開關(guān)設(shè)備進行全面的大修、更換和改造。

在12臺高壓開關(guān)柜中，有2臺6 kV/380 V的變壓器配電柜。變壓器(從意大利引進)容量均為2 000 kVA，一/二次的額定電流分別為183/2 886 A。變壓器高壓側(cè)各由高壓開關(guān)柜通過高壓電纜與6 kV母線Ⅰ，II段相連，低壓側(cè)各通過銅質(zhì)母線排與低壓進線柜進線開關(guān)相連，低壓開關(guān)所帶2段低壓母線Ⅰ，II之間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)。可見，變壓器兩側(cè)開關(guān)設(shè)備的更換不僅涉及高壓開關(guān)柜，也涉及低壓開關(guān)柜、低壓側(cè)配電母線排的拆裝。不難看出，這種檢修改造難度比較大。

大修開始后，由于2臺變壓器原有的低壓配電母線排接口與新的低壓開關(guān)柜連接部分并不配套，需要拆除，所以施工單位先將低壓柜頂部到變電所穿墻部分原有的一段母線排拆除，并根據(jù)母線與低壓進線柜入口處的相序排列，在拆開部位的母線端口上從右到左清楚標(biāo)注N，A，A，A，B，B，B和C，C，C的辨識字樣。可以看出，從變壓器出來的低壓母線排是由10根母排組成，其中零線N只有1根，而A，B，C三相各由3根母排并聯(lián)組成。拆除之后，就步入新設(shè)備的安裝以及調(diào)試階段。

苯乙烯變電所的新設(shè)備安裝就位后，經(jīng)過各項調(diào)試工作，具備試送電條件。在低壓母線拆除和安裝的過程中，苯乙烯變電所的電工班長、車間工程師、車間主任、機動科科長、企業(yè)的電氣老總等專業(yè)管理人員以及施工單位的專業(yè)技術(shù)人員等，先后在低壓進線柜的頂部對兩邊母線的連接相序一一都進行了核實和確認，并對變壓器的二次輸出端相序進行了核實和確認。經(jīng)過確認，待兩邊母線的相序與拆除時的標(biāo)注完全一致后，將變壓器二次低壓母線與新的低壓開關(guān)柜對應(yīng)母線一一連接到位。

2 變壓器試送電時發(fā)生三相短路故障

2.1 故障現(xiàn)象

大修工作接近尾聲，首次送電時，2臺6 kV高壓進線柜、2段高壓母線以及母線PT柜都一次送電成功，運行正常。但是，接下來給2臺變壓器柜送電時卻出現(xiàn)了問題。

送電前，臨時拆開2臺變壓器低壓側(cè)中性點接地點，并斷開2臺變壓器對應(yīng)的低壓母線Ⅰ，II聯(lián)絡(luò)開關(guān)，合上各自的低壓進線柜開關(guān)。檢測2臺變壓器6 kV高壓側(cè)對地的絕緣電阻以及高、低壓側(cè)間絕緣電阻，均為50 MΩ；檢測變壓器380 V低壓側(cè)連同出線母線排對地絕緣電阻值，均為0.5 MΩ。雖然低壓側(cè)的絕緣電阻偏低，但根據(jù)電氣專業(yè)的規(guī)程規(guī)定，0.5 MΩ也是符合規(guī)程要求的。

在第1次試送電時，2臺變壓器都發(fā)出差動保護動作信號，瞬時跳閘。根據(jù)這個情況，現(xiàn)場人員分析認為，可能是差動保護的整定值偏小，躲不過變壓器送電時的勵磁涌流。所以，將變壓器綜合保護整定值調(diào)出來進行核對，果然發(fā)現(xiàn)差動保護的整定值偏小。

隨后將整定值按要求調(diào)大，再對1號變壓器進行第2次試送電。當(dāng)變壓器的高壓開關(guān)剛剛合閘，現(xiàn)場人員看到1號變壓器高壓配電柜200 A和6 kV高壓1號進線柜800 A的電流表指針?biāo)查g都打到了頭，整個低壓Ⅰ段母線似乎與變電所的2樓樓板都發(fā)生了振動，并伴隨著強烈“嗡嗡”的交流聲，瞬間又來差動保護信號跳閘，之后恢復(fù)了平靜。

2.2 故障檢查

面對第2次送電后差動保護又動作跳閘的異常情況，現(xiàn)場人員感到蹊蹺?，F(xiàn)場送電總指揮根據(jù)第2次送電時6 kV 1號進線柜電流表指針的擺度情況，推斷1號變壓器高壓側(cè)的電流已經(jīng)遠遠超過1 000 A，這電流絕不是涌流過大的問題，而是一種短路故障，甚至可能是嚴重的三相短路故障。所以，總指揮排除繼續(xù)送試電意見，決定停止一切送電操作，將有關(guān)設(shè)備改檢修后，對變壓器的輸出配電環(huán)節(jié)進行全面檢查。

現(xiàn)場施工人員將變壓器的二次側(cè)與出口母線排全部拆開，并拆開二次側(cè)中性接地點；再從低壓進線柜入口處拆開與變壓器側(cè)配電母線排的連接，將變壓器的低壓配電母線排與變壓器、低壓開關(guān)柜完全分離。全面檢查相關(guān)各部分的絕緣電阻，確認變壓器高壓側(cè)對地、低壓側(cè)對地以及高、低壓側(cè)間絕緣正常，低壓開關(guān)柜內(nèi)絕緣亦正常，但發(fā)現(xiàn)低壓三相母線排相間絕緣電阻為0.5 MΩ。此阻值較低，按理不會引起三相短路，因此懷疑500 V絕緣搖表存在問題。經(jīng)校對，發(fā)現(xiàn)絕緣搖表回零值在0.5 MΩ的位置上，而不是在零位。校準(zhǔn)后，重新測定該母線排的三相相間絕緣，搖表指針指在零位上。由此認定，低壓母線排確實存在三相短路故障。

3 查找低壓母線排的短路故障

變壓器低壓配電母線排出現(xiàn)三相短路故障，現(xiàn)場人員對變壓器配電母線的結(jié)構(gòu)和接線方式進行進一步的分析。檢修前，變壓器低壓配電母線的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，圖1(a)是變壓器低壓母線排安裝結(jié)構(gòu)示意，圖1(b)是低壓母線排的展開及相序排列示意。其中，圖1(b)左側(cè)連接的是低壓進線開關(guān)柜，右側(cè)連接的是變壓器的二次輸出端。

圖1 檢修前的低壓配電母線排結(jié)構(gòu)示意

從圖1(b)可以看出，母線兩端的相序排列是完全一致的，在其兩端有1，2號轉(zhuǎn)換箱。

圖2是檢修時的低壓母線拆除位置及安裝后的母線排結(jié)構(gòu)示意，圖2(a)是大修安裝后的變壓器低壓母線排結(jié)構(gòu)示意，圖2(b)是安裝后的低壓母線排展開及相序排列示意。圖2(b)左側(cè)的相序排列順序是大修施工單位按照大修前的低壓進線開關(guān)柜與母線拆開之前的相序標(biāo)注，表面看起來與變壓器二次輸出的相序一致。

圖2 檢修拆除1號轉(zhuǎn)換箱后母線結(jié)構(gòu)示意

從圖2可以看出，大修時拆除了母線入口處的1號轉(zhuǎn)換箱，安裝時將低壓進線開關(guān)柜與母線從拆除處直接連在了一起。如果母線存在短路故障，那么短路點就在2號轉(zhuǎn)換箱里。

操作人員和施工單位一起檢查了1號轉(zhuǎn)換箱，發(fā)現(xiàn)里面母線接線錯綜復(fù)雜，A，B，C三相進行了交叉換位，這說明母線2號轉(zhuǎn)換箱也進行了交叉換位，經(jīng)過檢查果然如此。圖3就是母線帶有2個轉(zhuǎn)換箱時內(nèi)部的母線布局相序示意。

從圖3可以看出，母線兩端的相序都是N，A，A，A，B，B，B，C，C，C的排列，且A，B，C三相每相都有3條母線并列連接。但是，在2個轉(zhuǎn)換箱之間相序變成了N，A，B，C，A，B，C和A，B，C的排列。在圖3中，可以看到2個轉(zhuǎn)換箱的真正用意是母線排的交叉換位。國內(nèi)對母線排交叉換位比較少見，交叉換位可改善母線排的分布參數(shù)。

圖3 原母線內(nèi)部接線示意

拆除1號轉(zhuǎn)換箱后，施工單位按照拆除處所標(biāo)注的N，A，A，A，B，B，B和C，C，C的相序，將低壓進線開關(guān)柜與低壓母線排連在一起，但實際上接成N，A，B，C，A，B，C和A，B，C的交叉相序。拆除了1號轉(zhuǎn)換箱后，母線內(nèi)部的相序接線如圖4所示。

圖4 拆除后的母線內(nèi)部接線示意

從圖4可以看出，按照A，B，C的連接順序，9條母線分別與開關(guān)柜內(nèi)的A，B，C相短接了3處，變成三相短路接線方式，導(dǎo)致一送電就跳閘。Ⅰ段低壓母線采用這種接線方式，導(dǎo)致發(fā)生三相短路故障；Ⅱ段低壓母線也采用同樣的接線方式，其內(nèi)部發(fā)生三相短路故障，這是2號變壓器在第1次送電時跳閘的真正原因。

操作人員拆除了變壓器低壓配電母線排上的2號轉(zhuǎn)換箱，按照N，A，A，A，B，B，B，C，C，C的相序連接，用轉(zhuǎn)換箱中原有的銅母線重新接線，2臺變壓器很快送電成功。

4 故障原因分析

造成三相短路故障的原因很多，本次故障主要是“習(xí)慣性思維”惹的禍。

4.1 套用國內(nèi)變壓器母線的安裝方式

國內(nèi)變壓器低壓母線安裝方式是先按照A、B、C的相序集中排列(無換位)安裝，再對照原開關(guān)柜內(nèi)母線的接線順序，而施工單位在拆除原母線后就標(biāo)注了N，A，A，A，B，B，B，C，C，C的相序排列，并沒有考慮到國外變壓器配電母線連接方式的特殊性。

4.2 迷信領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員的檢查結(jié)果

在母線的拆卸、安裝、對接過程中，電工班長、電氣工程師、車間主任、機動科長、電氣負責(zé)人和施工單位的技術(shù)人員等都在現(xiàn)場進行檢查確認，未發(fā)現(xiàn)實際問題；事后也未對母線進行再檢查和再確認，造成問題一直未被及時發(fā)現(xiàn)。

4.3 完全信任施工單位

負責(zé)苯乙烯變電所大修的施工單位具有豐富的現(xiàn)場施工經(jīng)驗，技術(shù)質(zhì)量備受推崇，導(dǎo)致無人對其拆裝工作產(chǎn)生質(zhì)疑。同時，在這種“信任”的支配下，業(yè)主對于施工單位關(guān)鍵質(zhì)量控制點(如低壓母線排與變壓器和低壓開關(guān)柜連接前的相間絕緣電阻測量、兩端定相工作)疏于驗證，造成三相短路故障。

4.4 機械理解電氣規(guī)程

GB 26860—2011《電力安全工作規(guī)程 發(fā)電廠和變電站電氣部分》規(guī)定：“高壓電氣設(shè)備的絕緣電阻值不應(yīng)低于1 MΩ/kV；380 V低壓設(shè)備的絕緣電阻值不應(yīng)低于0.5 MΩ?！碑?dāng)時采用絕緣搖表的測量值為0.5 MΩ，在數(shù)值上符合規(guī)程規(guī)定的要求，導(dǎo)致無人質(zhì)疑為何絕緣值如此之低。

4.5 少做事好過多做事

由于時間緊、大修任務(wù)重，出現(xiàn)“多一事不如少一事”的心理。在整個檢修過程中，無人對母線上拆下來的1號轉(zhuǎn)換箱提出質(zhì)疑，更未將其打開查看，錯失了發(fā)現(xiàn)問題的機會。

5 經(jīng)驗累積

現(xiàn)場送電總指揮面對各種意見，頭腦清醒，當(dāng)機立斷停止一切送電操作，認真排查導(dǎo)致異?，F(xiàn)象的原因，成功處置了故障。

如果此時給2號變壓器試送電，那么2號變壓器低壓母線也會發(fā)生嚴重的三相短路事故。如果“先將1號變壓器的差動保護退出，再給1號變壓器試送電”，在失去主保護且后備保護拒動的情況下，強大的三相短路電流可能將2 000 kVA的變壓器擊穿，還可能造成全廠供電系統(tǒng)崩潰，甚至可能使全廠20多套化工生產(chǎn)裝置出現(xiàn)大范圍異常停產(chǎn)，進而引起全廠性的爆炸等慘重事故。

6 后續(xù)舉措

6.1 破除“習(xí)慣性思維”

低壓母線排出現(xiàn)三相短路的故障原因，主要是由“習(xí)慣性思維”引起的。在電氣大修工作中，一定要對“習(xí)慣性思維”提出質(zhì)疑，做到嚴謹、專業(yè)，全面了解和掌握電氣大修工作中的具體情況，尤其是涉及從國外引進的變壓器母線的大修改造項目。在母線拆卸前，必須搞清原母線的實際接線情況，做好詳細記錄，并與新母線接線進行對比分析，出現(xiàn)異常時必須一查到底。

6.2 制定完善的施工技術(shù)措施

(1) 在新低壓母線與兩側(cè)設(shè)備(變壓器、低壓柜)連接前，必須確認新母線相間及對地絕緣正常，并通過正確方法(不能目視)確認相位正確。測試絕緣表計要定期檢驗合格，防止虛假指示引起誤判。

(2) 由于2臺變壓器的高、低壓開關(guān)柜及低壓母線均作了更換，2段低壓母線Ⅰ，II之間的定相工作不能缺失。在消除三相短路錯誤接線后的送電過程中，應(yīng)檢測各低壓母線的電壓正常、相序正確；同時送電后，對聯(lián)絡(luò)開關(guān)兩側(cè)母線間進行定相，確認相位一致，以排除聯(lián)絡(luò)開關(guān)合閘時因兩側(cè)相位不一致引起的相間短路故障。