燃機電廠主變有載調壓分接開關故障停機分析研究

華電福新廣州能源有限公司 王穎明 華電電力科學研究院有限公司 梁 晶 劉國棟 鄭 健

隨著國家對環境保護要求的日益提高，發展清潔、高效的能源利用方式成為我國能源轉型的必然方向[1]。在此大背景下燃機電廠的作用越來越凸顯，確保燃機電廠安全、穩定運行則顯得尤為重要。燃機電廠具有清潔、高效等優點，正在逐步成為我國能源領域重要的一環[2]。燃機電廠主變設備對于電廠尤為重要，在實際運行中主變系統的安全穩定對整個燃機電廠具有重要的現實意義。

某燃機電廠配置三臺套“一拖一”燃氣-蒸汽聯合循環機組，其中抽凝機組2臺，背壓機組1臺，全廠配置3臺220kV主變壓器。主設備情況：燃氣發電機與汽輪發電機均為空冷發電機、采用無刷勵磁系統，主變壓器采用三相式、自然油循環自冷、雙線圈銅繞組有載調壓、分體式變壓器，GIS為220kV、SF6氣體絕緣金屬封閉組合電器，二次設備包括發電機、主變、電抗器、線路保護、計量、遠動、通訊、直流（UPS）系統、自動化裝置等二次設備；機組主接線：1號燃機與2號汽輪機引接到1號主變并網，3號燃機與4號汽輪機引接到2號主變并網，5號燃機與6號汽輪機引接到3號主變并網。

1 情況分析

1.1 事件經過

當日狀態：1號、2號、3號、4號發電機正常運行，機組負荷120MW，5號、6號背壓機組熱備用狀態，其中1號、2號主變120MW負載運行；3號主變空載熱備用運行，1號主變中性點接地運行，2號、3號主變中性點不接地運行。當日20：54，II線2212開關跳閘，隨后2號、3號主變有載開關重瓦斯保護動作，3號、4號發電機組跳閘，甩負荷60MW。現場檢查發現2號、3號主變的有載調壓分接開關壓力釋放動作并出現泄油情況。

1.2 檢查情況

主變檢查情況。進入2號主變油箱內部檢查器，發現A、C二相高壓繞組有明顯的變形情況，有載調壓分接開關芯體a、b相間隙燒毀、限流電阻燒毀，有載調壓分接開關油室底部有損壞。進入3號主變油箱內部檢查，未發現A、B、C三相高壓繞組有明顯變形、竄動、松動情況。繞組兩端整齊不竄動、無松動情況，分接線與有載連接端子牢固。

變壓器油主要成分的色譜分析。故障發生后分別對2、3號主變本體變壓器油進行取樣化驗，根據DL/T 722-2014變壓器油中溶解氣體分析和判斷導則中的三比值法，判斷為電弧放電。分析認為，有載調壓分接開關放電電弧較強，有一部分乙炔混入變壓器主體，造成本體油的總烴含量增加。

主變故障后常規試驗。對3號和4號主變低壓側的封母進行檢查，未見異常。對變壓器封母進行絕緣電阻測試合格。2號、3號主變故障后常規試驗各項結果合格。

線路及主變保護檢查情況。II線2212跳閘保護信號為“保護啟動、B相縱聯差動保護動作、重合閘動作、ABC相縱聯差動保護動作”，測距保護顯示故障點在II線距離廠外13公里處；2號主變跳閘保護信號為“2號主變有載調壓重瓦斯”；3號主變跳閘保護信號為“3號主變有載調壓重瓦斯”；3號、4號發電機跳閘原因是2號主變保護動作。1號主變帶1號燃機發電機和2號汽機發電機組60MW負荷送出I線運行正常。

錄波器檢查情況。對線路和2臺機組錄波器的相關信息進行了查看，電網220kV線路B相和110kV線路B相同時發生接地故障，57ms后110kV線路C相接地。經了解電網220kV和110kV同塔架設，當天氣候為雷雨大風同期，分析認為惡劣天氣引起外部線路接地故障。

開關控制回路檢查。遠方、就地、保護傳動、控制臺按鈕等操作滅磁開關分合閘，滅磁開關動作正確。傳動檢查內容包括：發變組保護傳動試驗正確無異常；非電量保護傳動試驗正確無異常；手動跳、合試驗未見異常；操作按鈕分閘試驗及傳動正常。

主控室操作回路檢查。對3號機組燃機發電機開關操作系統、保護端子、操作回路進行檢查，無異常現象。對4號機組汽機發電機開關操作系統、保護端子、操作回路進行檢查，無異常現象。

勵磁系統及一次設備檢查。對3號和4號機組勵磁調節器至發電機轉子間母線進行絕緣電阻測試，絕緣阻值無異常；對勵磁機進行絕緣電阻測試，勵磁機絕緣阻值無異常；對勵磁調節器、滅磁開關進行檢查未見異常。

發電機定子和轉子檢查。對3號和4號發電機定子、轉子進行絕緣電阻測試，發電機定子、轉子絕緣電阻合格。

1.3 原因分析

通過調取故障錄波器錄波波形、繼電保護動作情況，清晰指明事故的方向是線路發生單相接地形成暫態過電壓，造成有載調壓分接開關的間隙動作放電并發展成故障。

1.3.1 變壓器中性點電壓值分析

根據電廠故障錄波器采集到的2號、3號主變3U0電壓波形發現：II線B相單相接地故障持續60ms，3U0在起始位置存在明顯的高頻振蕩，最大峰值分別達到621.6kV、475.9kV，頻率為3333Hz，持續3.9ms后開始衰減，這屬于高頻過電壓，是由于PT飽和時過磁通的諧波干擾形成的，這個尖峰測量值不能反應真實情況，不予采信[3]。高頻電壓衰減后的電壓為工頻零序電壓，持續時間為56.1ms，兩臺主變工頻零序電壓幅值分別是131kV、129kV，這個數值是真實可信的。

1.3.2 變壓器中性點保護間隙動作原因

2號和3號主變中性點為不接地運行狀態，通過并聯中性點的避雷器和放電保護間隙共同完成過電壓保護功能。保護間隙的空氣距離為268mm，工頻放電電壓為3.8kV/cm×26.8cm=102kV，避雷器避的額定電壓144kV，短時工頻耐受電壓為200kV，殘壓320kV。兩臺主變中性點和高壓側避雷器的動作記錄儀顯示數值均為零，說明避雷器未動作，通過現場錄像回放發現兩臺主變中性點的放電保護間隙有放電現象，說明在變壓器中性點過電壓侵入時刻保護間隙先于避雷器動作。原因是故障時刻的中性點工頻零序電壓大于102kV、小于200kV，所以變壓器中性點保護間隙動作而避雷器未動作。

1.3.3 有載調壓分接開關間隙燒損原因

有載調壓分接開關間隙燒損是由于其間隙放電回路（其作用是保護級間過電壓）接至變壓器中性點，由于2號、3號主變壓器中性點運行方式為不直接（經放電間隙）接地運行，因而導致分接開關間隙懸浮，有載調壓分接開關間隙放電回路未能有效形成。開關間隙保護工頻電壓動作值20kV，變壓器中性點間隙保護電壓動作值（沖擊電壓或暫態電壓）102kV。當系統發生單相接地后變壓器中性點電位升高，分接開關間隙保護動作但放電回路不通，因而過電壓能量無法釋放，有載調壓分接開關內間隙放電，同時間隙對均壓環也放電，導致有載調壓分接開關間隙燒損。

2 結語

燃機電廠在分布式能源領域應用廣泛[4]，本文暴露出主變相關產品設計制造缺陷，有載調壓分接開關放電間隙借用變壓器中性點為能量釋放通道，當變壓器中性點采用不接地運行方式時間隙處于懸浮狀態，發生過電壓時能量無釋放路徑；產品無突發短路試驗報告，未查到相關的短路驗算報告和有載調壓分接開關的電壓梯度驗算和仿真的相關參數驗證結果。

產品出廠試驗項目不全，變壓器出廠報告中未查到中性點400kV全波沖擊和400kV截波沖擊報告。警示燃機電廠在具備條件時，對有載開關油室進行改造，增加取樣口；安排相關人員進行核算或改造工作，確保有載調壓分接開關在中性點不接地運行方式下安全穩定運行，防止發生類似事件。隨著燃機電廠在我國的應用越來越廣泛，暴露出的問題也會越來越多，需要相關從業人員細致分析，舉一反三，不斷開展新的研究與分析。