應急保電車故障引起的保電事故原因分析

張佳鑫,鄭雄偉,田 霖,伊曉宇,宋伊娜

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021;2.河北工業大學,天津 300131)

0 引言

重要會議、重大賽事等對供電可靠性要求高的場合,一般會增設臨時應急保電車提高供電可靠性[1-2],本文針對一起由應急保電車故障引起的保電事故,基于保電車事故記錄、維修情況、現場勘察,以及故障元件放電部位、燒蝕嚴重程度、弧光發展情況,開展了理論推導和試驗驗證相結合的分析方法,得出引發此次事故的原因,進而提出應急保電車的使用建議,使其適應高可靠性運行要求。

1 應急保電車工作模式

應急保電車有2臺同型號UPS主機并聯組成,電氣示意如圖1所示。UPS主機共有3種工作模式[3-5]:在線模式,市電通過整流器整流,再經逆變器逆變,經靜態開關后,輸出給負載;經濟模式,市電經過自動旁路,再經過靜態開關后,輸出給負載;手動旁路模式,市電經手動旁路后,輸出給負載。Q1、Q2、Q3、Q4均為隔離開關,其與出口熔斷器配合使用,開關型號為S5-06303PR0(AC23),其中AC23代表使用的是同類別開關中的最高級別,額定工頻耐壓1 k V,額定操作沖擊耐壓12 k V。

2 停電事件概述

正式保電工作開始前預備會議期間,用戶要求立即切換至保電運行模式。應急保電車現場操作人員查看當時總負載為200 k W,按照設備操作步驟要求進行至2號UPS某一開關操作后,設備出現“嘭”的異常聲音,同時輸入輸出儀表黑屏,經查為保電車上一級供電配電室開關跳閘,供電中斷。此次停電事故從斷電到恢復共37 min,最后由配電室進行試送電,通過電源車1號UPS主機手動旁路給負載供電,負載恢復供電且一直正常工作到所有會議結束。停電事件時間段導出的UPS事件記錄如圖2所示。

圖1 應急保電車電氣示意

圖2 UPS事件記錄

根據事件記錄可以看出:

(1)1號UPS依次完成了手動旁路Q3閉合、自動旁路Q2閉合、Q4輸出開關閉合,于14:33:56檢測到電壓和頻率異常;

(2)2號UPS依次完成了手動旁路Q3閉合、自動旁路Q2閉合、Q4輸出開關閉合,最后一次動作時間為14:33:11,比1號UPS記錄少了45 s。按照記錄中連續操作的時間間隔看,每一動作的時間在10~20 s,45 s可以操作下一動作。事后根據電話信息調查確認,當時確實有Q3開關操作的情況,與UPS的導出記錄相符。

3 事故原因分析

3.1 現場踏勘排查

通過對保電車進行現場踏勘,重點對主要受損元件空間布置及電氣連接進行現場查看。

(1)拆卸現場沒有發現明顯的異物痕跡或二次繞組松動。

(2)從現場UPS事件記錄看停電前沒有誤操作啟動在線模式的可能,因為在線模式的啟動仍需要UPS控制面板的操作。

(3)自動旁路投入,在線模式尚未投入,靜態開關無異常。

(4)靜態開關是IGBT控制,不存在反向送電可能。

(5)事故發生時2號UPS車輸入、輸出斷路器均沒有動作。

根據現場踏勘情況繪制此次主要受損元件的空間位置及部分電氣連接示意如圖3所示。

圖3 保電車主要受損元件空間位置及部分電氣連接

3.2 試驗分析

為查找確定事故原因,結合保電車現場踏勘情況,在現場對絕緣電阻、操作過電壓進行了測試。

3.2.1 絕緣電阻測試

3.2.1 .1 試驗過程

在UPS內部靜態開關、整流逆變單元、浪涌保護器、鋰電池組等模塊進行隔離保護的條件下,測試UPS車輸入、輸出端的絕緣電阻。但試驗中加壓緩慢,呈現加壓異常,經分析可能是保電車內部電子器件眾多,涉及電路圖中未顯示的較多容性濾波元件。由于事故點在Q3、Q4開關處,經與廠家溝通決定拆卸Q4開關面板,并于該處接入500 V絕緣搖表,直接測得Q3-Q4間的相間、相地絕緣電阻。2號UPS與正常保電車均采用此絕緣測試方法,并在此基礎上進行結果對比,絕緣電阻均采用絕緣搖表60 s時的結果。

3.2.1 .2 試驗結果

2號UPS相間、相地絕緣電阻分別為0.4 MΩ、2.52 MΩ。正常保電車UPS相間、相地絕緣電阻分別為0.4 MΩ、2.55 MΩ。

3.2.2 操作過電壓測試

Q1、Q2、Q3、Q4均為隔離開關,不具備滅弧能力,可以切斷正常負荷電流,其與出口端的熔斷器配合使用,試驗時采用2個均為30 MW的純阻性負載。

3.2.2 .1 試驗過程

試驗用示波器通過2個10∶1分壓器接入兩相試驗電壓信號,接入點在負載入口前,示波器采樣頻率為100 kS/s,試驗中按1號、2號UPS操作流程共計進行斷開Q3操作3次。第1次啟動中保電車進行手動旁路、自動旁路、在線模式的3條回路全啟動,第2次和第3次試驗進行了從手動旁路至自動旁路后切Q3的操作。操作過程中UPS未見拉弧現象,示波器未監測到過電壓,Q3分開,操作中未有電壓波動。

3.2.2 .2 試驗結果

經試驗,1號、2號UPS試驗電壓結果對比一致,均不存在過電壓。

3.2.3 試驗結論

絕緣電阻測試結果顯示,2號UPS Q3-Q4間相間、相地絕緣電阻分別為0.4 MΩ、2.52 MΩ,與正常保電車Q3-Q4間相間、相地絕緣電阻基本一致,相比而言相間更易發生短路故障。

經多次UPS啟動開關分合試驗,UPS投切過程運行平穩,未監測到過電壓現象,保電事故中,自動旁路狀態斷開Q3開關均未出現異常。

3.3 理論分析

3.3.1 繼電保護設置問題

如果2號UPS能夠及時跳閘,則1號UPS仍能夠正常供電,不會發生停電事故。經供電公司進一步核實配電室保護設定值為電流2.4 k A、動作時間50 ms,而保電車的保護設置為整定電流8 k A、動作時間50 ms反時限設置模式。因此,確認繼電保護設置不合理是此次事故的直接原因[6]。

3.3.2 UPS未自動轉入鋰電池組供電模式問題

2臺UPS從手動旁路模式轉入在線模式,尚處在轉換過程中,此時2臺UPS的逆變器均未啟動,1號UPS也無法轉入電池模式工作。

3.3.3 開關分閘操作或輸出濾波元件擊穿問題

電力系統中分閘容性或感性負載會引起振蕩過程,造成幅值很高的電壓,稱之為操作過電壓,其頻率約幾十到幾千Hz,峰值最高可達3~4倍最大相電壓。但事故發生時,斷開Q3操作,仍有2號UPS的自動旁路、1號UPS的手動旁路和自動旁路共計3回連通負載,因此負載即便是容性或感性設備,在始終投入的情況下,也不會存在操作過電壓[7]。

棒棒間隙平均擊穿場強約為3.8 k V/cm(有效值),棒板間隙的平均擊穿場強約為3.35 k V/cm(有效值)。棒棒及棒板空氣間隙的工頻擊穿電壓和間隙距離關系曲線[8]可知,在均勻電場及稍不均勻電場中,氣體間隙的操作50%擊穿電壓與工頻擊穿電壓(峰值)實際上相同,擊穿電壓的分散性較小,擊穿電壓發生在峰值。1.5 cm工頻擊穿電壓最低為5.0 k V(有效值),約為相間電壓有效值(380 V)的13倍,50%擊穿電壓為相間電壓峰值,最低為5.0k V,約為最大相間電壓峰值(380V)的13倍。

輸出的濾波電容元件一般是并聯接入系統起到濾波作用,其擊穿后類似于一根導線,不會引起過大的系統電壓振蕩。

綜上可知,開關分閘操作或者輸出濾波元件擊穿不是產生過電壓,進而引起相間短路及弧光飛濺的原因。

3.3.4 直流熔斷器短路引起Q3、Q4相間短路問題

檢查顯示鋰電池完好無損,因鋰電池及熔斷器出口側短路,引起直流部分熔斷器短路。短路發生后,熔斷器斷開,短路點消失,鋰電池完好。直流熔斷器的空間布置為Q3、Q4相間銅排短路的右上方,直流熔斷器螺栓下口靠近Q3、Q4處并無熏黑,熏黑處僅為位于其螺栓的上部,因此,直流熔斷器的短路不會引起Q3、Q4相間短路。

3.3.5 第一事故點分析

電池啟動板是控制電路,采樣板是二次回路,二者損壞不可能引起系統相間短路;從熔斷器熏染現象分析,得到電池熔斷器不會引起Q3、Q4相間短路;自動旁路濾波板及輸出濾波板并聯于電路中,其燒損擊穿也不會引起相間短路故障;剩下只能是Q3、Q4銅排相間絕緣問題引起空氣間隙擊穿,進而引起相間短路的可能,Q3、Q4末端并聯,一個元件發生相間短路會引起另一個相間短路放電。

由于采樣板與Q4上口銅排的三相直接相連進行電壓采樣。在Q4的U型銅排相間短路后傳遞到采樣板,導致采樣板對其安裝底板放電。短路弧光引起采樣板上與電池啟動板連接的142號接口短路,電池啟動板上的142號接口與電池直接相連,導致電池正負極短路、熔斷器熔斷。而電池啟動板與電池相連部分的接口有尖端,短路過電壓導致連接端子的尖端對旁邊的散熱鋁片放電。自動濾波旁路與系統并聯,系統相間短路,濾波元件進而發生極間擊穿放電。

3.4 原因確定

停電的直接原因:保電車UPS自帶輸入斷路器(8 k A,0.05 s)與配電室出口開關保護(2.4 k A,0.05 s)級差配合不合理,造成越級跳閘。

停電的根本原因:開關出口銅排相間絕緣問題引發的相間短路,進而造成短路放電、飛弧噴濺,從而引起配電室的開關跳閘,負載斷電。從事后絕緣測試結果看,相間絕緣在事故后已恢復至正常狀態,因無第一現場直接證據,無法確定是否異物等引起相間短路。

4 處理措施及效果

10月25日9時30分,UPS主機廠家工程師帶備件到現場維修,更換受損備件20件,包括2塊濾波板(1塊自動旁路輸入濾波板、1塊輸出濾波板),9顆熔斷器(3顆損壞、6顆只是外觀熏黑),1塊采樣板,1塊電池啟動板,7塊散熱U型銅排。維修完成后設備開機,一次成功,空載和帶載(60 k W)測試主機均無異常,電源車主機系統維修測試完成。此外還對開關出口銅排相間絕緣進行了絕緣化。該保電車經處理后,在后續的保電中未發生過異常。

5 結論及建議

保電車繼電保護設置不合理是此次事故的直接原因,事故的根本原因為開關出口銅排相間絕緣問題引發的相間短路,進而造成短路放電、飛弧噴濺,從而引起配電室的開關跳閘,負載斷電。

因此,對于高可靠性保電場合,在今后應急保電車使用中,建議采取以下措施:

(1)保電前確認配電室保護設置,設置保電車UPS合理的保護定值,確保上下級差配合;

(2)保電正式開始前,需要預留足夠的時間,進行設備狀態的檢查,以及設備工作模式的調整;

(3)對相間距離小、絕緣裸漏的銅排進行絕緣包覆,防止異物或其他原因引起相間短路問題。