Anàlisi d'un accident d'explosió d'un transformador de tensió de 35 kV

Els transformadors de tensió (PTs) consten de nuclis de ferro i bobines d'enrotllament, funcionant de manera similar als transformadors però amb una capacitat reduïda. Converteixen la tensió alta en tensió baixa per a dispositius de protecció, mesura i comptatge, utilitzats àmpliament en plantes/estacions. Es classifiquen segons l'aislament: tipus sec (≤6 kV), tipus fons (<35 kV interiors), immergits en oli (exterior ≥35 kV), i omplerts de gas SF₆ (per a aparells combinats).

Durant l'operació de les subestacions, encara ocorren accidents deguts a la resonància electromagnètica dels PT o al envellicament de l'aislament. Per exemple, el març de 2015, un PT de línia d'entrada de 35 kV a una central tèrmica explotà degut al envellicament de l'aislament, causant un apagament de la barra I & II de 35 kV. Anàlisi després de la investigació in situ:

1. Mode d'Operació Abans de la Falla

L'estat del sistema de la planta abans de la falla es mostra a la Figura 1.

La subestació rep energia de dues línies d'entrada de 35 kV (línia Jingdian 390, línia Jingre 391). Els seus interruptors estan tancats, connectant-les a les barres I & II de 35 kV. Aquestes barres utilitzen un esquema de cableat de barra única seccionada. Les paraules de llamp protegeixen el costat de subministrament; no hi ha protecció de línia d'entrada al costat de la central tèrmica. Enllaços de subministrament:

• Barra I de 35 kV → transformador principal 3# → barra I de 10 kV.

• Barra II de 35 kV → transformador principal 4# → barra II de 10 kV.

• Les barres I & II de 10 kV funcionen en paral·lel.

2. Investigació In Situ i Retrospectiva de l'Accident

El personal d'operació i manteniment va trobar dos vestigis d'explosió:

• PT3 de la línia Jingdian 390 de 35 kV: Monitoritza les tensions de les fases A/B. L'explosió va trencar la part inferior, deixant marques de combustió.

• Interruptor d'entrada de la línia Jingdian 390 de 35 kV: La corrent de curtcircuí va causar l'explosió. Els polsos de cablagat van fondre's; els contactes/dedals van quedar brucats/deformats.

2.1 Anàlisi de Dades de Tensió de la Barra II de 35 kV

Es van recuperar les dades de registre de falla de la barra II de 35 kV per restaurar les ones de tensió, corrent i paràmetres elèctrics durant l'accident. L'anàlisi precisa de les dades traça l'evolució de la falla, proporcionant evidència clau per determinar la causa de l'accident.

2.2 Desenvolupament de la Falla i Anàlisi Elèctrica
(1)Distorsió de Tensió Previ a la Falla

• 19,6 ms abans de la falla: La barra II de 35 kV té tensions trifàsiques simètriques, amb una tensió de seqüència zero mínima → equipament normal.

• 13,6 ms abans de la falla: Les tensions de les fases A/B cauen a 49,0 V/43,1 V; la fase C salta a 71,8 V; la tensió de seqüència zero augmenta a 22,4 V → l'aislament del transformador de tensió s'ha deteriorat.

• 1,6 ms abans de la falla: Les tensions de les fases A/B cauen a 11,9 V/7,4 V; la fase C cau a 44,5 V; la tensió de seqüència zero arriba a 23,5 V → el deteriorament de l'aislament es va aggravant.

 (2)Ocurrència de la Falla i Resposta de la Protecció

Durant la falla: L'aislament de les fases A/B es trencà (curtcircuí a terra); la tensió de la fase C va caure. 3 ms després, les tensions trifàsiques tornaren a zero; el PT explota → s'ha determinat com un curtcircuí trifàsic a terra.

Conclusió: Les tensions de la barra abans de la falla eren normals (no hi havia tempesta/elèctric o mala operació → s'exclou la sobretensió de resonància). L'operació a llarg termini va causar el deteriorament de l'aislament del transformador de tensió → el deteriorament intern de l'aislament va provocar un curtcircuí interbobina → evolucionà en un trencament d'aislament trifàsic/curtcircuí → la línia va saltar.

(3)Configuració i Acció de la Protecció

Els interruptors de línia d'entrada (Jingdian 390, Jingre 391) no tenen protecció d'entrada. La central principal té proteccions amb configuracions idèntiques:

• Protecció diferencial: ajust de 5 A, operació a 0 s.

• Protecció ràpida limitada temporalment: ajust de 21,2 A, operació a 1,1 s.

• Protecció de sobrecorrent: cal anàlisi addicional (vegeu la Figura 2 per les dades de registre de corrent d'entrada, no proporcionades).

Després de la falla, les corrents en ambdues línies van pujar. Després de la transició, van arribar a l'estat estable:

• Línia Jingdian 390 de 35 kV: 14.116 A (corrent de falla primària estable);

• Línia Jingre 391 de 35 kV: 10.920 A (corrent de falla primària estable).

Operacions de protecció:

• Línia Jingdian 390 (costat de la central principal): La protecció diferencial va saltar 268 ms després de l'explosió. No s'ha aïllat la falla ja que les barres I & II de 35 kV estaven en bucle.

• Línia Jingre 391 (costat de la central principal): La protecció ràpida limitada temporalment va saltar 1.173 ms després de l'explosió, aïllant la falla.

3. Anàlisi de Causes i Mesures Preventives
3.1 Causas de l'Accident

El transformador de tensió totalment aïllat electromagnètic, posat en servei el 2008, no havia tingut manteniment ni proves elèctriques. L'operació a llarg termini va causar el fracàs intern de l'aislament. Causes principals:

• Defectes del Producte: Disseny defectuós → aïllament insuficient, vida útil curta.

• Contaminació Ambiental: Sòlit en les mànigues de porcellana → disminució brusca de la resistència a l'aislament en temporades de pluja, flashovers, i deteriorament a llarg termini de l'aislament.

• Deteriorament de l'oli aïllant: Pobres condicions de tancament → ingressos d'humitat, distorsió del camp elèctric, reducció de la tensió de resistència i propietats dielèctriques de l'oli.

• Envellicament i Impacts Externs: Envellicament tèrmic (condicions ambientals, ús a llarg termini); envellicament mecànic (sobretensions de commutació, corrents de curtcircuí que danysen l'aislament).

3.2 Proves de Dany a l'Aislament

Les proves regulars de resistència a l'aislament preven faltes:

• Bobina Primària: Utilitzar un metre de 2.500 V durant la recepta/revision → resistència a l'aislament ≥ 3.000 MΩ. En les proves preventives, la disminució de la resistència ≤ 50% del valor inicial.

• Bobina Secundària: Utilitzar un metre de 1.000 V durant la recepta/revision → resistència a l'aislament ≤ 10 MΩ.

3.3 Falta Comuna: Sobretensió de Resonància
Condicions d'Ocurrencia :

• Els transformadors de tensió electromagnètics són inductors no lineals. L'increment de la corrent d'excitació provoca saturació ferromagnètica → disminució de la inductància (causa principal de la resonància).

• La resonància requereix capacitància/inductància ben emparellades (reactància inductiva ≤ 100× reactància capacitiva).

• Condicions de disparador: commutació de barra sense càrrega, eliminació súbita de falla a terra, tempesta/elèctric, sobretensió de commutació, etc.

Prevensió: Connectar els neutrals dels transformadors de tensió a terra mitjançant eliminadors harmònics + resistors petits; instal·lar dispositius d'eliminació harmònica a les deltas obertes dels transformadors de tensió de barra.

4. Conclusió

L'envellicament de l'aislament dels transformadors de tensió provoca trencaments i apagalls de barra, comuns en les xarxes. Seguir estrictament les regulacions de proves preventives, provar/reemplaçar l'equipament no qualificat. En aquest accident, les línies d'entrada sense protecció de la central tèrmica i el fracàs del commutador de barra 35 kV #1 van ampliar la falla. Comprovar regularment la configuració i fiabilitat de la protecció. L'anàlisi de l'accident ajuda a identificar ràpidament els problemes, prendre accions dirigides, reduir els riscos de falla i augmentar la fiabilitat de la subestació.