Analýza výbuchového nehody 35 kV transformátoru napětí

Napěťové transformátory (PT) se skládají z železných jáder a cívek, fungují podobně jako transformátory, ale s menší kapacitou. Převádějí vysoké napětí na nízké napětí pro ochranné, měřicí a odpočítávací zařízení a jsou široce používány v elektrárnách/stanicích. Dle izolace jsou klasifikovány: suchý typ (≤6 kV), lehlý typ (vnitřní 3-35 kV), olejově zalité (venkovní ≥35 kV) a plněné plynem SF₆ (pro kombinované přístroje).

Během provozu stanic stále dochází k nehodám způsobeným elektromagnetickou rezonancí nebo stárnutím izolace PT. Například v březnu 2015 došlo k explozi 35 kV příchozího PT v tepelné elektrárně kvůli stárnutí izolace, což způsobilo výpadky 35 kV sběrnice I a II. Analýza po provedení místního průzkumu:

1 Provozní režim před výpadkem

Stav systému elektrárny před výpadkem je znázorněn na obrázku 1.

Stanice získává energii ze dvou 35 kV příchozích linek (Jingdian 390, Jingre 391). Jejich spínače jsou zapojeny a propojují se se sběrnicemi 35 kV část I a II. Tyto sběrnice používají jednoduché sběrnici s oddělením. Protichlapy chrání stranu dodávky energie; na straně tepelné elektrárny neexistuje ochrana příchozích linek. Propojení dodávky energie:

• Sběrnice 35 kV část I → hlavní transformátor 3# → sběrnice 10 kV část I.

• Sběrnice 35 kV část II → hlavní transformátor 4# → sběrnice 10 kV část II.

• Sběrnice 10 kV část I a II běží paralelně.

2 Místní průzkum a retrospektiva nehody

Pracovníci operace a údržby zjistili dva stopy exploze:

• 35 kV linka Jingdian 390 - strana PT3: Sleduje fázové napětí A/B. Exploze prorazila jeho spodek a zanechala hořící stopy.

• Příchozí spínač 35 kV linky Jingdian 390: Krátkodobý proud způsobil explozi. Hlavice kabelu byla roztavena; kontakty/prsty byly opáleny/deformovány.

2.1 Analýza dat napětí sběrnice 35 kV část II

Byla získána data záznamu chyb sběrnice 35 kV část II, aby bylo možné obnovit napětí, proudové vlnové formy a elektrické parametry během nehody. Přesná analýza dat sleduje vývoj poruchy a poskytuje klíčové důkazy pro určení příčiny nehody.

2.2 Vývoj poruchy a elektrická analýza
(1)Předporuchové zkreslení napětí

• 19,6 ms před poruchou: Sběrnice 35 kV část II má symetrické třífázové napětí, minimální nulové sekvence napětí → normální zařízení.

• 13,6 ms před poruchou: Fázové napětí A/B klesne na 49,0 V/43,1 V; fáze C skočí na 71,8 V; nulová sekvence napětí stoupne na 22,4 V → poškození izolace napěťového transformátoru.

• 1,6 ms před poruchou: Fázové napětí A/B klesne na 11,9 V/7,4 V; fáze C klesne na 44,5 V; nulová sekvence napětí dosáhne 23,5 V → zhoršení degradace izolace.

 (2)Výskyt poruchy a odpověď ochrany

Během poruchy: Izolace fází A/B selže (krátké spojení s zemí); napětí fáze C klesne. Po 3 ms se třífázové napětí vrátí k nule; PT exploduje → určeno jako třífázové krátké spojení s zemí.

Závěr: Předporuchové napětí sběrnice bylo normální (bez blesku/chybného ovládání → vyloučena rezonanční přepětí). Dlouhodobý provoz způsobil degradaci izolace napěťového transformátoru → vnitřní poškození izolace vedlo k mezivítkovému krátkému spojení → vyvinulo se do třífázového poškození izolace/krátkého spojení → výpadek linky.

(3)Nastavení a akce ochrany

Příchozí spínače (Jingdian 390, Jingre 391) nemají příchozí ochranu. Hlavní stanice má ochrany s identickými nastaveními:

• Diferenciální ochrana: Nastavení 5 A, 0 s činnosti.

• Časově omezená rychlá ochrana: Nastavení 21,2 A, 1,1 s činnosti.

• Ochrana před přetokem: Potřebná další analýza (viz obrázek 2 pro záznam příchozího proudu, není uveden).

Po poruchě proudy v obou liniích vzrostly. Po tranzientech dosáhly stabilního stavu:

• Linka 35 kV Jingdian 390: 14 116 A (stabilní primární proud poruchy);

• Linka 35 kV Jingre 391: 10 920 A (stabilní primární proud poruchy).

Akce ochrany:

• Linka Jingdian 390 (strana hlavní stanice): Diferenciální ochrana spustila 268 ms po explozi. Porucha nebyla izolována, protože sběrnice 35 kV část I a II byly zapojeny do smyčky.

• Linka Jingre 391 (strana hlavní stanice): Časově omezená rychlá ochrana spustila 1 173 ms po explozi, izolovala poruchu.

3 Analýza příčin a prevencionní opatření
3.1 Příčiny nehody

Úplně izolovaný elektromagnetický napěťový transformátor, který byl uveden do provozu v roce 2008, neměl žádnou výpadkovou údržbu/nebo elektrické testy. Dlouhodobý provoz způsobil selhání vnitřní izolace. Klíčové příčiny:

• Vady produktu: Nedostatečná konstrukce → nedostatečná izolace, krátká životnost.

• Znečištění prostředí: Saň na keramických rukavicích → ostrý pokles odporu izolace v dešťových obdobích, flashover a dlouhodobé poškození izolace.

• Degradace izolačního oleje: Špatné uzavření → proniknutí vlhkosti, zkreslení elektrického pole, snížení výdrži oleje proti napětí a dielektrických vlastností.

• Stárnutí a externí dopady: Termální stárnutí (okolní podmínky, dlouhodobé používání); mechanické stárnutí (přepětí při přepínání, krátké spojení proudy poškozující izolaci).

3.2 Testy poškození izolace

Pravidelné testy odporu izolace zabrání selháním:

• Primární cívka: Použijte 2 500 V měřič během předávky/revize → odpor izolace ≥ 3 000 MΩ. V preventivních testech klesne odpor maximálně o 50 % z počáteční hodnoty.

• Sekundární cívka: Použijte 1 000 V měřič během předávky/revize → odpor izolace ≤ 10 MΩ.

3.3 Běžná porucha: Rezonanční přepětí
Podmínky výskytu:

• Elektromagnetické napěťové transformátory jsou nelineární induktory. Zvýšení excitovačního proudu způsobí feromagnetické nasycení → klesne indukčnost (hlavní příčina rezonance).

• Rezonance vyžaduje shodu kapacity/induktivity (indukční reactance ≤ 100× kapacitní reactance).

• Spouštěcí podmínky: přepínání prázdné sběrnice, náhlé odstranění zemního defektu, blesk, přepětí při přepínání atd.

Prevence: Zapojení neutrálu napěťového transformátoru k zemi přes harmonické eliminátory + malé odpory; instalace harmonických eliminačních zařízení na otevřeném deltoidu sběrnice napěťového transformátoru.

4 Závěr

Stárnutí izolace napěťových transformátorů způsobuje poruchy a výpadky sběrnic, což je běžné v síti. Přísně dodržujte pravidla preventivních testů, testujte a nahrazujte nekvalitní zařízení. V této nehodě nepříchozí ochrana tepelné elektrárny a selhání spojkového spínače 35 kV část I rozšířily poruchu. Pravidelně kontrolujte konfiguraci a spolehlivost ochrany. Analýza nehod pomáhá rychle identifikovat problémy, podniknout cílená opatření, snížit rizika poruch a zlepšit spolehlivost stanic.