Analyse eines Explosionsunfalls an einem 35 kV Spannungswandler

Spannungswandler (PTs) bestehen aus Eisenkernen und Wicklungen und arbeiten ähnlich wie Transformator, jedoch mit geringerer Kapazität. Sie wandeln hohe Spannungen in niedrige Spannungen für Schutz-, Mess- und Zählergeräte um und werden in Anlagen/Stationen weit verbreitet eingesetzt. Nach der Isolierung klassifiziert: Trocken-Typ (≤6 kV), Guss-Typ (Innenraum 3 - 35 kV), Ölgetränkt (Außenbereich ≥35 kV) und SF₆-Gasgefüllt (für kombinierte Geräte).

Während des Betriebs von Umspannwerken treten Unfälle aufgrund von elektromagnetischer Resonanz oder Alterung der Isolation immer noch auf. So explodierte im März 2015 ein 35-kV-Eingangs-PT in einem Heizkraftwerk aufgrund alternder Isolation, was zu einer Ausfallzeit von 35-kV-Sammelschiene I & II führte. Analyse nach der Ortserfassung:

1 Betriebsmodus vor dem Fehler

Der Systemzustand der Anlage vor dem Fehler ist in Abbildung 1 dargestellt.

Das Umspannwerk wird von zwei 35-kV-Eingangsleitungen (Jingdian 390-Leitung, Jingre 391-Leitung) versorgt. Ihre Schalter sind geschlossen und verbinden sich mit den 35-kV-Sammelschienen I & II. Diese Sammelschienen verwenden eine Einzellinienabschnittsschaltung. Überspannungsableiter schützen die Stromversorgungsseite; es gibt keinen Eingangsschutz auf der Seite des Heizkraftwerks. Die Stromversorgungsverbindungen sind:

• 35-kV-Sammelschiene I → 3# Haupttransformator → 10-kV-Sammelschiene I.

• 35-kV-Sammelschiene II → 4# Haupttransformator → 10-kV-Sammelschiene II.

• 10-kV-Sammelschienen I & II laufen parallel.

2. Ortsuntersuchung & Unfallrückblick

Betriebs- und Wartungspersonal fand zwei Explosionsstellen:

• 35-kV-Jingdian 390-Leitung-PST3: Überwacht die Leitungsspannungen Phase A/B. Die Explosion sprengte den Boden, hinterließ Brandspuren.

• 35-kV-Jingdian 390-Leitung-Eingangsschalter: Kurzschlussstrom verursachte Explosion. Kabelkopfschrauben schmolzen; Kontakte/Finger wurden verbrannt/deformiert.

2.1 Analyse der Spannungsdaten der 35-kV-Sammelschiene II

Die Fehleraufzeichnungsdaten der 35-kV-Sammelschiene II wurden abgerufen, um die Spannungen, Ströme und elektrischen Parameter während des Unfalls wiederherzustellen. Eine genaue Datenanalyse verfolgt die Entwicklung des Fehlers und liefert wichtige Beweise zur Bestimmung der Unfallursache.

2.2 Fehlerentwicklung & elektrische Analyse
(1)Vor-Fehler-Spannungsverzerrung

• 19,6 ms vor dem Fehler: 35-kV-Sammelschiene II hat symmetrische Dreiphasenspannungen, minimale Nullfolgespannung → normales Gerät.

• 13,6 ms vor dem Fehler: Spannung Phase A/B fällt auf 49,0 V/43,1 V; Phase C springt auf 71,8 V; Nullfolgespannung steigt auf 22,4 V → Isolierung des Spannungswandlers beschädigt.

• 1,6 ms vor dem Fehler: Spannung Phase A/B fällt auf 11,9 V/7,4 V; Phase C fällt auf 44,5 V; Nullfolgespannung erreicht 23,5 V → Verschlimmerung der Isolierungsverschlechterung.

 (2)Fehlerauftreten & Schutzreaktion

Während des Fehlers: Isolierung von Phase A/B bricht zusammen (Kurzschluss zu Erde); Spannung Phase C fällt. 3 ms später kehren die Dreiphasenspannungen auf Null zurück; PT explodiert → als Dreiphasenkurzschluss zu Erde identifiziert.

Fazit: Vor-Fehler-Sammelschienspannungen waren normal (kein Blitz/Schaltfehler → Resonanzüberspannung ausgeschlossen). Langfristiger Betrieb führte zu einer Verschlechterung der Isolation des Spannungswandlers → interne Isolierungsbeschädigung führte zu einem Zwischenwindungskurzschluss → entwickelte sich zu einer Dreiphasenisolationsstörung/Kurzschluss → Leitungsausfall.

(3)Schutzeinstellungen & Aktionen

Eingangsschalter (Jingdian 390, Jingre 391) haben keinen Eingangsschutz. Die Hauptstation hat Schutzvorrichtungen mit identischen Einstellungen:

• Differenzialschutz: 5 A-Einstellung, 0 s-Auslösung.

• Zeitbegrenzter Schnellschutz: 21,2 A-Einstellung, 1,1 s-Auslösung.

• Überstromschutz: Weitere Analyse erforderlich (siehe Abbildung 2 für eingehende Stromaufzeichnungsdaten, nicht angegeben).

Nach dem Fehler stiegen die Ströme in beiden Leitungen an. Nach den Transienten erreichten sie den stationären Zustand:

• 35-kV-Jingdian 390-Leitung: 14.116 A (stationärer primärer Fehlerstrom);

• 35-kV-Jingre 391-Leitung: 10.920 A (stationärer primärer Fehlerstrom).

Schutzaktionen:

• Jingdian 390-Leitung (ferner Hauptstationsseite): Differenzialschutz löste 268 ms nach der Explosion aus. Der Fehler wurde nicht isoliert, da die 35-kV-Sammelschienen I & II verbunden waren.

• Jingre 391-Leitung (ferner Hauptstationsseite): Zeitbegrenzter Schnellschutz löste 1.173 ms nach der Explosion aus, isolierte den Fehler.

3 Ursachenanalyse & Präventivmaßnahmen
3.1 Unfallursachen

Der vollständig isolierte elektromagnetische Spannungswandler, der 2008 in Betrieb genommen wurde, hatte keine Unterbrechungsmaintenance/elektrische Prüfungen. Langfristiger Betrieb führte zu internen Isolierungsdefekten. Hauptursachen:

• Produktdefekte: Mangelhafte Konstruktion → unzureichende Isolation, kurze Lebensdauer.

• Umweltverschmutzung: Schmutz auf Porzellansleeves → scharfe Abnahme der Isolationswiderstände in Regenzeiten, Entladungen und langfristige Isolierungsbeschädigung.

• Verschlechterung des Isolieröls: Arme Abdichtung → Feuchtigkeitseintritt, Verzerrung des elektrischen Feldes, reduzierte Ölfestigkeit/dielektrische Eigenschaften.

• Alterung & externe Einflüsse: Thermische Alterung (Umgebungsbedingungen, langer Gebrauch); mechanische Alterung (Schaltüberspannungen, Kurzschlussströme beschädigen die Isolation).

3.2 Isolierungsdefekttests

Regelmäßige Isolationswiderstandstests verhindern Ausfälle:

• Primärwicklung: Verwendung eines 2.500-V-Messgeräts bei Übernahme/Wartung → Isolationswiderstand ≥ 3.000 MΩ. In präventiven Tests darf der Widerstandsabfall ≤ 50% des Anfangswerts betragen.

• Sekundärwicklung: Verwendung eines 1.000-V-Messgeräts bei Übernahme/Wartung → Isolationswiderstand ≤ 10 MΩ.

3.3 Häufiger Fehler: Resonanzüberspannung
Voraussetzungen für das Auftreten:

• Elektromagnetische Spannungswandler sind nichtlineare Induktoren. Der Anstieg des Anregungsstroms führt zur ferromagnetischen Sättigung → Induktionsabfall (Hauptursache für Resonanz).

• Resonanz erfordert passende Kapazität/Induktivität (induktive Reaktanz ≤ 100× kapazitive Reaktanz).

• Auslösende Bedingungen: Leerlaufschaltungen, plötzliche Erdfehlerbeseitigung, Blitz, Schaltüberspannungen usw.