Analiza wypadku wybuchowego transformatora napięciowego o napięciu 35 kV

Transformatory napięciowe (PT) składają się z rdzeni żelaznych i cewek, działając podobnie do transformatorów, ale o małej pojemności. Przekształcają wysokie napięcie w niskie dla urządzeń ochronnych, pomiarowych i liczących, są szeroko stosowane w zakładach/stacjach. Klasyfikacja według izolacji: sucha - typ (≤6 kV), odlewana (wewnątrz 3 - 35 kV), olejowa (na zewnątrz ≥35 kV) i wypełniona gazem SF₆ (dla sprzętu kombinowanego).

Podczas eksploatacji stacji nadal występują wypadki spowodowane rezonansem elektromagnetycznym PT lub starzeniem się izolacji. Na przykład, w marcu 2015 roku, transformator napięciowy linii przychodzącej 35 kV w elektrowni cieplnej eksplodował z powodu starzenia się izolacji, powodując awarię szyn 35 kV I & II. Analiza po badaniu na miejscu:

1 Tryb pracy przed awarią

Stan systemu elektrowni przed awarią pokazany jest na Rysunku 1.

Stacja otrzymuje energię z dwóch linii przychodzących 35 kV (linia Jingdian 390, linia Jingre 391). Ich przełączniki są zamknięte, łącząc się ze szynami sekcji I & II 35 kV. Te szyny wykorzystują jednoszynowe przewodzenie sekcjonowane. Ochraniacze przeciwprzepięciowe chronią stronę zasilania; nie ma ochrony linii przychodzącej ze strony elektrowni. Łączność zasilania:

• Szyna sekcji I 35 kV → główny transformator 3# → szyna sekcji I 10 kV.

• Szyna sekcji II 35 kV → główny transformator 4# → szyna sekcji II 10 kV.

• Szyny sekcji I & II 10 kV działają równolegle.

2. Badanie na miejscu i retrospekcja wypadku

Personel operacyjny i konserwacyjny znalazł dwa ślady eksplozji:

• PT3 linii Jingdian 390 35 kV: Monitoruje napięcia linii fazy A/B. Eksplozja rozerwała jego dno, pozostawiając ślady oparzeń.

• Przełącznik linii przychodzącej 35 kV Jingdian 390: Prąd zwarciowy spowodował eksplozję. Śruby głowicy kabla stopiły się; kontakty/palciki były opalone/deformowane.

2.1 Analiza danych napięcia szyny sekcji II 35 kV

Pobrano dane rejestratora wad szyny sekcji II 35 kV, aby przywrócić formy falowe napięcia, prądu i parametry elektryczne podczas wypadku. Dokładna analiza danych śledzi rozwój awarii, dostarczając kluczowego dowodu na ustalenie przyczyny wypadku.

2.2 Rozwój awarii i analiza elektryczna
(1)Zniekształcenie napięcia przed awarią

• 19,6 ms przed awarią: Szyna sekcji II 35 kV ma symetryczne trójfazowe napięcia, minimalne napięcie zerowej sekwencji → sprzęt działa normalnie.

• 13,6 ms przed awarią: Napięcia fazy A/B spadają do 49,0 V/43,1 V; faza C skacze do 71,8 V; napięcie zerowej sekwencji wzrasta do 22,4 V → uszkodzona izolacja transformatora napięciowego.

• 1,6 ms przed awarią: Napięcia fazy A/B spadają do 11,9 V/7,4 V; faza C spada do 44,5 V; napięcie zerowej sekwencji osiąga 23,5 V → pogorszenie stanu izolacji.

 (2)Wystąpienie awarii i reakcja ochrony

Podczas awarii: Izolacja fazy A/B ulega przepaleniom (krótkie zwarce do ziemi); napięcie fazy C spada. 3 ms później, trójfazowe napięcia wracają do zera; PT eksploduje → określono jako trójfazowe zwarcie do ziemi.

Wniosek: Napięcia szyn przed awarią były normalne (brak piorunów/błędów obsługi → wykluczone przepięcie rezonansowe). Długotrwała eksploatacja spowodowała degradację izolacji transformatora napięciowego → wewnętrzne uszkodzenie izolacji prowadziło do zwarć między zwitkami → rozwinęło się w trójfazowe zwarcie izolacji/zwarce → odłączenie linii.

(3)Konfiguracja i działanie ochrony

Przełączniki linii przychodzących (Jingdian 390, Jingre 391) nie mają ochrony linii przychodzących. Główna stacja ma ochrony z identycznymi ustawieniami:

• Ochrona różnicowa: ustawienie 5A, czas działania 0s.

• Szybka ochrona z ograniczeniem czasu: ustawienie 21,2A, czas działania 1,1s.

• Ochrona przeciwprądowa: wymaga dalszej analizy (patrz Rysunek 2 dla danych rejestratora prądu, nie podano).

Po awarii prądy w obu liniach gwałtownie wzrosły. Po przejściach osiągnęły stan ustalony:

• Linia 35 kV Jingdian 390: 14 116 A (ustalony prąd zwarciowy pierwotny);

• Linia 35 kV Jingre 391: 10 920 A (ustalony prąd zwarciowy pierwotny).

Działania ochrony:

• Linia Jingdian 390 (strona głównej stacji): Ochrona różnicowa wyzwoliła 268 ms po eksplozji. Awaria nie została izolowana, ponieważ szyny sekcji I & II 35 kV były połączone w pętlę.

• Linia Jingre 391 (strona głównej stacji): Szybka ochrona z ograniczeniem czasu wyzwoliła 1 173 ms po eksplozji, izolując awarię.

3 Analiza przyczyn i środki zapobiegawcze
3.1 Przyczyny wypadku

3.2 Badania uszkodzeń izolacji

Regularne pomiary oporu izolacji zapobiegają awariom:

• Cewka główna: Użyj miernika 2 500 V podczas przekazania/rewizji → opór izolacji ≥ 3 000 MΩ. W badaniach prewencyjnych, spadek oporu ≤ 50% wartości początkowej.

• Cewka wtórna: Użyj miernika 1 000 V podczas przekazania/rewizji → opór izolacji ≤ 10 MΩ.

3.3 Powszechne usterki: Przepięcia rezonansowe
Warunki wystąpienia:

• Transformatory napięciowe są nieliniowymi induktorami. Zwiększenie prądu pobudzającego powoduje nasycenie ferromagnetyczne → spadek indukcyjności (główna przyczyna rezonansu).

• Rezonans wymaga dopasowanej pojemności/indukcyjności (reaktancja indukcyjna ≤ 100× reaktancja pojemnościowa).

• Warunki wyzwalające: przełączenie bezobciążonej szyny, nagłe usunięcie zwarć do ziemi, piorun, przepięcia przełącznicze itp.

Zapobieganie: Ziemie neutralne transformatorów napięciowych przez eliminatory harmoniczne + małe oporności; instalacja urządzeń eliminacji harmonicznych w otwartych deltach transformatorów napięciowych szyny.

4. Podsumowanie

Starzenie się izolacji transformatorów napięciowych powoduje przepalania i awarie szyn – to powszechne w sieciach energetycznych. Ścisłe przestrzeganie regulacji badań prewencyjnych, testowanie/zamiana niezdatnego sprzętu. W tym wypadku, nieochronione linie przychodzące elektrowni cieplnej i zepsuty przełącznik łączący szyn 35 kV numer 1 poszerzyły zakres awarii. Regularne sprawdzanie konfiguracji i niezawodności ochrony. Analiza wypadków pomaga szybko identyfikować problemy, podejmować skierowane działania, redukować ryzyko awarii i zwiększać niezawodność stacji.