Аналіз вибухової аварії трансформатора напруги 35 кВ

Трансформатори напруги (PT) складаються з феритових сердечників та обмоток, працюють подібно до трансформаторів, але мають невелику потужність. Вони перетворюють високу напругу на низьку для захисту, вимірювання та обліку, широко використовуються на підстанціях/електростанціях. Класифікуються за ізоляцією: сухого типу (≤6 кВ), літейного типу (всередині 3-35 кВ), масляні (на вулиці ≥35 кВ) та заповнені газом SF₆ (для комбінованих приладів).

Під час роботи підстанції ще відбуваються аварії через електромагнітний резонанс або старіння ізоляції. Наприклад, у березні 2015 року, 35 кВ входячий лінійний PT на тепловій електростанції вибухнув через старіння ізоляції, що спричинило відключення шин I & II на 35 кВ. Аналіз після місцевого дослідження:

1 Режим роботи перед аварією

Стан системи електростанції перед аварією показано на рисунку 1.

Підстанція отримує електроенергію з двох входячих ліній на 35 кВ (лінія Інші електростанції 390, лінія Теплої електростанції 391). Їхні випадки закриті, підключені до шин I & II на 35 кВ. Ці шини використовують односекційне проводку. Защита від перенапруги захищає сторону живлення; на стороні теплої електростанції немає входячої захисту. Постачання електроенергії:

• Шина I на 35 кВ → головний трансформатор №3 → шина I на 10 кВ.

• Шина II на 35 кВ → головний трансформатор №4 → шина II на 10 кВ.

• Шини I & II на 10 кВ працюють паралельно.

2. Місцеве дослідження та аналіз аварії

Персонал з експлуатації та обслуговування знайшов два сліди вибуху:

• PT3 на стороні лінії Інші електростанції 390 на 35 кВ: моніторинг напруги фаз A/B. Вибухнув знизу, залишивши опіки.

• Входячий випадок лінії Інші електростанції 390 на 35 кВ: короткий замикання струму спричинив вибух. Болти кабельного кінця розплавилися; контакти/пальчики були опалені/деформовані.

2.1 Аналіз даних напруги шини II на 35 кВ

Дані запису аварій шини II на 35 кВ були отримані для відновлення напруги, форм вільних та електричних параметрів під час аварії. Точний аналіз даних відстежує розвиток аварії, надаючи ключові докази для визначення причини аварії.

2.2 Розвиток аварії та електричний аналіз
(1) Дисторсія напруги перед аварією

• 19,6 мс перед аварією: шина II на 35 кВ має симетричні трифазні напруги, мінімальну нуль-послідовну напругу → нормальне обладнання.

• 13,6 мс перед аварією: напруга фаз A/B знижується до 49,0В/43,1В; фаза C стріляє до 71,8В; нуль-послідовна напруга зростає до 22,4В → пошкоджена ізоляція трансформатора напруги.

• 1,6 мс перед аварією: напруга фаз A/B падає до 11,9В/7,4В; фаза C падає до 44,5В; нуль-послідовна напруга досягає 23,5В → погіршення старіння ізоляції.

 (2) Виникнення аварії та реакція захисту

Під час аварії: ізоляція фаз A/B руйнується (коротке замикання на землю); напруга фази C падає. Через 3 мс трифазні напруги повертаються до нуля; PT вибухає → визначено як трифазне коротке замикання на землю.

Висновок: передаварійні напруги шин були нормальні (немає блискавок/помилкових операцій → виключено резонансну перевищенню напруги). Довготривала експлуатація спричинила старіння ізоляції трансформатора напруги → внутрішнє пошкодження ізоляції призвело до міжвиткового короткого замикання → розвинулося у трифазне пошкодження/коротке замикання ізоляції → лінія відключилася.

(3) Налаштування та дії захисту

Входячі випадки (Інші електростанції 390, Тепла електростанція 391) не мають входячого захисту. Основна станція має захисти з однаковими налаштуваннями:

• Диференційний захист: 5А налаштування, 0с дія.

• Оперативний захист з обмеженням часу: 21,2А налаштування, 1,1с дія.

• Захист від перевищення струму: потрібен додатковий аналіз (див. рисунок 2 для даних запису входячого струму, не надано).

Після аварії струми в обох лініях стрімко зросли. Після переходних процесів вони досягли стаціонарного стану:

• Лінія Інші електростанції 390 на 35 кВ: 14 116 А (стаціонарний первинний аварійний струм);

• Лінія Тепла електростанція 391 на 35 кВ: 10 920 А (стаціонарний первинний аварійний струм).

Дії захисту:

• Лінія Інші електростанції 390 (далека сторона основної станції): диференційний захист відключився через 268 мс після вибуху. Аварія не була ізольована, оскільки шини I & II на 35 кВ були з'єднані.

• Лінія Тепла електростанція 391 (далека сторона основної станції): оперативний захист з обмеженням часу відключився через 1 173 мс після вибуху, ізольуючи аварію.

3 Аналіз причин та запобіжні заходи
3.1 Причини аварії

Повністю ізольований електромагнітний трансформатор напруги, введений в експлуатацію у 2008 році, не мав відключень для обслуговування/електричних тестів. Довготривала експлуатація спричинила внутрішнє пошкодження ізоляції. Основні причини:

• Дефекти продукту: недостатньо продуманий дизайн → недостатня ізоляція, короткий строк служби.

• Забруднення середовища: забруднення фарфорових рукавів → гостре зниження опору ізоляції в дощовий сезон, пробої, довготривалий пошкодження ізоляції.

• Погіршення ізоляційного масла: погана герметичність → проникнення вологи, деформація електричного поля, зниження витривалості масла до напруги/діелектричних властивостей.

• Старіння та зовнішні впливи: термічне старіння (довкілля, довготривале використання); механічне старіння (перевищення напруги при включеннях, короткі замикання струму, що пошкоджують ізоляцію).

3.2 Тести на пошкодження ізоляції

Регулярні тести опору ізоляції допомагають запобігти відмовам:

• Первинна обмотка: використовуйте відмірник 2 500 В під час передачі/ремонту → опір ізоляції ≥ 3 000 МΩ. У профілактичних тестах, зниження опору ≤ 50% від початкового значення.

• Другорядна обмотка: використовуйте відмірник 1 000 В під час передачі/ремонту → опір ізоляції ≤ 10 МΩ.

3.3 Звичайна аварія: перевищення напруги через резонанс
Умови виникнення :

• Електромагнітні трансформатори напруги є нелінійними індукторами. Збільшення струму захоплення призводить до феромагнітного насичення → зменшення індуктивності (основна причина резонансу).

• Резонанс вимагає відповідності між ємністю/індуктивністю (індуктивний опір ≤ 100× ємнісний опір).

• Умови запуску: включення порожніх шин, швидке відключення короткого замикання на землю, блискавка, перевищення напруги при включеннях тощо.

Запобіжні заходи: заземлення нейтралів трансформаторів напруги через гармонічні елімінатори + маленькі резистори; встановлення пристроїв для вилучення гармонік на відкритих дельтах шинних трансформаторів напруги.

4. Висновок

Старіння ізоляції в трансформаторах напруги призводить до руйнування та відключення шин - це загальна проблема в мережах. Суворо дотримуйтесь регламентів профілактичних тестів, тестуйте/замінюйте неякісне обладнання. У цій аварії, незахищені входячі лінії теплої електростанції та відмова випадку №1 на 35 кВ поширили аварію. Регулярно перевіряйте конфігурацію/надійність захисту. Аналіз аварії допомагає швидко виявити проблеми, взяти ціленаправлені дії, знизити ризики аварій та підвищити надійність підстанції.