Haupttransformatorunfälle und Probleme bei der Leichtgasoperation

1. Unfallbericht (19. März 2019)

Am 19. März 2019 um 16:13 Uhr meldete die Überwachungsumgebung eine leichte Gasreaktion des Haupttransformators Nr. 3. Gemäß dem Leitfaden für den Betrieb von Starkstrom-Transformatoranlagen (DL/T572-2010) inspizierten das Betriebs- und Wartungspersonal (O&M) den Zustand des Haupttransformators Nr. 3 vor Ort.

Vor-Ort-Bestätigung: Die nichtelektrische Schutztafel WBH des Haupttransformators Nr. 3 meldete eine leichte Gasreaktion der Phase B des Transformatorgehäuses, und der Reset war unwirksam. Das O&M-Personal untersuchte den Gasrelais und die Gassammlungsbox der Phase B des Haupttransformators Nr. 3 und führte Tests des Kern- und Klammern-Erdschlusssstroms des Transformatorgehäuses durch.

Um 16:36 Uhr meldete die Umspannwerksüberwachung eine schwere Gasreaktion und einen Auslösevorgang des Haupttransformators Nr. 3, wobei die Phase B in Brand geriet. Das feste Schaum-Sprüh-Löschsystem des Transformators wurde korrekt aktiviert (Bildsignale sind verfügbar).

Maßnahmen zu diesem Unfall:

• Entwickeln eines Plans zur Umwandlung von leichter Gasreaktion in Auslösung: Organisieren der Erstellung von technischen Modernisierungskonzepten, Planung zukünftiger Stromausfälle und Klarstellung der O&M-Maßnahmen vor der Modernisierung.

• Spezielle Inspektion und Modernisierung von im Einsatz stehenden Transformatoranlagen: Durchführen gezielter Inspektionen an laufenden Transformatoranlagen basierend auf der Fehlerursache und Formulieren von Modernisierungsmaßnahmen.

2. Verarbeitungsprozess für leichte Gaswarnungen

Der Leitfaden für den Betrieb von Starkstrom-Transformatoranlagen (DL/T572-2010) legt fest, dass Transformator-Gasrelais mit zwei Sätzen von Kontakten ausgestattet sein sollen: leichtes Gas und schweres Gas. Im normalen Betrieb ist das leichte Gas auf Alarmmodus eingestellt, während das schwere Gas auf Auslösung modus eingestellt ist. Der typische Verarbeitungsprozess für leichte Gaswarnungen bei Transformatoranlagen lautet wie folgt:

• Wenn das Gasschutzsignal aktiviert wird, soll der Transformator sofort überprüft werden, um festzustellen, ob es durch Luftansammlung, Ölstandabnahme, Fehlfunktion der Sekundärleitung oder interne Transformatorfehler verursacht wird.

• Falls Gas im Gasrelais vorhanden ist, soll der Gasgehalt aufgezeichnet, die Farbe und Brennbarkeit des Gases beobachtet und Gas- und Ölmuster für die chromatographische Analyse gesammelt werden.

• Falls das Gas im Relais farblos, geruchlos, nicht brennbar ist und die chromatographische Analyse es als Luft identifiziert, kann der Transformator seinen Betrieb fortsetzen, und der Luftzulaufdefekt muss unverzüglich beseitigt werden.

• Falls das Gas brennbar ist oder die Analyse der gelösten Gase (DGA) ein abnormales Ergebnis zeigt, soll umfassend beurteilt werden, ob der Transformator abgeschaltet werden muss.

Neue Anti-Unfallmaßnahmen (9.2.3.6) legen fest: "Wenn ein Transformator innerhalb eines Tages zwei aufeinanderfolgende leichte Gaswarnungen erlebt, soll sofort um eine Stromausfallinspektion nachgesucht werden; für Transformatoren (Reaktoren) ohne erzwungene Ölzyklusstruktur und ohne Ölableitung und Stickstoffeinspritzvorrichtung soll umgehend um eine Stromausfallinspektion nachgesucht werden, wenn eine leichte Gaswarnung des Gehäuses erfolgt."

Neu in Betrieb genommene Transformatoren oder solche, die einer Ölbehandlung unterzogen wurden, neigen während der Anfangsbetriebsphase zu leichten Gaswarnungen. Erzwungene Ölzyklustransformatoren sind anfällig für Luftzulauf aufgrund von Ölaustritt in Bereichen mit negativem Druck; Transformatoren mit Ölableitung und Stickstoffeinspritzvorrichtungen können Gas in den Ölableitungslinien haben – beide Situationen können zu leichten Gaswarnungen führen. Während des Betriebs von Transformatoren wird normalerweise eine geringe Menge an Gas freigesetzt, jedoch deuten zwei aufeinanderfolgende leichte Gaswarnungen innerhalb von 24 Stunden auf potenziell schwere Fehler hin.

3. Statistische Analyse von leichten Gaswarnungen bei Transformatoranlagen

Fall 1: Leichte Gaswarnung in einem Umspannwerk (7. Juli 2015)

Fehlerphänomen: Die Umspannwerksüberwachung zeigte "Nichtelektrischer Schutzalarm des Haupttransformators Nr. 3" und "Leichte Gaswarnung der Phase C des Gehäuses". Ursache: Eine vor-Ort-Inspektion ergab, dass der Ölstand im Gasrelais der Phase C des Haupttransformators Nr. 3 niedrig war (Gasvolumen über 300 ml; Einstellung für leichte Gaswarnung: 270±10 ml) (Phasen A und B waren vollständig gefüllt). Basierend auf den Inspektionsresultaten und speziellen Besprechungen wurde der Fehler auf metallische Fremdkörper zurückgeführt, die wahrscheinlich während des Transports/der Installation eingeführt wurden (nicht aus der Herstellung), da die Überwachung den gesamten Herstellungsprozess nicht abdecken konnte. Maßnahme: Der defekte Transformator wurde ausgetauscht und durch eine Ersatzphase ersetzt. Ein Instandhaltungswerkstatt wurde am Umspannwerk errichtet, um eine vor-Ort-Reparatur durch den Hersteller durchzuführen; der reparierte Transformator wurde als Ersatzphase gespeichert.

Fall 2: Leichte Gaswarnung in einem Umspannwerk (30. September 2015)

Fehlerphänomen: Die Überwachung zeigte "Drucksprungwarnung der Phase C des Haupttransformators Nr. 2", "Schwere Gasauslösesignal" und "Leichte Gaswarnung"; keine elektrischen Schutzaktionen traten auf. Ursache: Kommunikationslücken zwischen dem Entwurfsinstitut und dem Hersteller führten zu übermäßigem Druck auf der Spitze des Buchsenanschlusses; die Buchse hatte eine schwache Dichtung; eine negative Druckzone am oberen Ende des Stromleiterrohres der Buchse führte nach Versagen der Dichtung zu Luft/Wasserzulauf. Die maximale horizontale Verschiebung zwischen dem T-Anschluss und der Hochspannungsbuchse betrug 5,61 m, was zu langfristigem seitlichem Zug, Deformation der Anschlussklemme und des Deckels, Versagen der Dichtung und internen Entladungen im Hochspannungswickel aufgrund von Luft/Wasserzulauf führte. Maßnahme: Der defekte Transformator wurde ausgetauscht und durch eine Ersatzphase ersetzt. Die vor-Ort-Reparatur wurde 2016 nach Errichtung einer Instandhaltungswerkstatt abgeschlossen, und der Transformator wurde als Ersatzphase gespeichert.

Fall 3: Leichte Gaswarnung in einem Umspannwerk (18. Juni 2018)

Fehlerphänomen: Leichte Gaswarnung der Phase A des Haupttransformators Nr. 1 in einem Umspannwerk. Ursache: Öl- und Gasprobenzeigten nicht brennbaren Gas und normale Öl-Daten. Das Gasrelais wurde am selben Tag entlüftet, und das Signal setzte sich sofort zurück. Langfristige Beobachtung der Gasansammlung im Relais zeigte kein neues Gas, was bestätigte, dass die Warnung durch langfristige Luftansammlung verursacht wurde.

Fall 4: Leichte Gaswarnung während der Inbetriebnahme

Störungserscheinung: Leichte Gaswarnung in Phase C des Haupttransformators Nr. 3 während der Inbetriebnahme. Ursache: Ölleckage am Ölflossenrelais des Transformators; die Bauunternehmen haben nach dem Austausch nicht vollständig entlüftet. Es wurde kein Acetylen im Transformator festgestellt. Maßnahme: Entlüften des Transformators.

Fall 5: Leichte Gaswarnung in einer Umrichterstation (20. November 2018)

Störungserscheinung: Am 06:24:55 meldete das OWS-Hintergrundsystem einer Umrichterstation "Leichte Gaswarnung in Phase B eines Umrichtertransformators auf einer bestimmten Seite"; um 06:40:57 wurde "Schwere Gaswarnung in Phase B eines Umrichtertransformators auf einer bestimmten Seite" gemeldet, und die Schaltwerke 01B/02B des Umrichtertransformators trippelten dreiphasig. Ursache: Riss in der Blase des Ölkonservators. Das Öl drang in die Blase ein, und ein plötzlicher Temperaturabfall verursachte, dass die ölgefüllte Blase absank, die Ölleitung blockierte und Gas gefangen hielt, was zu einer Aktion des Gasrelais führte. Die Blase riss aufgrund langfristiger Bereitschaft und beschleunigtem Alterungsprozess bei niedrigen Temperaturen. Maßnahme: Eine Ortsbesichtigung bestätigte einen Riss in der Blase (der größte Teil des Öls im Konservator war in die Blase eingedrungen). Die Blase wurde ersetzt, und der Umrichtertransformator nahm den Betrieb wieder auf.

Fall 6: Leichte Gaswarnung bei einem Energieversorgungsunternehmen (2. Januar 2017)

Störungserscheinung: Der Gleichstrom-Doppelpol befand sich im kalten Standby bei einem Energieversorgungsunternehmen; um 20:37 wurde eine leichte Gaswarnung des Pol-1-YYC-Umrichtertransformators gemeldet, gefolgt von einer schweren Gaswarnung und Trippelung um 20:42. Ursache: Eine Ortsbesichtigung ergab, dass es zu einer Ölleckage an der Ölumwälzpumpe Nr. 4 des Pol-1-Y/Y-C-Phase-Umrichtertransformators kam. Die Leckage stoppte, nachdem die Pumpleistung getrennt und die Ventile an beiden Enden geschlossen wurden. Die Wurzelursache war die schlechte Materialqualität der Bolzen und Flansche der Pumpe, was zu schwerer Korrosion, Bruch der Bolzen, Verschiebung des Pumpenkörpers und massiver Ölleckage führte. Maßnahme: Ersetzung von 4 Tauchölumpen des Pol-1-YYC-Umrichtertransformators, Nachfüllen des Öls und Durchführung von Wartungsprüfungen. Gleichzeitig wurden die Bolzenstruktur von 52 Tauchölumpen in 13 anderen Umrichtertransformern (einschließlich 2 Reserve) ersetzt oder modifiziert.

4. Erklärung zur Einstellung von leichtem Gas auf Warnung oder Trippelung

4.1 Einführung in Gasrelais

Gasrelais arbeiten, indem sie das aus der Zersetzung von Öl oder durch interne Transformatorfehler verursachte Gas detektieren, was die Kontakte für leichten Gas (Warnung) oder schweres Gas (Trippelung) auslöst.

• Leichtes Gas: Spiegelt geringfügige Fehler wider (z.B. Überlastheizung, lokale Kernheizung, Behälterheizung durch magnetische Abstrahlung). Das zergestellte Gas steigt in den Gassammelraum des Relais, senkt den Ölstand und aktiviert den Kontakt für leichten Gas, um eine Warnung auszulösen. Ein weiterer Abfall des Ölstands löst schweres Gas aus.

• Schweres Gas: Spiegelt schwere Fehler wider (z.B. Isolierstoffdurchschlag, Kurzschluss zwischen Wicklungen). Schnelle Gasbildung drückt das Öl gegen eine Ablenkplatte, wodurch der Kontakt für schweres Gas über einen Magneten aktiviert wird, um den Transformator zu trippeln.

4.2 Gründe für die Einstellung von leichtem Gas auf Warnung

• UHV-Wechselstrom-Transformator: Jeder Haupt- und Spannungswandler-Transformator hat nur ein Gasrelais; die Aufsatzbushings sind über Gassammlungsrohre mit dem Körperrelais verbunden. Nur ein Kontakt für leichten Gaswarnung ist verfügbar, der normalerweise im Warnmodus eingestellt ist (schweres Gas zum Trippeln).

• Umrichter-Transformator: Ausgestattet mit 1 Gasrelais (Siemens-Technologie) oder 7+ Gasrelais (ABB-Technologie). Leichtes Gas ist im Normalbetrieb auf Warnmodus (schweres Gas zum Trippeln) eingestellt.

Gasrelais von Umrichter-Transformatoren haben nur 1 oder 2 Kontakte für leichten Gaswarnung, die anfällig für Fehlmeldungen durch Wasserintrusion in Relaisverbindungsboxen, Trägergas aus der Ölchromatographie, das in den Tank eindringt, oder Luftaufnahme aufgrund schlechter Abdichtung des Körpers sind. Es gibt keine "zwei-aus-drei"-Anti-Fehlmeldungsmaßnahmen. Wenn leiches Gas auf Trippeln eingestellt ist, könnten Fehlmeldungen zu DC-Monopolartrippeln (einzelne Ventilgruppe) führen, was 1500 MW oder mehr an Leistung verlieren und die Netzstabilität bedrohen könnte. Darüber hinaus bietet leiches Gas einen Reaktionszeitraum für geringfügige Fehler (z.B. milde Kern-/Isolierstoffheizung) vor der Aktivierung von schwerem Gas, was die Verfügbarkeit der Ausrüstung verbessert. Daher legen die 18 wesentlichen Maßnahmen zur Vermeidung von Großnetzunfällen und die Richtlinien für den Betrieb von Netzbetriebs-Transformatoren (DL/T572-2010) fest, dass leiches Gas nur auf Warnung eingestellt sein soll.

Fälle von Fehlmeldungen:

• 2003: Wasserintrusion in das Gasrelais eines Glättungsreaktors eines Umrichtertransformators führte zu einem Bipolareinbruch und einem Verlust von 1281 MW.

• 2019: Es kam zu einem vorübergehenden Ausfall aufgrund eines Fehlers im Kontaktkreis des Gasrelais eines Umrichtertransformators.

4.3 Vorschlag zur Änderung von leichtem Gas auf Trippeln für UHV-Transformator

Angesichts des Risikos plötzlicher Fehler in UHV-Transformatoren, die die Sicherheit von Personen bedrohen, wird vorgeschlagen, die Aktion von leichtem Gas von Warnung auf Trippeln für UHV-Transformatoren zu ändern, aus folgenden Gründen:

• Frühe Aktion bei schweren Fehlern: Leichtes Gas kann bei plötzlichen schweren Fehlern vor schwerem Gas aktiviert werden. Das Trippeln bei leichtem Gas kann den defekten Transformator schnell isolieren und erhebliche Geräteschäden oder Personenschäden verhindern. (z.B. 2016: Ein UHV-Serie-Reaktor explodierte nach mehreren leichten Gaswarnungen; 2017: Leichtes Gas wurde 32 Sekunden vor schwerem Gas bei einem Umrichtertransformator-Bushing-Fehler aktiviert.)

• Netzstabilität: Das verstärkte Stromnetz kann den Verlust einer Ventilgruppe oder eines Transformators ohne Stabilitätsprobleme tolerieren.

• Reduziertes Fehlmeldungsrisiko: Verbessertes Management von nicht-elektrischen Relais (z.B. Installation von Regenschutzhauben, regelmäßige Probenahmen, Prüfung der Schaltkreisdichtung) hat Fehlmeldungen erheblich reduziert. Statistiken zeigen, dass es in Umrichterstationen (3 Jahre) und Umspannwerken (5 Jahre) keine Fehlmeldungen von leichtem Gas gab; 6 aufgezeichnete Aktionen waren auf unentlüftetes Gas während des Baus zurückzuführen (nicht auf Gerätefehler).

Vorübergehende Maßnahme: Bei instabiler Betriebsführung von UHV-Transformatorien sind alle Leichtgaskontakte (Isolierrohr-Aufsätze, Schaltgetriebe, Gehäuse) der Umrichter-Transformatorien, Haupttransformatorien und Spannungswandler auf Auslösung einzustellen, um die Sicherheit von Personal und Ausrüstung zu gewährleisten.

4.4 Implementierungsplan für die Anpassung von Leichtgas zur Auslösung

• Umrichter-Transformatorien: Softwareänderung über DC-Steuerungssystemauszug, um Leichtgassignale in Auslösung umzuwandeln. Kein Auslöseversuch erforderlich nach der Änderung (Signalkreise werden jährlich verifiziert); durchführen während geplanter Stilllegungen (1 Tag).

• Wechselstrom-Transformatorien: Verkabelungsänderung an den Schutzpaneele und Durchführung von Übertragungstests (1 Tag).