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          核電廠6kV母線電壓互感器燒毀事件分析

           

                 核電廠廠用電出于核安全考慮,每臺機組配備完全獨立的A, B列兩個系統,做到了完全的電氣隔離和實體隔離。廠用中壓6 kV系統采用中性點不接地的運行方式,其好處是允許廠用電接地運行2h,接地故障期間可進行故障排查,盡快恢復供電系統正常運行;不利的地方是易使機組三相對地電壓不穩定,造成諧振,給核電機組的穩定運行帶來不安全因素。

                中壓6kV系統諧振現象在電廠廠用電系統中普遍存在,對電廠影響很大,在電壓互感器(以下簡稱PT)一次中會產生很大電流,導致PT一次熔絲熔斷,若熔絲選擇不當,甚至還會使PT燒毀,對核電廠的安全穩定運行造成嚴重威脅。電廠1號機組在系統調試期間發生鐵磁諧振,三相相電壓同時升高并在4.0~4.3kV擺動。事后為避免諧振再次發生,在每臺機組6 kV母線PT處加裝消諧裝置

          事件概述

                 2014年11月,電廠例行對公共段母線9LGIB進行停盤檢修,9LGIB母線是由#1機組的1LGC母線和#2機組的2LGD母線互為備用供電,2LGD母線PT處裝有消諧裝置,送電前系統供電如圖1所示。 

          6KV廠用電接線圖

                 2014年11月26日,對9LGIB母線進行復役操作,將2LGD105JA合閘進行9LGIB母線沖擊送電時,主控觸發9LGIB接地報警,2LGD系統接地報警,斷開2LGD105JA后現場檢查9LGIB母線PT己經燒壞。現場查看PT的C相已經燒毀,內層線圈過熱燒黑,三相PT熔絲與微動開關之間傳動桿斷裂。解體發現PT外殼完全炸裂,線圈完全裸露,只保留少量破損的外殼陶瓷塊,一次/二次線圈受到嚴重破壞,扭曲變形揉成一團,線圈絕緣大部分損毀;損毀PT有明顯短路放電痕跡,碳化嚴重,線圈之間、線圈與鐵芯都存在短路放電現象,如圖2,3所示。

          事故分析

          鐵磁諧振

                 在核電廠廠用電6 kV不接地系統中,為繼電保護和測量需要,在母線上都設有電磁式PT,其特點是系統的中性點是不接地的,而PT的中性點是接地的。PT磁路易于飽和,在系統發生接地和波動的誘發下,電壓異常升高相PT的磁路飽和,當互感器的電感與電容設置不合理時就會產生諧振。而當系統電抗與電容參數匹配時,就會發生串聯鐵磁諧振,導致PT諧振過電流。

                 中性點不接地系統中,其母線上的PT采用中性點直接接地的星形接線方式,每相線路對地電容與各相PT高壓繞組是并聯關系。當系統發生單相接地時,PT的中性點成為系統與大地連接的唯一通道。若單相接地轉換為間歇性接地故障,則會在很短時間內使PT的鐵芯進入深度飽和。如果電源電壓突變,就會在繞組內產生很大的勵磁涌流,極有可能使PT瞬間損壞。

                 當系統發生接地故障后,首先想到的是系統中母線PT的感抗和系統的對地電容間達到鐵磁諧振條件。通過邵特和彼得遜曲線可以看出,隨對地電容和PT起始勵磁電感的增大,激發出分頻、基頻和高頻諧振。

                 諧振區域與阻抗比Xc0/Xle對應關系如圖4所示,Xc0/Xle的值大于3. 0或小于0.01l即不會發生諧振。從圖4可知,分頻諧振區域的Xc0/Xle約為0.01~0.08,基頻諧振區域為0.08~0.8,高頻諧振區域為0.8~3.0。分析認為,系統諧振過電壓頻率往往低于額定頻率,即次同步諧振,使得鐵芯處于高飽和狀態,故障時PT鐵芯嚴重發熱,進而造成PT燒損。經計算,機組發生故障時Xc0/Xle約為0.097,即不會發生或很難發生分頻諧振;同時根據錄波文件,在錄波啟動前波形未發現次同步諧波。因此,可以排除鐵磁諧振的可能性。

          不同諧波共振區域圖

          間歇性接地弧光過電壓

                 在電力系統發生單相接地故障時,如果故障點電弧熄滅與重燃交替發生,就很容易造成弧光接地過電壓。系統中發生間歇性弧光接地時會產生時間很長的過電壓,此時絕緣較差或存在絕緣隱患的設備很可能會因發生過電壓而損壞。另外,應引起重視的是在弧光接地過電壓情況下,PT脫離線性工作范圍進人飽和區域,在單相接地切除故障瞬間,正常相電容存儲的電荷量會進行重新分配,在三相回路中對地電容和PT的一次感抗形成零序振蕩回路。若振蕩是低頻振蕩,則低頻磁鏈使PT瞬間達到飽和,在PT的一次繞組形成過電流。

                 故障發生后,現場進行了勘察,故障范圍僅限于PT柜體區域,目視檢查PT以外區域(如觸頭絕緣罩等)均未發現電弧灼傷痕跡,因此初步排除故障前系統發生弧光接地過電壓的可能性。另外,在系統發生弧光接地過電壓的情況下,該中壓母線其它開關設備理應出現報警等情況,但故障檢查時也未查得類似信息。PT小車修復完成后,執行送電前,對該一母線進行送電前絕緣測試,未發現絕緣故障,并成功送電。因此,此次PT損毀故障排除由系統單相接地故障誘發弧光接地過電壓的可能。

          二次回路因素

                 電廠目前普遍采用3個單相PT接成Yn/ Yn/△形式,輔助繞組為開口三角形連接方式,構成零序電壓供給接地保護和絕緣監測。目前核電站配置的6 kv廠用零序電壓主要供給接地保護用,電磁式PT主要例行試驗項目如檢查互感器本身的質量好壞,而對二次系統接線是否正確無法做出判斷。

                 故障發生后,對PT二次負載回路進行了檢查,測試了回路的絕緣阻抗等,未發現異常。對PT本體小車內的二次回路進行了檢查,二次接線正確、緊固,二次電纜外觀良好,無過熱發黑現象,絕緣測試合格,但不能排除PT本體二次繞組存在絕緣隱患的可能性。

          PT自身缺陷

                 在結合理論分析與現場故障勘察的基礎上,排除以上三種因素,分析認為造成該PT損毀的原因為PT高壓繞組絕緣缺陷。對損毀PT進行外觀檢查,不難發現PT繞組存在明顯的過熱痕跡,不排除該PT在正常運行時已經存在絕緣隱患,此時PT尚可正常運行,但在PT受電瞬間,PT所在回路的一系列暫態效應,使得本已存在絕緣隱患(如縱絕緣失效)的PT局部發生擊穿,進而形成匝間短路等故障。由于該PT采用澆注封裝,因此局部發熱產生的熱量無法及時釋放,將在局部迅速發展,直至發展成為整體燒毀性故障。

                 樹脂絕緣的半絕緣結構PT采用澆注結構,結構緊湊、線圈細、匝數多,在制造過程中若在絕緣內部有氣泡、雜質、異物,或線圈加工有絕緣缺陷,則在運行中受振動、溫度等電磁力的影響,會出現局部過熱、放電等故障,導致互感器發生故障。同時,對于半絕緣PT,現場一般無條件進行耐壓試驗和局部放電試驗,其絕緣缺陷不容易被發現,也引起過多起事故。此外,故障期間多次出現PT的C相接地信號,存在因動靜觸頭接觸不良不到位導致故障的可能性。PT熔絲為彈簧觸指結構,出現卡澀就會導致動靜觸頭接觸不良,引起PT多次充放電,產生過電壓。PT熔絲額定電流值過高,故障期間出現多次接地信號,其接地電流無法達到熔絲熔斷值,導致熔絲不能起到保護作用,PT在故障初期未能被及時隔離開,使其處于故障狀態的時間延長,故障后果加劇。

          預防及改進措施

              (1)定期進行預防性檢查。按照預防性試驗規程要求,特別是對于關鍵供電系統的PT設備,應嚴格執行定期預防性檢查項目,確定該PT的參數與出廠相比無實質性變化。

              (2)重點設備開展感應耐壓試驗。PT內部早期的局部輕微故障無法察覺,其它常規檢測手段如絕緣電阻、直流電阻等試驗都無法發現,但隨著故障的發展,能量積累會引起過熱,進而導致PT發生爆裂,引發設備損壞事故。對于重要場所的半絕緣PT,為確保其絕緣的可靠性,在進行常規試驗檢測的同時,建議依據相關標準開展感應耐壓試驗,對PT縱絕緣進行全面監督。

              (3)完善PT投運前的檢查。為確保PT正常投切,在PT投運前,應對PT的動觸頭的靈活性和可靠性進行檢查,確保動靜觸頭接觸可靠。

              (4)重視保護信號,及時處理接地故障。當系統發出接地信號時,雖不影響運行,但應盡快消除接地故障,防止過電產生,影響設備運行。同時,加強日常檢修和巡視工作,互感器運行期間應通過巡檢等方式對其運行參數等進行有效跟蹤,及時發現并排除隱患。

              (5)PT一次熔絲配置偏大,9LGIB母線配置PT熔絲額定電流為6. 3A,特殊工況下起不到保護作用。參考目前其它核電機組修改為2A,確認PT熔絲額定電流值的合理性。

           

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