王義平，崔乘亮，黃春偉

(1.廣州華潤(rùn)熱電有限公司，廣東 廣州 511455;2.廣州智光電氣股份有限公司，廣東 廣州 510760)

1 引言

隨著節(jié)能意識(shí)的提高，高壓變頻技術(shù)在火電廠6kV系統(tǒng)的水泵和風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載中得到廣泛應(yīng)用。高壓變頻器主要由移相變壓器(干式變壓器)、功率單元、旁路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成，其中功率單元和控制系統(tǒng)由大量的電子元器件構(gòu)成，當(dāng)高壓變頻器出現(xiàn)故障，其變頻功能需退出運(yùn)行時(shí)，為滿(mǎn)足火電廠連續(xù)生產(chǎn)的要求，高壓變頻器可以轉(zhuǎn)入旁路工頻運(yùn)行，此時(shí)移相變壓器處于備用狀態(tài)，根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)變壓器運(yùn)行規(guī)程，備用狀態(tài)的移相變壓器需定期進(jìn)行絕緣檢查。本文將根據(jù)火電廠6kV手動(dòng)旁路高壓變頻器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在移相變壓器絕緣檢查中存在的短間隙放電和人員觸電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行闡述。

2 手動(dòng)旁路及運(yùn)行特點(diǎn)

高壓變頻器旁路系統(tǒng)根據(jù)切換設(shè)備及特點(diǎn)的區(qū)別，分手動(dòng)旁路和自動(dòng)旁路。在火電行業(yè)設(shè)計(jì)中，重要輔機(jī)均為雙側(cè)均衡配置，單側(cè)輔機(jī)故障后如果運(yùn)行方式調(diào)整恰當(dāng)，機(jī)組仍能穩(wěn)定運(yùn)行，手動(dòng)旁路可以滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝要求，此外手動(dòng)旁路投資成本相對(duì)較低，根據(jù)國(guó)內(nèi)幾家高壓變頻器設(shè)備配置統(tǒng)計(jì)，大部分用戶(hù)選擇手動(dòng)旁路方案[1]?；痣姀S常用的手動(dòng)旁路高壓變頻器系統(tǒng)主接線(xiàn)方式如圖1所示。

圖1 6kV手動(dòng)旁路高壓變頻器系統(tǒng)主接線(xiàn)

手動(dòng)旁路高壓變頻器在旁路工頻運(yùn)行時(shí)，K1刀閘斷開(kāi)，K2刀閘合于工頻位置。電氣一次接線(xiàn)如圖2所示，此時(shí)高壓變頻器的移相變壓器TM、功率單元系統(tǒng)退出運(yùn)行，轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)。

圖2 工頻運(yùn)行時(shí)高壓變頻器的一次接線(xiàn)圖

手動(dòng)旁路的高壓變頻器6kV進(jìn)線(xiàn)電源刀閘為K1，K1刀閘只帶有普通的隔斷功能。以6kV手動(dòng)旁路高壓變頻器中普遍使用的GN19－10型刀閘為例，其外觀設(shè)計(jì)(側(cè)面)如圖3所示。相關(guān)規(guī)程要求:刀閘斷口兩側(cè)距離設(shè)計(jì)要求不小于150mm[2]，而多數(shù)刀閘的實(shí)際設(shè)計(jì)距離就以150mm為標(biāo)準(zhǔn)，以某火電廠10臺(tái)手動(dòng)旁路高壓變頻器為例，其刀閘斷口兩側(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)為145～160mm。

3 移相變壓器絕緣測(cè)試

3.1 旁路運(yùn)行時(shí)移相變壓器絕緣測(cè)試要求

《配電變壓器運(yùn)行規(guī)程》DL/T 1102－2009和《電力變壓器運(yùn)行規(guī)程 》DL/T 572－2010規(guī)定干式變壓器在停運(yùn)和保管期間，應(yīng)防止絕緣受潮[3，4]。高壓變頻器使用旁路工頻運(yùn)行時(shí)，其移相變壓器處于停運(yùn)狀態(tài)，按照規(guī)程要求，需要定期對(duì)移相變壓器進(jìn)行絕緣檢查。

圖3 GN19－10型刀閘設(shè)計(jì)圖(局部)

移相變壓器絕緣檢查的主要工作為移相變高壓側(cè)對(duì)低壓側(cè)、鐵芯及地的絕緣測(cè)試。根據(jù)高壓變頻器的構(gòu)造，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試位置一般在移相變壓器附近，測(cè)試儀器的高壓引線(xiàn)接至移相變壓器高壓側(cè)繞組上，如圖4所示。

圖4 移相變壓器高壓側(cè)絕緣測(cè)試示意圖

3.2 儀器試驗(yàn)電壓等級(jí)選擇

在變壓器絕緣測(cè)試的相關(guān)規(guī)定中，《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》DL/T 596－1996、南方電網(wǎng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》Q(chēng)/CSG114002－2011要求繞組、鐵芯絕緣電阻采用2500V或5000V兆歐表[5，6]，大唐集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》Q(chēng)/CDT－2005、華北電網(wǎng)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》Q(chēng)/HBW14701－2008繞組絕緣電阻和吸收比采用2500V及以上兆歐表[7，8]。

4 刀閘斷口電壓差計(jì)算

對(duì)多數(shù)大中型火電廠的6kV電源系統(tǒng)，均為中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式，以常見(jiàn)300MW機(jī)組為例，6kV系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)40Ω電阻直接接地。手動(dòng)旁路的高壓變頻器移相變絕緣測(cè)試中，如果高壓變頻器旁路工頻運(yùn)行，則移相變壓器高壓側(cè)繞組絕緣測(cè)試的等效圖見(jiàn)圖5。

圖5 工頻運(yùn)行時(shí)移相變壓器絕緣測(cè)試等效電路圖

廠用6kV電源系統(tǒng)電壓正常運(yùn)行范圍為6.0～6.3kV，以6.3kV計(jì)算，K1刀閘帶電側(cè)(6kV電源側(cè))電壓有效值U1和峰值U2為:

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，6kV等級(jí)電氣設(shè)備絕緣測(cè)試如果使用5kV電壓等級(jí)試驗(yàn)儀器，則變頻器工頻運(yùn)行時(shí)，K1刀閘斷口兩側(cè)的峰值電壓為:

Umax=5.14+5.0=10.14kV

其中，絕緣測(cè)試中K1刀閘斷口兩側(cè)的電壓分布如圖6所示。

圖6 K1刀閘斷口兩側(cè)電壓分布

5 絕緣測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)分析

5.1 相關(guān)規(guī)定對(duì)安全距離的規(guī)定

《電力安全工作規(guī)程 發(fā)電廠和變電站電氣部分》GB 26860－2011中規(guī)定:6kV電壓等級(jí)無(wú)防護(hù)狀態(tài)(常規(guī))安全距離是 0.7m，有防護(hù)是0.35m[9]。而在高壓變頻器移相變絕緣測(cè)試時(shí)，刀閘斷口有效距離約僅為150mm，但電壓差峰值高達(dá)10.14kV?！?0kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50053－2013、《電氣裝置安裝工程 母線(xiàn)裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB 50149－2010規(guī)定額定電壓6kV電壓等級(jí)設(shè)計(jì):室內(nèi)、室外配電裝置的帶電部分至接地部分之間安全凈距離分別為100mm、200mm[10，11]。

5.2 短間隙交流放電特性

由氣隙放電理論可知，大氣的壓力、溫度、濕度等條件都會(huì)影響氣隙的擊穿電壓。海拔高度升高，空氣密度降低，氣壓降低空氣間隙的交流放電電壓降低[12，13]。研究表明:在海拔為 0 ～2850m 之間，放電電壓下降速度最快[14]。空氣相對(duì)濕度對(duì)氣隙放電電壓也有明顯影響，濕度不僅直接影響間隙的放電電壓，而且對(duì)放電電壓隨空氣密度的變化趨勢(shì)也有明顯影響[15]。

以某發(fā)電廠6kV共箱母線(xiàn)事故案例為例:該廠6kV共箱母線(xiàn)三相母線(xiàn)排之間各相中心線(xiàn)的設(shè)計(jì)距離為220mm，每相母線(xiàn)由兩塊截面積10mm×100mm的銅排并聯(lián)構(gòu)成，母線(xiàn)排分段連接處使用螺栓連接，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)三相母線(xiàn)排之間的最小距離為155mm(母線(xiàn)排分段連接處的螺栓間距)。在2011年至2012年間，該廠六組6kV共箱母線(xiàn)中，有三組先后發(fā)生了母線(xiàn)排相間放電短路的事故，其原因故障原因?yàn)?該廠地處南方沿海區(qū)域，逢持續(xù)降雨季節(jié)，由于共箱母線(xiàn)的密封性能不良，導(dǎo)致箱內(nèi)空氣的濕度很大(儀器監(jiān)測(cè)顯示濕度大于95%)，潮濕空氣在高電壓的作用下開(kāi)始游離，空氣的絕緣性能下降，共箱母線(xiàn)內(nèi)發(fā)生局部閃絡(luò)放電并發(fā)展為貫穿性放電，弧光引發(fā)三相短路[16]。

高壓變頻器目前的冷卻方式一般分為三種:風(fēng)道開(kāi)放式冷卻、空調(diào)密閉冷卻、空水冷密閉冷卻。為降低高壓變頻器冷卻系統(tǒng)的能耗，不少用戶(hù)采用移相變壓器柜和功率單元柜隔離分段冷卻的方式，即功率單元柜、控制柜空調(diào)密閉冷卻，移相變壓器柜、旁路刀閘柜風(fēng)道開(kāi)放式冷卻，開(kāi)放式冷卻方式將房間墻壁開(kāi)通風(fēng)孔，通風(fēng)孔僅裝設(shè)普通濾網(wǎng)凈化進(jìn)氣，在運(yùn)行環(huán)境的濕度控制方面，就等同于將旁路柜隔離刀閘置于戶(hù)外。

手動(dòng)旁路高壓變頻器K1刀閘斷口間150mm的短間隙在交流6kV電壓下，如果海拔或者空氣濕度達(dá)到一定條件，就可能發(fā)生放電。交流6.3kV電源的峰值電壓U3計(jì)算為:

U3小于K1刀閘絕緣測(cè)試中斷口兩側(cè)峰值電壓10.14kV，即使測(cè)試人員選擇2500V電壓等級(jí)的儀器進(jìn)行絕緣測(cè)試，K1刀閘斷口峰值電壓也達(dá)到7.64kV，仍然存在間隙放電的可能，有導(dǎo)致人員觸電的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

手動(dòng)旁路的高壓變頻器旁路工頻運(yùn)行時(shí)，旁路柜刀閘K1由于斷口距離受限，移相變壓器絕緣測(cè)試中存在放電的風(fēng)險(xiǎn)。為確保測(cè)試人員和設(shè)備的安全，對(duì)使用手動(dòng)旁路高壓變頻器的企業(yè)，提出以下兩條建議:

(1)高壓變頻器在旁路工頻運(yùn)行時(shí)，移相變壓器應(yīng)視為帶電設(shè)備，禁止進(jìn)行測(cè)試絕緣。

(2)在移相變壓器高壓側(cè)繞組絕緣測(cè)試時(shí)，必須確認(rèn)6kV電源開(kāi)關(guān)已經(jīng)斷開(kāi)并在分離(檢修)位置、變頻器進(jìn)線(xiàn)電源K1刀閘已經(jīng)斷開(kāi)后才能進(jìn)行。

[1]趙鎮(zhèn).高壓變頻器手動(dòng)旁路方式與自動(dòng)旁路方式應(yīng)用的比較[J].變頻器世界，2010(5):92－94.

[2]GB 1985－2004.高壓交流隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)[S].

[3]DL/T 1102－2009.配電變壓器運(yùn)行規(guī)程[S].

[4]DL/T 572－2010.電力變壓器運(yùn)行規(guī)程[S].

[5]DL/T 596－1996.電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[S].

[6]南方電網(wǎng)有限公司.Q/CSG114002－2011.電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[Z].

[7]大唐集團(tuán)公司.Q/CDT－2005.電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[Z].

[8]華北電網(wǎng)有限公司.Q/HBW14701－2008.電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程[Z].

[9]GB 26860－2011.電力安全工作規(guī)程發(fā)電廠和變電站電氣部分[S].

[10]GB 50149－2010.電氣裝置安裝工程母線(xiàn)裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[11]GB 50053－2013.10kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[12]朱德恒，嚴(yán)璋主編.高電壓絕緣[M].北京:清華大學(xué)出版社，1992.

[13]GB 311.1－1997.高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合[S].

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[15]徐勇，汪霄飛，朱英浩，等.大氣條件對(duì)空氣間隙放電特性的影響及其數(shù)值解析式[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007(4):21－25.

[16]廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院.華潤(rùn)南沙電廠“4.13”啟備變跳閘故障分析[R].廣東電力技術(shù)監(jiān)督，2012(4).