工业硅电炉变保护装置烧坏原因分析及改进.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 149 工业硅电炉变保护装置烧坏原因分析及改进 武荣强 承 志 新疆西部合盛硅材料有限公司，新疆 石河子 832000 摘要：摘要：工业硅冶炼是一种高耗能生产工艺，对电力的供应依赖性很强，在生产中如果出现供电中断会对工业硅的品质和成本造成很大的影响，同时对冶炼设备以及电极的寿命威胁也很大。通过对工业硅炉变压器 110kV 保护装置烧坏及炉变断路器跳闸现象进行分析，找出配电系统设备布局不合理、支撑绝缘瓷瓶容易积灰、设备接地下引线不科学、接地网接地电阻不合格、断路器二次控制回路敷设不合适等原因，并提出改进措施，保证了工业硅冶炼供电的可靠性。关键词：关键词：SF6 断路器；保护装置；沿面放电；接地电阻；改进 中图分类号中图分类号：TF065 工业硅冶炼是一种高耗能生产工艺，对电力的供应依赖性很强，如果供电中断对工业硅的品质和成本造成很大的影响，对冶炼设备以及电炉电极的寿命威胁也很大。保证工业硅冶炼供电可靠性非常重要。某工业硅厂共有四台工业硅炉，其供电方式为110kV等级单回路供电，110kV母线采用单母线延长（架空母线通过隔离开关延长）方式：一条进线，五条出线（一条动力变压器出线，四条电炉变压器出线），电炉变压器型号：HKSFPZ-13000/110。室外变电所站内设备有：进线断路器、电流互感器、架空母线、电器互感器、动力变出线 SF6 断路器。110kV 母线采用 240/35 规格钢芯铝绞线经过站内高压隔离开关架空延伸至工业硅炉厂房外，再通过四台户外 LW38-126 型 SF6 断路器分别给四台电炉变供电。本厂供电一次系统图如图 1 所示。每条电炉变出线配置一套微机保护装置，保护器型号 DCAP-5300，微机保护装置安装在二楼控制室。断路器分合控制采用就地和二楼控制室两地控制。图 1 本厂供电一次系统图 1 事故现象 2021 年 3 月 2 日，当天大雾，能见度很低，空气湿度达 90%，给电炉变供电的户外 SF6 断路器及高压隔离开关瓷瓶拉弧绝缘沿面对地放电，造成 2#电炉变二次控制线路烧坏，2#电炉变 SF6 断路器跳闸，2#电炉变保护装置烧坏，2#电炉停电停产 28 个小时。事故跳闸后，进行现场查看发现，强大的拉弧绝缘沿面放电电压经过 SF6 断路器本体对固定在底部柜框架上的分合闸控制箱进行放电，放电电压通过分合闸控制箱外壳传到箱内二次回路，造成分合闸控制箱内二次回路控制线烧熔，多根控制线对地短路，粘连在箱体外壳上。同时，放电电流经过二次线传到控制室保护屏上，造成保护装置背后接线端子烧熔，保护器烧坏，户外 SF6 断路器瓷瓶底座有大量拉弧放电痕迹如图 2所示。图 2 烧坏的分合闸控制箱和保护装置 中国科技期刊数据库 工业 A 150 2 原因分析（1）由于四台户外 SF6 断路器及高压隔离开关处在工业硅炉生产厂房、原料库及自动上料皮带长廊之间，1#炉变断路器与 2#炉变断路器之间设置了运料走廊，使得 2#、3#、4#炉变的断路器完全被建筑物包围，平面布局如图 3 所示。通风不畅，运行环境条件很差，生产及原料传送过程中扬起的灰尘很容易积落聚集在瓷瓶伞裙的表面，减小了瓷瓶表面的爬电放电电阻。加之当天大雾，空气湿度大，瓷瓶表面周围空气绝缘强度下降，造成了瓷瓶爬电放电拉弧。图 3 户外 SF6 断路器及高压隔离开关平面布置图（2）我们用 HT2571 型接地电阻测试仪对站内接地网的接地电阻进行测试发现：SF6 断路器金属框架接地端子对地接地电阻 11，大大超过规范规定的 4值标准。交流电气装置的接地设计规范GB500652011 规定，110kV 及以上发电厂和变电站接地网设计的一般要求：不接地、谐振接地、谐振低电阻接地和高电阻接地系统，应符合下列要求：1）接地网的接地电阻应符合公式 R120/I g 的要求，但不应大于 4。将断路器周围接地网挖开发现水平接地极已经严重腐蚀断裂。检查发现户外 SF6 断路器框架上的分合闸控制箱外壳接地螺栓有松动锈蚀现象。测试控制箱外壳接地端子对地接地电阻 11.3，也就是说，从控制箱到接地网下引线之间有 0.3接触阻值。本站户外SF6 断路器为三相分体式，每相 SF6 断路器瓷瓶底座用6 个 M25 的镀锌螺栓固定在金属型钢框架上部，框架本体经过接地断卡用一只 M12 的镀锌螺栓与接地下引线（-40 的镀锌扁钢）相连入地与接地网相连。每相 SF6断路器瓷瓶底座有非常明显的拉弧痕迹。这可能是造成控制箱外壳高电压的主要原因。因我们没有条件和机会再次测当时的放电电压，但从设备拉弧痕迹、接地现状及接地电阻值来分析，当时的放电电压很高，电流很大，控制箱的对地电压至少超过上万伏。（3）检查控制箱内发现，控制箱内控制电缆芯线的绝缘层绝缘等级为 450/750V（相间耐压 750V，对地耐压 450V）；剥掉电缆保护层的二次控制回路芯线没有放入塑料走线槽内，二次芯线的绝缘层直接与控制箱外壳相接触。这可能是造成放电电压经过箱体外壳击穿二次线绝缘的重要原因。（4）进一步检查控制室保护屏发现，保护屏接地母排和零母共用，同时控制电缆的保护屏蔽层接到了零地不分母排上。控制保护屏安装在二楼电炉控制室，保护屏的保护接地经过厂房钢结构与大地相连，没有专用接地下引线。用 HT2571 型接地电阻测试仪在柜内接地端的接地电阻进行测试发现：接地端子对地接地电阻 8.4，超过规范规定的 4值标准，进一步说明设备拉弧放电，传到二次回路的电压远远超过设备的承受值。直流控制线与信号线共用一根电缆，造成了相互干扰。这可能是造成强大的拉弧击穿电流沿着二次线串入了保护器中，烧坏了保护器的原因之一。（5）控制回路二次线在现场分合闸控制箱内烧熔短路，提前接通了户外 SF6 断路器跳闸回路，引起 2#电炉变跳闸，并非是保护装置出口误动作引起。由于保护装置被烧坏，故障信息无法调取。因 2#电炉变保护装置电流采样用的电流互感器是安装在变压器高压绕组引出线瓷瓶升高座内，本 2#电炉变无差动保护，只有电流保护和分电量保护。SF6 断路器瓷瓶拉弧放电点在电炉变保护器保护范围外，这就进一步证明了，2#电炉变断路器跳闸很可能是二次线烧熔短路引起的。（6）由于保护装置被烧坏，保护整定值无法读取。我们调取了当年电气预防性试验时对 2#电炉变断路器保护定值校验记录，没有发现异常，如表 1 所示。说明2#电炉变断路跳闸不是保护装置本身引起。通过现场查看、检测调取历史记录及分析，认为本次事故由以下几个原因造成：（1）环境大雾造成空气绝缘强度降低，电离电弧放电。（2）运行环境差，绝缘瓷瓶太脏，爬电距离不够。（3）接地网接地电阻不合格，规范参考值 4。（4）控制电缆二次线的绝缘强度偏低（450/750V）。（5）二次线信号线与直流控制线共用一根电缆，相互干扰。中国科技期刊数据库 工业 A 151（6）控制电缆屏蔽接地不良，设备接地电阻不合 格，超过规范值 4。（7）控制保护屏接地不规范，零、地母排没有分开，相互干扰。（8）现场分合闸控制箱内二次线没有入槽敷设。3 改进实施 根据分析结果，我们决定实施以下改进。（1）将原料库房及自动上料皮带长廊面向 SF6 断路器一侧的所以门窗洞口进行封闭处理，使灰尘尽量减少外冒出来。（2）拆除 1#炉变断路器与 2#炉变断路器之间的运料走廊，使断路器周围尽量保持通风良好是，减少灰尘在绝缘瓷瓶表面上聚集。（3）对户外 SF6 断路器支持瓷瓶进行绝缘强化防污闪处理，在瓷瓶本体上各加装5片硅橡胶绝缘伞裙，伞裙间距 300mm；在断路器两侧的隔离开关支持绝缘瓷瓶上各加装 4 片硅橡胶绝缘伞裙,伞裙间距 250mm。同时在所有支持绝缘瓷瓶上喷上防污闪涂料，以增大瓷瓶的爬电距离和表面绝缘强度。（4）重新制做安装站内接地网及下引线，经测试新接地网的接地电阻 0.21以下，使拉弧放电流快速导入大地，同时也降低了拉弧放电时分合闸控制箱的对地电压。（5）在 SF6 断路器框架上的接地下引线向上沿伸到框架底部，分别将三相 SF6 断路器瓷瓶基座直接与表 1#2 炉变压器保护定值校验单#2 炉变压器保护定值单 容量 12600kVA 保护器型号 DCAP-5300 CT 变比 200/5 保护器厂家 湖南紫光 序号 定值名称 单位 参数值 校验值 1 过流一段 A 13 12.98 2 过流一段延时 S 0 0 3 过流二段 S 2.39 3.38 4 过流二段延时 S 0.6 0.6 5 过流三段 A 2.2 2.21 6 过流三段延时 S 9 9 7 过负荷 A 2.1 2.1 8 过负荷延时 S 10 10 9 复合电压低电压 V 70 69 10 复合电压负序电压 V 8 8 11 零序过压 V 50 50 12 零序过压延时 S 0.5 0.5 13 零序过流一段 A 2.5 2.5 14 零序过流一段延时 S 0.5 0.5 15 负序过流 A 10 10 16 负序过流延时 S 10 10 17 TV 断线有流 A 0.2 0.2 18 TA 断线有流 A 1.2 1.2 备注：1、非电量 I：超高温跳闸（85）；2、非电量 II:重瓦斯跳闸；3、非电量 III：压力释放#2 炉变压器保护软压板 序号 压板名称 压板方式 压板状态 1 过流一段 投入/退出 投入 2 过流二段 投入/退出 投入 3 过流三段 投入/退出 投入 4 过流一段方向 投入/退出 退出 5 过流二段方向 投入/退出 退出 6 过流三段方向 投入/退出 退出 7 过流一段经复合电压闭锁 投入/退出 退出 8 过流二段经复合电压闭锁 投入/退出 退出 9 过流三段经复合电压闭锁 投入/退出 退出 10 负序过流 投入/退出 退出 11 TV 断线报警 投入/退出 退出 12 TV 断线闭锁方向复压 投入/退出 投入 13 TA 断线报警 投入/退出 退出 14 控制回路断线报警 投入/退出 投入 15 非电量跳闸 投入/退出 投入 中国科技期刊数据库 工业 A 152 下引线相连，减少接地下引线接触电阻，具体做法如图4 所示。图 4 户外 SF6 断路器框架接地做法图（6）将 SF6 断路器框架上的分合闸控制箱外壳重复接地（两处），使箱体到地网之间的接触电阻降到最低，经测试控制箱与接地下引线的接触电阻 0.01。（7）更换二次芯线耐压等级为 750/1000V 的控制电缆，以提高耐压击穿电压。同时将分合闸控制线与信号线芯线分设不同的电缆，减少干扰，防止断路器误动作。（8）在控制箱内加装塑料绝缘汇线槽，将控制电缆二次芯线放入汇线槽，避免与箱体外壳直接接触，增加二次线抗耐电压能力。同时将控制电缆屏蔽层两端同时接地，以克制可能出现的暂态感应电压。（9）将三楼控制室内保护屏的接地直接经过-40镀锌扁钢引入新做接地网，同时将保护屏零母排与地母排分开，经测试柜内接地端子的接地电阻 0.76。（10）更换新的同型号的微机保护装置。（11）在每台SF6断路器出线与电炉变压器之间，加装阻容吸收器，阻容吸收器参数：电阻值 100，电容值 0.1F，有效的吸收了操作过电压，保护了电气设备。（12）加强供用电设备的巡检、维护工作，特别是室外电气设备的巡检维护，按规范定期进行预防性试验。每年春秋两次对所有绝缘件进行清理擦拭，保证绝缘件的清洁。4 改进效果 通过改进实施已经运行两年。这两年的春季大雾天气时，绝缘瓷瓶也有轻微的放电拉弧，但电弧长度远小于改进前，瓷瓶底部没有放电痕迹，保护装置运行正常，断路器没有发生误动跳闸现象，有效地保护了 SF6断路器及电炉变压器的安全运行，保证了工业硅电炉安全正常生产。参考文献 1李彬,郑连清.110kV 变电站接地电阻的降低与核算J.四川电力技术,2013(4)60-63.2麦少迪.电炉变压器电流互感器安装不当引起频繁跳闸J.电世界,2016(3):10-11.3和晓辉等.220kVGIS 隔离开关对地放电故障案例分析J.云南电力技术,2023(4):69-72.4任明等.绝缘子沿面放电多光谱脉冲演化特性及诊断方法J.电工技术报,2023(2)806-817.5张清.一起10kV开关柜沿面放电缺陷分析J.照明电器,2021(10):95-97.6索亚楠.一起母线进线柜电晕及沿面放电缺陷分析J.农业电气化,2022(2):34-37.7交流电气装置的接地设计规范:GB500652011S.8罗斌.变电站(所)的防雷接地技术应用J.广西电业,2023(2):68-73.作者简介：作者简介：武荣强，男，大学本科，高级工程师，研究方向：工业硅电炉供配电节能及控制。承志，大学本科，工程师，研究方向：工业硅冶炼工艺及设备，石墨电极。