应急保电车故障引起的保电事故原因分析

张佳鑫,郑雄伟,田 霖,伊晓宇,宋伊娜

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.河北工业大学,天津 300131)

重要会议、重大赛事等对供电可靠性要求高的场合,一般会增设临时应急保电车提高供电可靠性[1-2],本文针对一起由应急保电车故障引起的保电事故,基于保电车事故记录、维修情况、现场勘察,以及故障元件放电部位、烧蚀严重程度、弧光发展情况,开展了理论推导和试验验证相结合的分析方法,得出引发此次事故的原因,进而提出应急保电车的使用建议,使其适应高可靠性运行要求。

应急保电车有2台同型号UPS主机并联组成,电气示意如图1所示。UPS主机共有3种工作模式[3-5]:在线模式,市电通过整流器整流,再经逆变器逆变,经静态开关后,输出给负载;经济模式,市电经过自动旁路,再经过静态开关后,输出给负载;手动旁路模式,市电经手动旁路后,输出给负载。Q1、Q2、Q3、Q4均为隔离开关,其与出口熔断器配合使用,开关型号为S5-06303PR0(AC23),其中AC23代表使用的是同类别开关中的最高级别,额定工频耐压1 k V,额定操作冲击耐压12 k V。

正式保电工作开始前预备会议期间,用户要求立即切换至保电运行模式。应急保电车现场操作人员查看当时总负载为200 k W,按照设备操作步骤要求进行至2号UPS某一开关操作后,设备出现“嘭”的异常声音,同时输入输出仪表黑屏,经查为保电车上一级供电配电室开关跳闸,供电中断。此次停电事故从断电到恢复共37 min,最后由配电室进行试送电,通过电源车1号UPS主机手动旁路给负载供电,负载恢复供电且一直正常工作到所有会议结束。停电事件时间段导出的UPS事件记录如图2所示。

图1 应急保电车电气示意

图2 UPS事件记录

根据事件记录可以看出:

(1)1号UPS依次完成了手动旁路Q3闭合、自动旁路Q2闭合、Q4输出开关闭合,于14:33:56检测到电压和频率异常;

(2)2号UPS依次完成了手动旁路Q3闭合、自动旁路Q2闭合、Q4输出开关闭合,最后一次动作时间为14:33:11,比1号UPS记录少了45 s。按照记录中连续操作的时间间隔看,每一动作的时间在10~20 s,45 s可以操作下一动作。事后根据电话信息调查确认,当时确实有Q3开关操作的情况,与UPS的导出记录相符。

3.1 现场踏勘排查

通过对保电车进行现场踏勘,重点对主要受损元件空间布置及电气连接进行现场查看。

(1)拆卸现场没有发现明显的异物痕迹或二次绕组松动。

(2)从现场UPS事件记录看停电前没有误操作启动在线模式的可能,因为在线模式的启动仍需要UPS控制面板的操作。

(3)自动旁路投入,在线模式尚未投入,静态开关无异常。

(4)静态开关是IGBT控制,不存在反向送电可能。

(5)事故发生时2号UPS车输入、输出断路器均没有动作。

根据现场踏勘情况绘制此次主要受损元件的空间位置及部分电气连接示意如图3所示。

图3 保电车主要受损元件空间位置及部分电气连接

3.2 试验分析

为查找确定事故原因,结合保电车现场踏勘情况,在现场对绝缘电阻、操作过电压进行了测试。

3.2.1 绝缘电阻测试

3.2.1 .1 试验过程

在UPS内部静态开关、整流逆变单元、浪涌保护器、锂电池组等模块进行隔离保护的条件下,测试UPS车输入、输出端的绝缘电阻。但试验中加压缓慢,呈现加压异常,经分析可能是保电车内部电子器件众多,涉及电路图中未显示的较多容性滤波元件。由于事故点在Q3、Q4开关处,经与厂家沟通决定拆卸Q4开关面板,并于该处接入500 V绝缘摇表,直接测得Q3-Q4间的相间、相地绝缘电阻。2号UPS与正常保电车均采用此绝缘测试方法,并在此基础上进行结果对比,绝缘电阻均采用绝缘摇表60 s时的结果。

3.2.1 .2 试验结果

2号UPS相间、相地绝缘电阻分别为0.4 MΩ、2.52 MΩ。正常保电车UPS相间、相地绝缘电阻分别为0.4 MΩ、2.55 MΩ。

3.2.2 操作过电压测试

Q1、Q2、Q3、Q4均为隔离开关,不具备灭弧能力,可以切断正常负荷电流,其与出口端的熔断器配合使用,试验时采用2个均为30 MW的纯阻性负载。

3.2.2 .1 试验过程

试验用示波器通过2个10∶1分压器接入两相试验电压信号,接入点在负载入口前,示波器采样频率为100 kS/s,试验中按1号、2号UPS操作流程共计进行断开Q3操作3次。第1次启动中保电车进行手动旁路、自动旁路、在线模式的3条回路全启动,第2次和第3次试验进行了从手动旁路至自动旁路后切Q3的操作。操作过程中UPS未见拉弧现象,示波器未监测到过电压,Q3分开,操作中未有电压波动。

3.2.2 .2 试验结果

经试验,1号、2号UPS试验电压结果对比一致,均不存在过电压。

3.2.3 试验结论

绝缘电阻测试结果显示,2号UPS Q3-Q4间相间、相地绝缘电阻分别为0.4 MΩ、2.52 MΩ,与正常保电车Q3-Q4间相间、相地绝缘电阻基本一致,相比而言相间更易发生短路故障。

经多次UPS启动开关分合试验,UPS投切过程运行平稳,未监测到过电压现象,保电事故中,自动旁路状态断开Q3开关均未出现异常。

3.3 理论分析

3.3.1 继电保护设置问题

如果2号UPS能够及时跳闸,则1号UPS仍能够正常供电,不会发生停电事故。经供电公司进一步核实配电室保护设定值为电流2.4 k A、动作时间50 ms,而保电车的保护设置为整定电流8 k A、动作时间50 ms反时限设置模式。因此,确认继电保护设置不合理是此次事故的直接原因[6]。

3.3.2 UPS未自动转入锂电池组供电模式问题

2台UPS从手动旁路模式转入在线模式,尚处在转换过程中,此时2台UPS的逆变器均未启动,1号UPS也无法转入电池模式工作。

3.3.3 开关分闸操作或输出滤波元件击穿问题

电力系统中分闸容性或感性负载会引起振荡过程,造成幅值很高的电压,称之为操作过电压,其频率约几十到几千Hz,峰值最高可达3~4倍最大相电压。但事故发生时,断开Q3操作,仍有2号UPS的自动旁路、1号UPS的手动旁路和自动旁路共计3回连通负载,因此负载即便是容性或感性设备,在始终投入的情况下,也不会存在操作过电压[7]。

棒棒间隙平均击穿场强约为3.8 k V/cm(有效值),棒板间隙的平均击穿场强约为3.35 k V/cm(有效值)。棒棒及棒板空气间隙的工频击穿电压和间隙距离关系曲线[8]可知,在均匀电场及稍不均匀电场中,气体间隙的操作50%击穿电压与工频击穿电压(峰值)实际上相同,击穿电压的分散性较小,击穿电压发生在峰值。1.5 cm工频击穿电压最低为5.0 k V(有效值),约为相间电压有效值(380 V)的13倍,50%击穿电压为相间电压峰值,最低为5.0k V,约为最大相间电压峰值(380V)的13倍。

输出的滤波电容元件一般是并联接入系统起到滤波作用,其击穿后类似于一根导线,不会引起过大的系统电压振荡。

综上可知,开关分闸操作或者输出滤波元件击穿不是产生过电压,进而引起相间短路及弧光飞溅的原因。

3.3.4 直流熔断器短路引起Q3、Q4相间短路问题

检查显示锂电池完好无损,因锂电池及熔断器出口侧短路,引起直流部分熔断器短路。短路发生后,熔断器断开,短路点消失,锂电池完好。直流熔断器的空间布置为Q3、Q4相间铜排短路的右上方,直流熔断器螺栓下口靠近Q3、Q4处并无熏黑,熏黑处仅为位于其螺栓的上部,因此,直流熔断器的短路不会引起Q3、Q4相间短路。

3.3.5 第一事故点分析

电池启动板是控制电路,采样板是二次回路,二者损坏不可能引起系统相间短路;从熔断器熏染现象分析,得到电池熔断器不会引起Q3、Q4相间短路;自动旁路滤波板及输出滤波板并联于电路中,其烧损击穿也不会引起相间短路故障;剩下只能是Q3、Q4铜排相间绝缘问题引起空气间隙击穿,进而引起相间短路的可能,Q3、Q4末端并联,一个元件发生相间短路会引起另一个相间短路放电。

由于采样板与Q4上口铜排的三相直接相连进行电压采样。在Q4的U型铜排相间短路后传递到采样板,导致采样板对其安装底板放电。短路弧光引起采样板上与电池启动板连接的142号接口短路,电池启动板上的142号接口与电池直接相连,导致电池正负极短路、熔断器熔断。而电池启动板与电池相连部分的接口有尖端,短路过电压导致连接端子的尖端对旁边的散热铝片放电。自动滤波旁路与系统并联,系统相间短路,滤波元件进而发生极间击穿放电。

3.4 原因确定

停电的直接原因:保电车UPS自带输入断路器(8 k A,0.05 s)与配电室出口开关保护(2.4 k A,0.05 s)级差配合不合理,造成越级跳闸。

停电的根本原因:开关出口铜排相间绝缘问题引发的相间短路,进而造成短路放电、飞弧喷溅,从而引起配电室的开关跳闸,负载断电。从事后绝缘测试结果看,相间绝缘在事故后已恢复至正常状态,因无第一现场直接证据,无法确定是否异物等引起相间短路。

10月25日9时30分,UPS主机厂家工程师带备件到现场维修,更换受损备件20件,包括2块滤波板(1块自动旁路输入滤波板、1块输出滤波板),9颗熔断器(3颗损坏、6颗只是外观熏黑),1块采样板,1块电池启动板,7块散热U型铜排。维修完成后设备开机,一次成功,空载和带载(60 k W)测试主机均无异常,电源车主机系统维修测试完成。此外还对开关出口铜排相间绝缘进行了绝缘化。该保电车经处理后,在后续的保电中未发生过异常。

保电车继电保护设置不合理是此次事故的直接原因,事故的根本原因为开关出口铜排相间绝缘问题引发的相间短路,进而造成短路放电、飞弧喷溅,从而引起配电室的开关跳闸,负载断电。

因此,对于高可靠性保电场合,在今后应急保电车使用中,建议采取以下措施:

(1)保电前确认配电室保护设置,设置保电车UPS合理的保护定值,确保上下级差配合;

(2)保电正式开始前,需要预留足够的时间,进行设备状态的检查,以及设备工作模式的调整;

(3)对相间距离小、绝缘裸漏的铜排进行绝缘包覆,防止异物或其他原因引起相间短路问题。