摘" 要：變電站10～35 kV高壓開(kāi)關(guān)柜的故障時(shí)有發(fā)生，為此通過(guò)實(shí)際案例，分析其故障原因。認(rèn)為絕緣材料老化、柜內(nèi)濕度超標(biāo)導(dǎo)致凝露和導(dǎo)電回路接觸電阻增大致使溫度過(guò)高是造成開(kāi)關(guān)柜故障的內(nèi)部主要原因，而雷電過(guò)電壓和弧光接地過(guò)電壓則是導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜故障的外部主要原因。針對(duì)這些故障原因，提出相應(yīng)防范措施。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)柜；故障；防范措施；過(guò)電壓；電弧光保護(hù)

中圖分類號(hào)：TM643" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）36-0165-05

Abstract： Faults of 10～35 kV high-voltage switchgear in substation occur from time to time. Therefore， the reasons for the failure are analyzed through practical cases. It is believed that aging of insulating materials， excessive humidity in the cabinet， resulting in condensation and excessive temperature resulting in increased contact resistance of conductive circuits， are the main internal causes of switchgear faults， while lightning overvoltage and arc grounding overvoltage are the main external causes of switchgear faults. Aiming at these failure causes， corresponding preventive measures are put forward.

Keywords： switchgear; fault; preventive measures; overvoltage; arc light protection

高壓開(kāi)關(guān)柜因其結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于10～35 kV配電網(wǎng)中。但因其集成度高，內(nèi)部元器件多，而對(duì)設(shè)計(jì)布局、制造工藝、運(yùn)行環(huán)境等的要求也比較高。近年來(lái)，隨著高壓開(kāi)關(guān)柜的大規(guī)模應(yīng)用，其故障數(shù)量也不斷增多。高壓開(kāi)關(guān)柜的故障往往具有以下特點(diǎn)：①高危害性，故障產(chǎn)生的短路電流會(huì)引起開(kāi)關(guān)柜放電、燃燒、甚至爆炸；②多重性，由于高壓開(kāi)關(guān)柜設(shè)備配置密度大，一旦其中一臺(tái)出現(xiàn)故障往往會(huì)引起鄰柜的連鎖反應(yīng)，從而擴(kuò)大事故的停電范圍；③突發(fā)性，高壓開(kāi)關(guān)柜的安全運(yùn)行受溫度、濕度等環(huán)境因素影響敏感，其中一個(gè)因素在特定時(shí)間段發(fā)生突變，就有可能引發(fā)其故障現(xiàn)象的出現(xiàn)。鑒于上述情況，我們有必要對(duì)高壓開(kāi)關(guān)柜的故障原因進(jìn)行分析和判斷，進(jìn)而提出切實(shí)有效的防范和治理措施。

1" 典型故障案例

案例一：某110 kV變電站2臺(tái)10 kV出線開(kāi)關(guān)柜在1 h內(nèi)連續(xù)發(fā)生了異相接地，引起短路接地故障，最終導(dǎo)致兩出線柜大范圍燒毀。

案例二：某220 kV變電站3#主變差速保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)主變（220 kV/35 kV兩圈變）兩側(cè)開(kāi)關(guān)，3#主變、35 kV母線失電。主變35 kV開(kāi)關(guān)柜部分絕緣件上有水跡，主變35 kV電纜頭上有水珠，開(kāi)關(guān)室濕度達(dá)到90%。保護(hù)裝置顯示，故障為三相短路，短路電流為17 kA，短路時(shí)間60 ms。

案例三：某110 kV變電站10 kV母分過(guò)渡柜內(nèi)發(fā)生觸頭盒燒毀事件，10 kV母分過(guò)渡觸頭柜靜觸頭盒搭接處，直到整個(gè)觸臂完全燒毀。

案例四：某110 kV變電站發(fā)生35 kV母線絕緣擊穿事件。故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作情況為18時(shí)06分37秒，35 kV水廠3652線故障，線路過(guò)流I段動(dòng)作，開(kāi)關(guān)跳閘；18時(shí)06分38秒，重合閘動(dòng)作，因故障仍存在，過(guò)流I段、過(guò)流加速動(dòng)作再跳開(kāi)關(guān)。

案例五：某220 kV變電站發(fā)生一起因10 kV開(kāi)關(guān)柜故障引起的10 kV母線失電事件。保護(hù)顯示，19時(shí)56分19秒546毫秒，杭大8661線發(fā)生短路故障，19時(shí)56分21秒135毫秒，杭大8661線過(guò)流保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)開(kāi)關(guān)；20時(shí)10分17秒523毫秒，10 kV II段母線故障，20時(shí)10分20秒28毫秒，2＃主變10 kV后備保護(hù)過(guò)流II段動(dòng)作，跳開(kāi)2#主變10 kV II段母線開(kāi)關(guān)。

2" 故障原因分析

2.1" 絕緣件老化

案例一即為一起典型的因絕緣件老化導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜絕緣擊穿事件。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 11252—2018《12 kV高壓開(kāi)關(guān)柜選型技術(shù)原則和檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：額定電壓12 kV，相間和相對(duì)地最小空氣間隙大于等于125 mm，且不應(yīng)使用絕緣隔板[1]。從案例一現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，故障10 kV開(kāi)關(guān)柜金屬中隔板到進(jìn)線側(cè)觸頭盒表面的距離大于100 mm，而出線側(cè)觸頭盒表面到金屬中隔板的空氣凈距離小40 mm（圖1），兩者均不符合要求。另外，理論上，電場(chǎng)分布與空氣距離有直接的關(guān)系，由于出線側(cè)觸頭盒到金屬中隔板距離比進(jìn)線側(cè)觸頭盒到金屬中隔板的距離小，其中的空氣電場(chǎng)強(qiáng)度必然比進(jìn)線側(cè)大，也就更容易產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。出線側(cè)觸頭盒長(zhǎng)期局部放電導(dǎo)致了觸頭盒內(nèi)壁被燒蝕，使觸頭盒絕緣材料逐漸老化，最終發(fā)生了絕緣擊穿事故。

2.2" 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)濕度超標(biāo)

目前，高壓開(kāi)關(guān)柜普遍安裝于室內(nèi)，雖然開(kāi)關(guān)室內(nèi)采取了加裝吸濕器等的防潮措施，但潮氣一旦進(jìn)入開(kāi)關(guān)柜內(nèi)往往就很難排出。絕緣件沿面閃絡(luò)電壓與空氣相對(duì)濕度有很大關(guān)系，其關(guān)系曲線如圖2所示。

案例二即為一起典型的由于開(kāi)關(guān)柜內(nèi)空氣相對(duì)濕度過(guò)高引起的絕緣擊穿事故。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和保護(hù)動(dòng)作信息分析：因主變35 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)空氣相對(duì)濕度較大，致使3#主變35 kV計(jì)量CT表面凝露，由于該CT為倒置式安裝，凝露集中在CT導(dǎo)體端附近的絕緣裙邊，發(fā)生單相沿面放電，并迅速發(fā)展為相間短路（串?。?，最后導(dǎo)致三相短路，造成3#主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)主變二側(cè)開(kāi)關(guān)。

2.3" 導(dǎo)電回路接觸電阻增大

絕緣材料的絕緣電阻隨溫度的上升而下降，溫度越高，絕緣材料的絕緣性能越差。為保證絕緣強(qiáng)度，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 11026《電氣絕緣材料耐熱性》，絕緣材料按耐熱等級(jí)都有一個(gè)最高允許工作溫度（表1），在此溫度以下絕緣材料可以長(zhǎng)期安全地使用，超過(guò)這個(gè)溫度就會(huì)迅速老化。

案例三即為一起典型的因開(kāi)關(guān)柜內(nèi)絕緣件溫度過(guò)高導(dǎo)致的絕緣擊穿事故。判斷故障原因?yàn)?0 kV母分過(guò)渡觸頭柜內(nèi)靜觸頭盒絕緣下降，進(jìn)而擴(kuò)大到三相接地短路。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查：10 kV母分過(guò)渡觸頭柜為大電流柜（額定電流3 150 A），其靜觸頭直徑（109 mm）比普通出線柜靜觸頭直徑（35 mm）大3倍，但都采用一顆螺栓與銅板固定，加上手車動(dòng)觸頭與柜內(nèi)靜觸頭同心度安裝工藝不精準(zhǔn)，靜觸頭長(zhǎng)期受動(dòng)觸頭扭矩的應(yīng)力作用，導(dǎo)致10 kV母分過(guò)渡觸頭柜靜觸頭固定螺栓松動(dòng)，使靜觸頭與連接銅排產(chǎn)生間隙，接觸電阻增加又造成溫度的升高過(guò)熱，絕緣件被長(zhǎng)期炙烤，直至完全喪失絕緣能力，最終燒毀外絕緣，發(fā)生內(nèi)部接地短路故障。

2.4" 過(guò)電壓作用

2.4.1" 雷電過(guò)電壓

案例四是一起典型的雷電過(guò)電壓事件。當(dāng)時(shí)該地區(qū)雷雨交加，水廠3652線路多次遭受雷擊，發(fā)生BC相短路故障。開(kāi)關(guān)跳閘前，雷電波沿線路進(jìn)入該變電站35 kV母線，在邊柜中心3655間隔（開(kāi)關(guān)分閘）處發(fā)生全反射（圖3），升至2倍雷電壓，導(dǎo)致中心3655間隔母線支柱絕緣受損。后因水廠3652線開(kāi)關(guān)加速跳閘時(shí)產(chǎn)生操作過(guò)電壓導(dǎo)致柜內(nèi)發(fā)生BC相間短路，繼而發(fā)展成35 kV母線三相短路。事故導(dǎo)致中心3655開(kāi)關(guān)柜左右兩面母線側(cè)燒出大面積孔洞，相鄰1#主變35 kV開(kāi)關(guān)柜右面母線側(cè)燒出面積較大的孔洞。

2.4.2" 弧光接地過(guò)電壓

案例五為一起典型的弧光接地過(guò)電壓事件。監(jiān)控信息表明，杭大8661線開(kāi)關(guān)最先動(dòng)作跳閘，柜體損壞最嚴(yán)重，故障波形顯示三相短路。而在杭大8661線三相短路前，10 kV II段母線相關(guān)設(shè)備報(bào)1次非金屬性A相單相接地，單相接地持續(xù)時(shí)間2 s秒，接地線路為杭大8661線。間歇性單相接地導(dǎo)致拉弧，接地電弧在電場(chǎng)力作用下漂移引起AB相間短路，6 ms后發(fā)展成三相短路。

杭大8661線單相接地時(shí)，經(jīng)仿真計(jì)算，因弧光接地引起的非故障相電壓升高至2.29 p.u.，故障相電壓降至0.8 p.u.，2.29 p.u.的過(guò)電壓加劇了10 kV II母相關(guān)設(shè)備絕緣薄弱處的絕緣損傷。而杭大8661線單相接地時(shí)，消弧線圈運(yùn)行于欠補(bǔ)償狀態(tài)，使單相接地電流不易熄弧，引起了弧光接地過(guò)電壓。

3" 防范對(duì)策研究

3.1" 運(yùn)行環(huán)境治理——溫濕度控制

溫濕度控制的目的在于防止水分在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部形成凝露。要消除凝露就要破壞凝露形成的條件：濕度和溫差。只要破壞了凝露形成的2個(gè)條件中的任何一個(gè)，就可以避免凝露的發(fā)生?？蓮囊韵聨追矫嬷种卫恚?/p>

１）加強(qiáng)開(kāi)關(guān)室防潮措施，安裝空調(diào)、除濕器等設(shè)備，并加強(qiáng)日常運(yùn)行維護(hù)，保持開(kāi)關(guān)室的日常低濕度，保持相對(duì)濕度在70%以下，若有條件最好保持在60%以下。

２）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，柜內(nèi)濕度大都來(lái)源于地溝。在開(kāi)關(guān)柜電纜室底部安裝專用除濕裝置，并做好地溝的密封和通風(fēng)。為了降低地溝濕度的影響，可將室內(nèi)地溝蓋板設(shè)計(jì)成鏤空結(jié)構(gòu)，增加其通風(fēng)，讓地溝潮氣揮發(fā)。在與開(kāi)關(guān)柜直接相連的地溝，可采取局部封閉，并安放除濕劑。同時(shí)要加強(qiáng)開(kāi)關(guān)柜底部電纜孔洞的封堵，防止?jié)駳庥纱诉M(jìn)入。

３）在控制好濕度的同時(shí)，也要控制好開(kāi)關(guān)柜內(nèi)溫度和柜內(nèi)外溫度差。柜內(nèi)外溫差越大，柜內(nèi)濕度越高，就越容易在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)壁上形成凝露[2]。一般來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的溫度要高于開(kāi)關(guān)室的溫度，在特殊氣候或季節(jié)條件下，為降低柜內(nèi)外溫度差，可適當(dāng)提高開(kāi)關(guān)室的空調(diào)溫度。

４）在開(kāi)關(guān)柜內(nèi)增加通風(fēng)裝置（目的是增大空氣與觸頭盒等表面對(duì)流換熱速率，并非向柜外排風(fēng)），局部增加加熱裝置。研究表明，在同時(shí)靠近觸頭盒和套管的開(kāi)關(guān)柜壁上分別安裝加熱裝置和通風(fēng)裝置，可提高兩者表面的溫度，降低兩者表面的相對(duì)濕度，從而大大降低觸頭盒和套管發(fā)生凝露的概率[3]。

3.2" 大電流柜整改

建議采取以下措施：

１）結(jié)合停電，檢查大電流隔離手車觸頭及觸頭與銅排連接處，如有發(fā)熱跡象必須進(jìn)行維修整改。

２）安排停電，對(duì)動(dòng)、靜觸頭與銅排固定采用一顆螺栓的隔離柜進(jìn)行工藝改進(jìn)。觸臂與銅排連接處采用4顆（或多顆）螺栓（圖4），絕緣筒里面銅排連接改用鍍銀銅柱，額定電流3 150 A的隔離手車按4 000 A要求配置導(dǎo)電臂和銅排。

３）在大電流隔離手車絕緣筒頂部增加散熱器（圖5），上面設(shè)多個(gè)小銅管，增加散熱面積。

4）在大電流柜頂部增加散熱通風(fēng)裝置。

3.3" 過(guò)電壓治理

高壓開(kāi)關(guān)柜經(jīng)受的過(guò)電壓主要有雷電過(guò)電壓和發(fā)生單相接地時(shí)的弧光接地過(guò)電壓2種。

3.3.1" 雷電過(guò)電壓

針對(duì)雷電過(guò)電壓的治理措施主要如下

1）對(duì)變站內(nèi)所有10、35 kV出線間隔加裝出線間隔避雷器。

2）嚴(yán)格按雷季運(yùn)行方式要求，線路側(cè)未裝避雷器的線路不得帶電開(kāi)口運(yùn)行，不帶電開(kāi)口的線路應(yīng)改為檢修狀態(tài)。

3）加強(qiáng)變電站內(nèi)老舊防雷設(shè)備帶電檢測(cè)和專業(yè)化巡檢，嚴(yán)格按試驗(yàn)規(guī)程周期要求規(guī)范開(kāi)展停電例行試驗(yàn)。

3.3.2" 弧光接地過(guò)電壓

弧光接地過(guò)電壓產(chǎn)生的根本原因是小電流接地系統(tǒng)中對(duì)地電容電流沒(méi)有補(bǔ)償?shù)轿唬ù笥?0 A），當(dāng)配電線路發(fā)生單相接地時(shí)，接地點(diǎn)間隙性電弧無(wú)法熄滅，結(jié)果產(chǎn)生過(guò)電壓?；」膺^(guò)電壓在接地相及非接地相都會(huì)發(fā)生，而最大過(guò)電壓往往是在非接地相，數(shù)值可達(dá)到相電壓的3.5倍。隨著配電網(wǎng)電纜出線的增多，系統(tǒng)對(duì)地電容電流也不斷增大，使原補(bǔ)償?shù)南【€圈容量不夠，需要增容；或原來(lái)不需要采取補(bǔ)償措施的局部配電網(wǎng)需要采取消弧線圈補(bǔ)償。我們必須克服困難，解決電容電流超標(biāo)問(wèn)題，如果變電站內(nèi)無(wú)法實(shí)施增容，可在同一配電系統(tǒng)的站外配變或相應(yīng)出線上實(shí)施增容[4]，形成消弧線圈的自動(dòng)跟蹤集中補(bǔ)償和小型固定分散補(bǔ)償相結(jié)合的方式；如果區(qū)域配電網(wǎng)建成了全電纜區(qū)域，則可將該區(qū)域電網(wǎng)中性點(diǎn)改為低電阻接地方式[5]。

3.4" 配置電弧光保護(hù)裝置

電弧光保護(hù)是近幾年興盛起來(lái)的一種高壓開(kāi)關(guān)柜保護(hù)，因其能快速切除故障逐漸受到大家的重視。目前變電站10～35 kV進(jìn)出線保護(hù)一般配置過(guò)電流速斷保護(hù)，經(jīng)測(cè)試，其故障切除時(shí)間（從故障發(fā)生→保護(hù)起動(dòng)→斷路器分閘）為饋線120 ms，進(jìn)線270 ms[6]；母線一般不配置專用母線保護(hù)，而是采用主變后備過(guò)電流保護(hù)來(lái)切除母線故障，其故障切除時(shí)間大于等于1 000 ms。而采用電弧光保護(hù)，切除故障時(shí)間為饋線小于等于65 ms，進(jìn)線小于等于95 ms[5]，母線小于等于95 ms。目前開(kāi)關(guān)柜一般依據(jù)IEC298標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，僅可以承受100 ms的燃燒時(shí)間。電弧燃燒的不同時(shí)間給設(shè)備帶來(lái)的損壞程度詳見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，如果發(fā)生開(kāi)關(guān)柜短路故障，配置傳統(tǒng)保護(hù)雖能及時(shí)切除故障，但無(wú)法保持開(kāi)關(guān)柜的完好，而加裝電弧光保護(hù)則能基本保持開(kāi)關(guān)柜的完好。

3.5" 整體改造

通過(guò)對(duì)大量問(wèn)題絕緣件的分析，目前高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的絕緣件主要存在以下缺陷。

3.5.1" 絕緣裕度小、局放大、起暈電壓低

屏蔽套管與觸頭盒的絕緣層厚度都比較薄，絕緣裕度小，局放值較大（小于等于30 pC）。特別是外徑為200 mm的套管，因本身絕緣層厚度較薄，加上內(nèi)、外2個(gè)屏蔽網(wǎng)之后，高壓屏蔽網(wǎng)與接地屏蔽網(wǎng)之間的距離相對(duì)較小，絕緣裕度小，局放值大，起暈電壓較低。

3.5.2" 屏蔽套管內(nèi)高壓屏蔽網(wǎng)與母排的等電位連接不可靠

屏蔽套管內(nèi)高壓屏蔽網(wǎng)與母排的等電位連接采用金屬卡簧連接，由于金屬本身的疲勞、氧化加上母排電動(dòng)力的作用，容易出現(xiàn)接觸不良，造成母排與內(nèi)屏蔽網(wǎng)連接處產(chǎn)生電弧，致使絕緣性能下降。

3.5.3" 屏蔽套管內(nèi)、外屏蔽網(wǎng)工裝定位不精確，易產(chǎn)生偏心現(xiàn)象

屏蔽套管的屏蔽網(wǎng)采用的是鋁網(wǎng)圈，本身強(qiáng)度較弱，如果當(dāng)初定位工裝不精確，在澆注時(shí)易產(chǎn)生偏心現(xiàn)象。內(nèi)、外屏蔽網(wǎng)一偏心，就造成兩者之間的絕緣層厚度不均，其中較薄的一邊就易被擊穿。

針對(duì)絕緣件的以上問(wèn)題，可采用整體改造的方法進(jìn)行改進(jìn)，具體措施：①套管方面。增加絕緣層厚度，加大高壓屏蔽網(wǎng)與接地屏蔽網(wǎng)之間的距離。②改進(jìn)屏蔽網(wǎng)的固定工裝。準(zhǔn)確定位，保證內(nèi)、外屏蔽網(wǎng)圈間不偏心，使絕緣層厚度均勻；采用不銹鋼網(wǎng)圈且有加強(qiáng)筋的屏蔽結(jié)構(gòu)，增加屏蔽網(wǎng)的強(qiáng)度，避免網(wǎng)圈毛刺、尖端；內(nèi)屏蔽網(wǎng)和母排的連接采用6平方絕緣多股軟銅線螺栓固定，保證接觸可靠。③觸頭盒方面。加大內(nèi)爬距，單邊絕緣層壁厚加至52 mm，內(nèi)部型腔尺寸加大，以有利于散熱及動(dòng)、靜觸頭的配合。

監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，使用改進(jìn)型絕緣件后的高壓開(kāi)關(guān)柜運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，各項(xiàng)數(shù)據(jù)較前代產(chǎn)品有了顯著提升。

4" 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合典型案例分析了高壓開(kāi)關(guān)柜的故障原因，總體來(lái)說(shuō)有內(nèi)外部?jī)纱笠蛩?。引起故障的外部因素主要有過(guò)電壓，包括雷電過(guò)電壓和弧光接地過(guò)電壓等；內(nèi)部因素主要有絕緣材料老化、開(kāi)關(guān)柜內(nèi)濕度超標(biāo)和導(dǎo)電回路接觸電阻增大等。針對(duì)這些故障因素提出了具體的防范措施。但不管采取何種措施，要保持高壓開(kāi)關(guān)柜的良好運(yùn)行狀態(tài)，降低故障率，都必須增強(qiáng)監(jiān)察、綜合治理，加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)和管理工作。

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