淺析高壓開關(guān)柜發(fā)熱故障成因及處理措施

蘇兆紅

【摘 要】文章介紹了高壓開關(guān)柜過熱事故對(duì)電力系統(tǒng)的危害，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析了高壓開關(guān)柜發(fā)熱故障的形成原因，并提出了預(yù)防控制措施。

【關(guān)鍵詞】高壓開關(guān)柜；發(fā)熱故障；原因；措施

1.高壓開關(guān)柜過熱事故對(duì)電力系統(tǒng)的危害

在電能的生產(chǎn)、輸送、供配以及使用的過程中均離不開高壓開關(guān)柜，它是對(duì)電能進(jìn)行調(diào)度與輸送的關(guān)鍵電氣設(shè)備之一，尤其是高壓開關(guān)柜內(nèi)部的電磁交融環(huán)境的穩(wěn)定性更是直接決定了自身功能發(fā)揮的有效性。因此，一旦高壓開關(guān)柜出現(xiàn)發(fā)熱故障，并且沒有能夠得到及時(shí)有效的處理和解決時(shí)，便會(huì)大幅度增加高壓開關(guān)柜的故障發(fā)生率，同時(shí)對(duì)供電可靠性產(chǎn)生影響。多年的工作經(jīng)驗(yàn)顯示：高壓開關(guān)柜最容易出現(xiàn)發(fā)熱故障的部位是其手車觸頭。一旦發(fā)生發(fā)熱故障，不僅會(huì)嚴(yán)重?fù)p害設(shè)備自身的性能，而且需要比較長的檢修周期，由此導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失也比較巨大。導(dǎo)致高壓開關(guān)柜發(fā)熱故障形成的過程不是一蹴而就的，而是一個(gè)“循序漸進(jìn)”的過程。即處于不良工作環(huán)境當(dāng)中或者自身出現(xiàn)異常情況時(shí)的高壓開關(guān)柜接觸面溫度升高，同時(shí)電流發(fā)熱效應(yīng)的持續(xù)作用會(huì)促使觸頭溫度逐漸提高。一旦這種溫度升高趨勢(shì)過快，致使觸頭溫度高于高壓開關(guān)柜內(nèi)部電流互感器的額定耐熱標(biāo)準(zhǔn)或者高于絕緣套管的耐熱標(biāo)準(zhǔn)，便會(huì)導(dǎo)致電流互感器和絕緣套管的損壞，造成單相或兩相間短路，最終使得該發(fā)熱故障的破壞力被放大，波及到其他附屬設(shè)備，最終供配電系統(tǒng)或者電力變壓器的穩(wěn)定性受到影響，甚至出現(xiàn)火災(zāi)，乃至爆炸。

幾乎所有的高壓開關(guān)柜手車觸頭的連接均利用銅排，但是金屬銅不僅具有良好的導(dǎo)電性能，更具有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能。高壓開關(guān)柜在工作狀態(tài)中形成的熱量會(huì)使銅排快速加熱，導(dǎo)致高壓開關(guān)柜內(nèi)部對(duì)應(yīng)觸頭的開閉性能受到嚴(yán)重影響。一旦高壓開關(guān)柜手車觸頭出現(xiàn)發(fā)熱事故，如果要對(duì)高壓開關(guān)柜進(jìn)行全面系統(tǒng)地檢修和修護(hù)時(shí)不僅過程麻煩，而且比較困難。即便經(jīng)過檢修維護(hù)處理，開關(guān)的電氣性能也基本上得不到完全的恢復(fù)。

2.高壓開關(guān)柜的過熱故障成因

一般開關(guān)柜選型都會(huì)根據(jù)系統(tǒng)容量及設(shè)備的使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定、熱穩(wěn)定校驗(yàn)，但在實(shí)際運(yùn)行中，仍有較多復(fù)雜因素導(dǎo)致開關(guān)柜的過熱故障。根據(jù)筆者積累的開關(guān)柜運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，分析開關(guān)柜過熱故障的主要原因有幾個(gè)方面。

2.1柜內(nèi)設(shè)備異常發(fā)熱

不管用哪種材料進(jìn)行電力傳輸，都有材料阻值存在。在電流和電壓的作用下，設(shè)備會(huì)產(chǎn)生正常的熱損耗，但是，當(dāng)電流回路某一接頭的阻值過大，該部位空隙會(huì)發(fā)生放電，發(fā)熱量將急劇增大，當(dāng)開關(guān)柜正常散熱無法使熱量快速消散，就會(huì)使本部位的溫度異常升高，開關(guān)柜易形成過熱故障的部位如下：①10kV側(cè)的母排、刀閘都是設(shè)置于開關(guān)柜狹小的空間內(nèi)，母排為增加絕緣往往使用絕緣熱縮套管，如母排銅質(zhì)不過關(guān)或連接點(diǎn)不緊固會(huì)造成接觸電阻增大；②開關(guān)柜隔離刀閘的靜、動(dòng)觸頭咬合不緊、接觸不良形成相應(yīng)的空隙，電流在此處形成形成局部放電，劇烈發(fā)熱升溫，運(yùn)行中發(fā)生此類熱故障的概率較高；③柜內(nèi)電流互感器（CT）普遍采用全密封環(huán)氧樹脂澆注式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一次繞組及鐵芯散熱效果均較差，且在大電流回路中一般會(huì)增加兩個(gè)連接接頭發(fā)熱源，導(dǎo)致大電流運(yùn)行時(shí)內(nèi)部CT發(fā)熱問題嚴(yán)重。

2.2防護(hù)等級(jí)因素造成的散熱不暢

為防止人體意外接觸開關(guān)柜的高壓帶電部分和異物進(jìn)入開關(guān)柜引起設(shè)備短路，目前，開關(guān)柜基本采用金屬全封閉外殼，通用標(biāo)準(zhǔn)要求金屬外殼達(dá)到IP4X防護(hù)等級(jí)，即能阻擋直徑大于1.0mm的金屬絲或厚度大于1.0mm的窄條等物體進(jìn)入的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，這大大約束了開關(guān)柜熱量排出效率。假如，柜內(nèi)設(shè)備發(fā)生異常過熱，那僅靠柜體_內(nèi)部的自然通風(fēng)系統(tǒng)或強(qiáng)制排風(fēng)系統(tǒng)是達(dá)不到散熱要求的，這將導(dǎo)致柜內(nèi)元件絕緣性能在散熱不暢的較高溫度環(huán)境下逐漸劣化，埋下開關(guān)柜過熱事故隱患。

2.3柜體渦流發(fā)熱

高壓開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料組合選擇不當(dāng)，大電流柜渦流發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的異常升溫。汕頭供電局在負(fù)荷高峰期對(duì)各站重要設(shè)備進(jìn)行紅外熱成像缺陷普查，曾發(fā)現(xiàn)轄內(nèi)220kV站主變變低開關(guān)柜B-C相和A-B相柜內(nèi)隔板發(fā)熱達(dá)85℃左右，并致使該開關(guān)柜柜體溫度達(dá)90℃，后經(jīng)確認(rèn)，主母線是通過大電流在普通鋼隔板上產(chǎn)生較大渦流而發(fā)熱，再加上該早期開關(guān)柜產(chǎn)品的自然及強(qiáng)制排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致了該開門異常發(fā)熱。

2.4運(yùn)行維護(hù)因素

目前，成套開關(guān)柜按標(biāo)準(zhǔn)均通過1.1倍的溫升及熱穩(wěn)定校驗(yàn)合格才能投運(yùn)，但在用電高峰季節(jié)或檢修方式下，受電網(wǎng)結(jié)線和片區(qū)供電能力限制，迫使有些變電站主變長期處于滿負(fù)荷甚至過載狀態(tài)，往往造成主變低壓進(jìn)線柜和饋線柜通過較大的電流，造成柜內(nèi)元器件發(fā)熱量增大。另外，開關(guān)柜的定檢、預(yù)試及維護(hù)質(zhì)量也直接關(guān)系到開關(guān)柜的異常溫升，如，日常檢修清掃忽略了對(duì)柜內(nèi)灰塵及蜘蛛網(wǎng)等的清除，使設(shè)備的絕緣能力降低，狹小的散熱空間更降低了柜內(nèi)散熱的效率。

2.5環(huán)境條件因素

國內(nèi)氣候報(bào)告顯示，我國南方夏季室外溫度維持在35℃～40℃，少數(shù)地區(qū)超過40℃，疊加設(shè)備本身散發(fā)的熱量，將導(dǎo)致配電室內(nèi)環(huán)境溫度過高，如開關(guān)柜采用傳統(tǒng)散熱方式，加上通風(fēng)設(shè)施欠缺，則會(huì)間接增大室內(nèi)的灰塵、濕氣的進(jìn)入量，使開關(guān)柜處于較惡劣的運(yùn)行環(huán)境，這將加劇開關(guān)柜內(nèi)一次元件的發(fā)熱，形成開關(guān)柜的異常發(fā)熱。

3.高壓開關(guān)柜的發(fā)熱處理與防控措施

發(fā)熱故障對(duì)高壓開關(guān)柜設(shè)備及供電系統(tǒng)的運(yùn)行危害甚大，處理不及時(shí)會(huì)燒壞系統(tǒng)連接的大小設(shè)備，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。從安全角度考慮，電力企業(yè)應(yīng)建立全面的防控高壓開關(guān)柜過熱措施。

3.1設(shè)備選型和準(zhǔn)入把關(guān)

國家標(biāo)準(zhǔn)或IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了開關(guān)柜設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、安裝以及安全環(huán)保技術(shù)要求，目前很多開關(guān)柜生產(chǎn)廠家一般會(huì)按照通用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造，但由于地域運(yùn)行條件不同、維護(hù)管理要求不同，使用單位有必要結(jié)合實(shí)際進(jìn)一步規(guī)范廠家的制造標(biāo)準(zhǔn)、工藝和質(zhì)量，嚴(yán)格選型和準(zhǔn)入條件，從源頭上保證開關(guān)柜適應(yīng)“本土化運(yùn)行”。在高溫、潮濕、設(shè)備容載率較高的經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，開關(guān)柜出現(xiàn)過熱故障概率較高，故企業(yè)有必要結(jié)合實(shí)際，對(duì)設(shè)備的動(dòng)熱穩(wěn)定校驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、設(shè)備溫、濕度控制及排風(fēng)系統(tǒng)等方面提出相應(yīng)的制造標(biāo)準(zhǔn)和要求。如，要求在開關(guān)柜內(nèi)設(shè)智能數(shù)顯溫濕度控制器和功率不超過100W的加熱器，用于自動(dòng)控制柜內(nèi)濕度；對(duì)3150A、4000A的大電流柜采用額定電流為4000A真空斷路器，配置使用壽命連續(xù)運(yùn)行不低于2年的優(yōu)質(zhì)風(fēng)扇，風(fēng)扇能在母線不停電情況下進(jìn)行維護(hù)，且方便更換，嚴(yán)禁采用風(fēng)扇直接吹真空斷路器的形式進(jìn)行散熱；對(duì)采用熱縮絕緣包封，要求熱縮絕緣厚度不小于2mm并滿足溫升試驗(yàn)要求（提供溫升試驗(yàn)報(bào)告）；對(duì)于額定電流2000A及以上的柜內(nèi)CT，在保證內(nèi)部安全距離的前提下，盡量選用穿芯式結(jié)構(gòu)CT，改善CT散熱條件等。

3.2設(shè)備更換和改造

早期的一些開關(guān)柜產(chǎn)品，其技術(shù)及結(jié)構(gòu)上還存在不盡完善之處，導(dǎo)致開關(guān)柜溫升異常，給運(yùn)行留下很大的隱患。對(duì)該類設(shè)備，如投運(yùn)年限過長、改造成本過大，則應(yīng)立足于設(shè)備更換，如果局部改造就能滿足運(yùn)行要求的，則要立項(xiàng)改造，徹底消除開關(guān)柜過度溫升缺陷。我局曾處理過變低3150A開關(guān)柜因渦流影響及通風(fēng)散熱系統(tǒng)原因造成局部發(fā)熱偏重的缺陷，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明效果良好。具體做法是：柜體停電，把主母線所產(chǎn)生的渦流區(qū)更換為最小渦流環(huán)境的材料組合，柜體內(nèi)部加裝最佳的通風(fēng)系統(tǒng)，在配電室內(nèi)加裝室內(nèi)空調(diào)，減低系統(tǒng)工作環(huán)境溫度，取得很好的效果。

3.3運(yùn)行維護(hù)到位

結(jié)合開關(guān)柜可能導(dǎo)致異常溫升的主要原因和實(shí)際運(yùn)行易發(fā)熱部位，綜合落實(shí)各項(xiàng)運(yùn)維防控過熱措施，是保證開關(guān)柜安全運(yùn)行的必要條件。具體如下：

①負(fù)荷控制。控制電流荷載，降低過載運(yùn)行的次數(shù)以防過熱問題。當(dāng)前社會(huì)用電需求量持續(xù)增多，使大部分變電站長時(shí)間處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，特別是主變壓器低壓進(jìn)線開關(guān)柜承擔(dān)的電流值經(jīng)常超標(biāo)，荷載過重造成元器件發(fā)熱次數(shù)增多進(jìn)而導(dǎo)致異常溫升。故運(yùn)行管理上應(yīng)做好負(fù)荷預(yù)測(cè)，合理安排運(yùn)行方式和負(fù)荷割接，盡量避免開關(guān)柜滿載或超載運(yùn)行。

②觸頭維護(hù)。開關(guān)柜斷路器手車的觸頭未正常接觸，尤其是動(dòng)靜觸頭之間的咬合狀態(tài)不理想，是導(dǎo)致開關(guān)柜發(fā)熱事故的主要原因。檢修人員應(yīng)特別關(guān)注對(duì)觸頭的維護(hù)。重點(diǎn)觀察刀閘螺絲的緊固狀況，必要時(shí)更換新的螺絲、彈簧等構(gòu)件，防止彈簧經(jīng)隔離觸頭多次分合后老化導(dǎo)致觸頭銜接過松，同時(shí)對(duì)隔離觸頭涂抹導(dǎo)電膏、凡士林以降低接觸電阻。

③定檢預(yù)試。定期檢查、試驗(yàn)開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備，按照試驗(yàn)步驟逐一驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)應(yīng)結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備絕緣能力，及時(shí)更換柜內(nèi)的絕緣劣化或失效元器件，杜絕人為失誤給開關(guān)設(shè)備帶來的巨大安全隱患。

④加裝在線監(jiān)測(cè)。在開關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)在線溫度測(cè)量裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開關(guān)柜內(nèi)觸頭、銅排、附屬元件等運(yùn)行設(shè)備的運(yùn)行情況，測(cè)量裝置同時(shí)與電流繼電器相配合啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，當(dāng)柜內(nèi)溫度或繼電器中電流達(dá)到定值便啟動(dòng)風(fēng)機(jī)降溫，若溫度繼續(xù)升高到另一整定值，則發(fā)告警信號(hào)，通知值班員及時(shí)處理，也方便檢修人員直觀判斷發(fā)熱故障情況，鎖定開關(guān)柜的過熱位置，實(shí)施針對(duì)性的檢修處理。

⑤改善運(yùn)行環(huán)境。一般是考慮改善配電室通風(fēng)排氣系統(tǒng)和設(shè)置空調(diào)，整體控制配電室環(huán)境的溫濕度，避免開關(guān)柜運(yùn)行過程中的累積溫升。

4.結(jié)束語

高壓開關(guān)柜具有防護(hù)性能好、“五防”閉鎖功能可靠、維護(hù)方便、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于開斷重要負(fù)荷和頻繁操作的場(chǎng)所。文章結(jié)合筆者對(duì)開關(guān)柜安全運(yùn)行的體會(huì)，分析了導(dǎo)致開關(guān)柜發(fā)熱故障的主要原因主要是由開關(guān)柜的封閉結(jié)構(gòu)、緊湊設(shè)備安裝、柜內(nèi)設(shè)備異常溫升、運(yùn)行維護(hù)失當(dāng)、運(yùn)行環(huán)境惡劣等原因造成的，提出了從設(shè)備選型準(zhǔn)入、更換改造、運(yùn)行管理及采用快速保護(hù)的綜合防控措施，避免和減少開關(guān)柜發(fā)熱故障的發(fā)生和擴(kuò)大，提高供電系統(tǒng)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。 [科]

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