高壓開關(guān)柜絕緣事故的分析及防范措施

張 雷

（國家廣播電視總局491臺，北京 100121）

0 引 言

眾多建筑電氣設(shè)計中，開關(guān)設(shè)備的數(shù)量非常多。為有效管理此類設(shè)備，高壓開關(guān)柜應(yīng)運而生。由于高壓開關(guān)柜在運行過程中所處的環(huán)境十分惡劣，因此開關(guān)柜表面的保護層會很快被破壞，出現(xiàn)外部漏電現(xiàn)象，絕緣事故隨之發(fā)生。我國相關(guān)部門一直在改善開關(guān)柜的工作環(huán)境，同時也在不斷優(yōu)化設(shè)備性能。

1 常見事故

拒合事故和機械事故等是開關(guān)柜工作過程中經(jīng)常出現(xiàn)的事故。其中，拒合事故是目前電網(wǎng)運行中最常見的一類事故。當開關(guān)柜不能正常進行分閘動作時，拒合事故就會發(fā)生。產(chǎn)生拒合事故的主要原因是開關(guān)柜內(nèi)部的斷路器動作失常，反饋給系統(tǒng)的是錯誤信息。接收錯誤信息后，開關(guān)柜做出錯誤動作，使得主筒內(nèi)的相關(guān)部件出現(xiàn)損壞，此時斷路器也不能正常閉合，進而導(dǎo)致拒合事故的發(fā)生。

爆炸是開關(guān)柜運行中出現(xiàn)頻率較高的事故。產(chǎn)生爆炸的主要原因是設(shè)備本身的絕緣性較差。其他促使事故發(fā)生的因素包括外部環(huán)境的溫濕度不適合設(shè)備工作、外部絕緣層出現(xiàn)損壞、老化等現(xiàn)象及內(nèi)部元件在較差環(huán)境下工作[1]。

載流回路和操作回路也是比較容易出現(xiàn)事故的部位。載流回路故障的表現(xiàn)形式多為回路過熱。該現(xiàn)象的產(chǎn)生與整個回路的運轉(zhuǎn)情況息息相關(guān)，若回路中有部件存在接觸不良現(xiàn)象，就會導(dǎo)致回路升溫；當開關(guān)的接觸面積、壓力達不到標準要求時，也極易產(chǎn)生回路升溫，進而影響設(shè)備內(nèi)部整個回路的運轉(zhuǎn)?；芈飞郎氐暮蠊窃O(shè)備使用年限減少，嚴重時會出現(xiàn)爆炸事故。操作回路故障的表現(xiàn)形式為元件出現(xiàn)變形。變形可能是元件本身質(zhì)量問題，也可能是安裝人員操作不當引起的。形變的產(chǎn)生會使某些部件出現(xiàn)輕微移動，機構(gòu)在操作過程中就會出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。若此時的輔助開關(guān)安裝、調(diào)試等工作不到位，機構(gòu)操作過程中事故發(fā)生的概率將會大大增加，開關(guān)柜的正常運行也得不到保證。

2 原因分析

2.1 環(huán)境因素

分析開關(guān)柜的發(fā)展歷程發(fā)現(xiàn)，其工作環(huán)境一直比較惡劣。長期實踐表明，開關(guān)柜的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定程度受外部環(huán)境的直接影響。絕緣子是開關(guān)柜的重要組成，在濕度較高的環(huán)境中，絕緣子自身的干燥狀態(tài)會被打破，絕緣電阻不能正常進行工作，開關(guān)柜的絕緣層受到破壞。因此，需要對潮濕的環(huán)境進行干燥，同時設(shè)備內(nèi)部的清潔水電阻保持在正常工作狀態(tài)，以保證工作環(huán)境干燥的同時，絕緣子表面不會出現(xiàn)臟污，進而保證開關(guān)柜的正常工作。出現(xiàn)污閃事故，絕緣電阻會受到損壞，嚴重時會產(chǎn)生大量的泄露電流，因此必須做好對外界環(huán)境的把控工作。

2.2 爬距、間隙不足

正常電壓供應(yīng)下，相間電弧事故發(fā)生的主要原因是絕緣爬距、間隙不足。在此情況下啟動開關(guān)柜，柜體絕緣層的保護機制較弱，達不到標準的絕緣等級要求，再加上內(nèi)部元件材料有以次充好現(xiàn)象，極易引發(fā)絕緣事故。未嚴格按照設(shè)計規(guī)范進行組裝，絕緣爬距明顯不足，設(shè)備內(nèi)部若出現(xiàn)電流泄露現(xiàn)象，將不能及時流入地下。泄露電流將出現(xiàn)在柜體表面，絕緣層受損，若此時內(nèi)部電壓過低，極易出現(xiàn)閃絡(luò)事故，對開關(guān)柜的正常運行造成嚴重阻礙[2]。

2.3 設(shè)備質(zhì)量問題

開關(guān)柜質(zhì)量包含兩方面內(nèi)容，即元件質(zhì)量和安裝質(zhì)量。投入使用前，需要對柜體進行耐壓試驗。試驗是分別檢測整體和局部的耐壓性。大多數(shù)元件的耐壓性都能過關(guān)，但整體耐壓性的檢測卻達不到相關(guān)要求。最可能的原因就是元件性能不過關(guān)，進而降低設(shè)備的整體性能，因此需要改進元件制造工藝。導(dǎo)致裝配質(zhì)量低下的主要因素為：連接配件之間的螺絲緊固操作沒有按照相應(yīng)規(guī)則進行，完成緊固后螺桿長度過長；瓷柱與緊固底板相接處沒有進行加固和絕緣等處理，設(shè)備運行時會出現(xiàn)局電場集中現(xiàn)象。此外，其他部件組裝過程中，也存在很多不足。例如，設(shè)計機械連鎖裝置時，合閘和分閘構(gòu)造相同，導(dǎo)致出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象，不利于維持開關(guān)柜的正常運轉(zhuǎn)。

3 典型案例研究

某變電站在向用戶供電的過程中，使用的是規(guī)格為10 kV的開關(guān)柜，手車整體在供電過程中被燒黑，位于動觸頭上的絕緣套管，損壞非常嚴重。同時，靜觸頭也被嚴重破壞，絕緣層遭到嚴重損壞。柜體內(nèi)的擋板被燒穿，開關(guān)柜一共有5個，其中一個損毀影響到其他柜體，在所有柜體外部均覆蓋一層黑灰。事故發(fā)生后，檢查變電站環(huán)境，發(fā)現(xiàn)設(shè)備工作環(huán)境潮濕，凝露現(xiàn)象在該變電站中經(jīng)常發(fā)生。單母線分段是該變電站采用的主要接線形式，在PT柜Ⅰ段出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。由于防護措施不當，該段母線工作過程中出現(xiàn)短路現(xiàn)象，與母線相連的絕緣套在高溫下發(fā)生燃燒。絕緣擋板在燃燒作用下被擊穿，進而影響其他4個開關(guān)柜的正常運行[3]。絕緣閃絡(luò)事故發(fā)生后，所有柜體絕緣層均遭到不同程度的破壞，柜體表面都有黑灰覆蓋。

4 可能原因分析

變電站工作者總結(jié)以往開關(guān)柜的故障情況，分析本次事故發(fā)生的可能原因如下。第一，元件老化。安裝時沒有考慮到外部環(huán)境會加速元件損壞速度。在潮濕和高溫等不利因素的影響下，設(shè)備內(nèi)部元件快速老化，降低絕緣層的防護能力，進而導(dǎo)致事故發(fā)生。第二，過電壓操作。大氣環(huán)境影響下，斷路器在開閉過程中會出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，三相開關(guān)同時斷開時也會出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，過電壓的出現(xiàn)會導(dǎo)致絕緣擊穿事故。第三，操作不當。操作PT柜前，相關(guān)人員沒有熟記操作規(guī)程，或者工作中出現(xiàn)誤操作現(xiàn)象，引發(fā)了事故。第四，設(shè)備內(nèi)部溫度過高。導(dǎo)致內(nèi)部升溫的主要原因是接觸面出現(xiàn)嚴重腐蝕，或者是螺栓緊固程度未達到要求。第五，搭橋事故。有雜物進入柜中，或者在維護時不慎將多余工具落在柜內(nèi)，都會產(chǎn)生搭橋事故。第六，絕緣泄露比距[4]。當比距過小，即導(dǎo)體與地面的相對距離過小時，泄露電流量過大，不能迅速導(dǎo)入地下，從而引發(fā)事故。

此外，互感器和絕緣子等表面光滑度不夠，再加上潮濕的環(huán)境，極易出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。雷雨和大霧等天氣中，絕緣層功能被削弱，閃絡(luò)接地事故發(fā)生的頻次明顯增加。內(nèi)部線路若存在接觸不良、相電壓快速升溫等現(xiàn)象，絕緣擊穿事故的發(fā)生率將增大。

5 分析事故現(xiàn)場情況

查看設(shè)備損壞程度發(fā)現(xiàn)，開關(guān)柜Ⅰ段的破壞是最嚴重的。柜體后面安裝的尺寸為180 cm ×680 cm的鍍鋅板防雷鋁材料在事故發(fā)生后被徹底燒熔，支柱瓷瓶和防護外殼都被擊穿粉碎，位于母線室的其他線路全部變形，絕緣套管和保險管全部被燒成灰燼。該開關(guān)柜的損壞對其他4個母線室造成直接影響，其損毀情況和事故發(fā)生柜體一致，只有距離較遠的第五開關(guān)柜損壞相對較輕。

檢查發(fā)現(xiàn)，變電站使用的開關(guān)柜型號比較老，電壓互感器安裝在柜體內(nèi)部，為避免4個開關(guān)柜內(nèi)的互感器相互影響，通過手車、母線設(shè)計將各互感裝置隔離開。此型號開關(guān)柜中，避雷裝置設(shè)置在母線室內(nèi)，母線和裝置同步進行工作，兩者相互影響。將內(nèi)部手車拉出，也看不到避雷裝置的位置，由于安裝位置的限制，進行性能測試時，必須對母線斷電，從而影響柜體的正常運轉(zhuǎn)。為保持設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，使用期間并未對避雷裝置的性能進行測試，極大地降低了開關(guān)柜運行的安全程度。圖1是生產(chǎn)廠家的實際接線設(shè)計。

圖1 實際接線圖

組裝開關(guān)柜時，為保證其良好的防雷性能，在母線室內(nèi)安裝了3個避雷器。本次事故后對3個避雷器的性能進行逐一檢查。與剛安裝時的各項檢測數(shù)據(jù)比較后發(fā)現(xiàn)，長期工作過程中，2個避雷器已屬于不合格裝置，無法發(fā)揮避雷作用。運行中，未對避雷裝置進行定期檢修，導(dǎo)致防雷能力減弱，給電力系統(tǒng)的安全運行帶來了巨大隱患。

相應(yīng)安裝規(guī)范中，對避雷裝置上的裸露金屬間距做出了要求，其相間距離的最小值為125 mm，才能有效發(fā)揮避雷裝置的作用。檢查事故現(xiàn)場后發(fā)現(xiàn)，裸露金屬間距只有120 mm，明顯不符合規(guī)范要求。此間距下，避雷裝置的傘裙間距得不到保證，其中最近間距僅有75 mm。在此情況下，若裝置外部附著灰塵，再加上潮濕空氣的影響，多余電源會聚集在一起，形成局部放電現(xiàn)象。

仔細檢查現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，底板和支柱連接處損壞情況特別嚴重，經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)兩者連接處的絕緣性能最為薄弱[5]。該電站帶電運行7年才發(fā)生此次事故，說明底板和支柱連接處的絕緣負荷已達到極限。長期的外界環(huán)境侵蝕、內(nèi)部裝配缺陷及電壓作用不斷累積，各種因素綜合影響，最終導(dǎo)致絕緣事故的發(fā)生。

6 故障排查

檢查現(xiàn)場情況可知，開關(guān)柜發(fā)生故障的部位很多，需對部位故障出現(xiàn)的原因進行詳細排查。

（1）避雷裝置。電氣設(shè)計過程中，沒有考慮后期維修的方便性，直接將裝置安裝在母線室內(nèi)。避雷器運行期間不能開展有效的預(yù)防性試驗，工作人員很難對裝置運行過程進行監(jiān)督，長此以往避雷器內(nèi)部元件會出現(xiàn)損壞，進而影響電網(wǎng)的正常運轉(zhuǎn)。

（2）天氣因素。經(jīng)過現(xiàn)場考察可知，所有開關(guān)柜都是安置在室內(nèi)的，但并未做好相應(yīng)的隔離措施，室外潮濕空氣進入室內(nèi)不受阻礙。室內(nèi)也沒有相應(yīng)的抽濕措施，室內(nèi)外濕度保持在相同水平線上。變電站所處位置濕氣較重，具有明顯的凝露現(xiàn)象。利用濕度計檢測一段時間內(nèi)的空氣濕度發(fā)現(xiàn)，其最高可達80%。濕度會直接影響閃絡(luò)電壓的變化，兩者關(guān)系如圖2所示。

圖2 關(guān)系曲線圖

由圖2可知，濕度和閃絡(luò)電壓成反比，前者增加，后者就會迅速下降，因此會產(chǎn)生大量的泄露電流，電流集中在局部位置，極易引發(fā)燃燒事故。

（3）隔板質(zhì)量。為保證開關(guān)柜的良好絕緣性能，隔板都是由絕緣材料制成，不僅保證了絕緣性能，而且減少了制作成本。設(shè)備材料種類較多，暴露在環(huán)境中會受到很多因素的影響。內(nèi)部構(gòu)件老化程度不一，且材料承受外界環(huán)境的侵蝕能力不同。對隔板制造工藝控制不夠嚴格，將會大大降低隔板質(zhì)量。

7 整改措施

7.1 嚴格按照規(guī)范進行各項操作

近年來，很多大型變電站的高壓開關(guān)柜出現(xiàn)故障的次數(shù)逐漸減少。這主要是由于國家出臺的相關(guān)設(shè)計操作規(guī)范。在相關(guān)規(guī)定的輔助下，開關(guān)柜運行的穩(wěn)定性得到了保證。規(guī)范內(nèi)容下需要完成的工作具體如下。（1）嚴格控制元件質(zhì)量。針對制造工藝的缺陷進行優(yōu)化，單個元件測試完合格后才能用于組裝。（2）組裝前，必須將相關(guān)零件清洗干凈，選取合適的螺栓將各組件連接。（3）為強化操作過程的規(guī)范性，需要定期對變電站內(nèi)部員工進行培訓(xùn)，使其牢記規(guī)范內(nèi)容，進而約束其進行規(guī)范化操作。

7.2 做好運行維護，加強事后控制

開關(guān)柜正常運行時，需要定期進行檢修和維護?，F(xiàn)階段，可借助強大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在傳感和通信等技術(shù)的輔助下，對開關(guān)柜運行過程進行實時監(jiān)測[6]。該方式能夠及時發(fā)現(xiàn)運行故障，快速找到故障位置，并排除故障，降低事故發(fā)生率。當事故發(fā)生后，需要將銅排用酒精清理干凈，修復(fù)損傷不大的部件，更換老化零件。

7.3 構(gòu)建良好環(huán)境

外部環(huán)境對開關(guān)柜的運行影響很大，因此需要在室內(nèi)安裝抽濕裝置，并做好相應(yīng)的除塵工作。保持外部環(huán)境干燥，且開關(guān)柜密封性良好，灰塵無法進入到設(shè)備內(nèi)部，零件之間的磨損現(xiàn)象將減緩。定期對外部絕緣層進行檢查，以確保設(shè)備絕緣性能良好。

8 結(jié) 論

本文對高壓開關(guān)柜進行了相關(guān)介紹，總結(jié)了常見的事故類型，結(jié)合具體變電站案例對開關(guān)柜事故原因進行了分析，并提出了故障防范措施。近年來，在電力部門的不斷努力下，開關(guān)柜事故明顯減少，供電安全得到了充分保證。