一起10kV 開關柜故障的分析

陳劍光 朱昕原

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京211102）

0 引言

火力發電廠的廠用電系統是發電廠安全穩定運行的重要保障，而高壓廠用電系統是整個廠用電系統的第一級電源系統，地位舉足輕重，一旦故障不僅會使發電廠無法穩定工作甚至停機，引起嚴重的經濟效益損失和不良的社會影響，還會損壞電氣設備，甚至給操作人員的生命帶來威脅。故本文對一起10kV 開關柜燒毀引發的事故進行原因分析，并提出防范措施和建議，希望可避免和預防類似事故發生。

1 故障經過

某日凌晨03：27：56.826，啟備變高壓側220kV 斷路器跳閘，10kV 備用進線開關跳閘，同時集控室的電氣光字牌報警。

現場檢查發現故障發生在3機組10kV 備用進線間隔（包含進線斷路器及進線PT），具體情況如下：PT 表面熏黑變形，A相PT 熔管燒斷，A、C 相有燒裂，B、C 相熔管有裂紋，熔絲完好；PT 室左右兩側側板嚴重燒壞變形，有明顯燒蝕痕跡；支持絕緣子A 相有裂紋，三個支撐絕緣子燒壞，其靜觸頭完全融化掉落；PT 室二次線都被燒壞；斷路器室活門被燒壞，真空開關VD4極柱熏黑燒壞，機構被熏黑?，F場加熱器投入，電纜孔封堵完好，柜體內無異物，PT 二次接線正確，消諧電阻完好。

2 原因分析

2.1 繼電保護裝置動作記錄及故障波形分析

10kV 開關保護動作情況：過電流限時速斷保護和過流保護保護均動作，但未能切除故障。

啟備變保護動作情況：調用繼電保護裝置的記錄，情況如圖1、圖2所示。

從以上兩圖中可以看出，啟備變10kV 側短路故障分三個階段：階段一，A 相單相接地故障，在檢測到的故障初期，A 相電流為720A，B、C相電流為120A；階段二，經過81ms后，A相電流急速上升至29kA，B相電流急速上升至25kA，C 相電流為120A，故障擴大為AB 相間短路；階段三，再經過10 ms后，A、B、C三相的短路電流均超過25kA，相間短路發展為三相短路故障，經1.4s后跳啟備變各側斷路器。而10kV 側B相電流波形在發生三相短路故障1.1s后，發生嚴重畸形。

保護動作情況：凌晨03：27：56.826，啟備變第一套保護發出復合電壓過電流保護跳閘啟動信號，跳啟備變各側斷路器并觸發錄波；第二套保護發出差動保護跳閘及復合電壓過電流保護跳閘啟動信號，跳啟備變各側斷路器并觸發錄波。

圖1 前期三相故障電流波形

圖2 后期故障電流波形

保護動作分析：從保護動作的情況、時間及錄波波形可分析出啟備變保護裝置判斷10kV 側發生的故障為啟備變區外故障，變壓器主保護未動作，而由變壓器后備保護動作延時長達1.4s跳開故障點。第二套保護差動保護動作是因為10kV側B相電流嚴重畸形后引起差動保護誤動作。

通過保護動作時間和故障波形分析，還原出故障過程：（1）由于A 相銅排支撐絕緣子受外力破壞套裝產生裂紋，發生了單相接地故障，在開關柜背板上形成典型的電弧燒蝕痕跡。（2）AB相間絕緣被短路弧光破壞，故障未及時切除引起了AB相間故障。（3）受（1）及（2）弧光的影響，最終導致了ABC三相間的弧光短路，此時后備保護動作，故障切除。故障過程如圖3所示。

2.2 故障原因分析

圖3 故障過程還原圖

10kV 開關柜故障引起的原因可能有如下幾種：PT 鐵磁諧振過電壓引起的熔絲熔斷乃至限流電阻爆炸事故；開關柜柜體設計不合理，內部凝露導致的爆炸；長時間運行導致設備老化引起的爆炸；各種絕緣破壞或絕緣下降引起的短路故障；柜體有異物進入引起的短路故障；開關柜導體發熱或導電回路過熱引起的故障。

由于本工程的10kV 系統采用中性點經電阻接地，杜絕了鐵磁諧振的起諧條件，因此不可能發生PT 鐵磁諧振；故障時開關柜內的加熱器處于運行狀態，從而杜絕了凝露引起故障的可能；從爆炸后柜體內部無異物（小動物、鐵絲）等情況看也排除了異物引起的故障；該開關柜剛剛投運1個月不到，因此也非設備老化引起的故障。

從故障起因來看，首先是10kV 開關柜的A 相發生了單相接地故障，結合開關柜現場損毀情況，最初故障點應當出現在A 相銅排支撐絕緣子處，其表面有細微的裂痕和絕緣損壞后引起的放電閃絡線。推測該支撐絕緣子在制造過程中表面和內部可能存有微小缺陷，且PT 小車在推進過程中沒有限位，只有兩個插銷在小車到位后進行定位，經過反復承受外力等作用，其受到機械應力，然后發展出現龜裂，在PT 帶電運行后，絕緣子逐漸出現局部放電，因電流很小，難以發現，使爬電一直存在，直至絕緣擊穿，發生單相接地故障，產生大電流，迅速發展為相間短路。

根據保護動作情況及故障錄波情況來看，10kV 開關柜發生了單相接地后主保護未能及時動作，導致故障進一步擴大，直至后備保護動作才切除故障，由于保護裝置均能可靠動作，排除了保護裝置本身故障的情況，因此只能是故障發生在主保護區外引起了故障的進一步擴大，從而導致10kV 開關柜爆炸。通過現場對10kV 開關柜柜體的檢查發現，故障發生處的PT 小車接線位置與設計圖紙有差別，具體如圖4所示。

圖4 設計與制造不一致的接線圖

設計圖紙中進線PT 位于電流互感器下樁頭，當PT 處發生短路時，啟備變差動主保護瞬時動作于變壓器各側斷路器跳閘。而實際制造的PT 位于電流互感器上樁頭，當PT 處發生短路時，啟備變差動主保護不會動作，10kV 斷路器保護也無法切除故障，故障進一步擴大，最終經1.4s的長延時，由變壓器復壓過流后備保護動作切除故障。

3 改進措施

為加快恢復生產，根據故障原因，提出了如下改進措施：

（1）將4號機組兩臺進線柜調至3號機組進行安裝，恢復電源供電。

（2）開關柜廠將PT 位置設置安裝在差動保護區內，PT 小車要在工作位置設立限位裝置，以減小PT 小車在推進時對支撐絕緣子的撞擊力。

（3）開關柜廠將進線PT 室裸露銅排加裝絕緣材料。

（4）對所有進線開關柜的支撐絕緣子進行表面損傷、裂紋檢查。

（5）加強對運行人員的操作要求，在操作PT 小車時用力要均勻，平穩地將小車推入至工作位置，不得兩人同時共同推小車，防止用力過猛，造成撞擊。

4 結語

本文通過對一起10kV 開關柜故障損毀事故的分析，意在喚起設計、制造、運行各方的注意，避免同類型故障再次發生。只有設計可靠合理，制造細致用心，運行規范文明，一起共同關注10kV 開關柜的各個環節，才能確保10kV 開關柜的安全穩定運行，從而確保電力系統的安全穩定。

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