一起電纜故障引發母線弧光短路的分析處理

尤家安

（中冶集團銅鋅有限公司巴基斯坦·山達克銅金項目，北京 100028）

一起電纜故障引發母線弧光短路的分析處理

尤家安

（中冶集團銅鋅有限公司巴基斯坦·山達克銅金項目，北京 100028）

本文通過事故案例對電纜線路發生短路故障而引發的低壓配電柜母線弧光短路致人面部燒傷事故，從多方面進行了詳實地分析，并確定了事故原因、處理方法和防范措施，為從事該項工作的檢修技術人員提供現場經驗參考。

短路電流；持續電弧；電弧短路；相間隔弧板；觸頭；排氣篩孔

據不完全統計，低壓觸電事故占整個觸電事故的 60%以上［1］。其潛在的安全隱患主要表現在違章作業、設備老化失修、檢查維護等方面，其中空氣開關發生的故障很普遍，如果對電氣設備檢修維護工作不到位，忽視了小的設備缺陷僥幸心里導致的傷人事故就會發生，年積月累形成的安全隱患時刻威脅著現場檢修人員。

1 事故概況

1.1 供電方式

本案例配電變壓器容量為 315kVA，二次側0.4kV經電纜線引入低壓進線柜，經DW15/1600總開關接入低壓母線段，總開關設有速斷保護、過負荷保護等。故障線路是由低壓配電柜的一個DZ-100空氣開關（以下簡稱開關）經地埋電纜向#3倉庫配電箱供電，供電系統如圖1所示。

圖1 短路故障一次系統圖

1.2 事發經過及現象

2015年2月27日接到公司#3倉庫沒有電的報告，派檢修人員前去檢查處理。檢修人員對#3倉庫用電情況查無異常，返回到配電室發現給#3倉庫供電的開關是在跳閘狀態，隨即合閘送電，但合閘即跳，然后將#3倉庫中的總開關拉開，對來自配電室的主電纜線用 500V搖表進行絕緣檢查，結果是：相間及對地絕緣均大于0.5MΩ，滿足絕緣最低要求，但有不穩定擺動現象（0.6～0.8MΩ）。檢修人員認為故障可能出在用電設備上，因此將#3倉庫的用電負荷全部拉開，然后手機通知在配電室等候的檢修人員再次合閘送電。因為操作者不知道故障是否排除，所以手持 1m長絕緣木棒對開關進行遠距離躲避性合閘，不料在合閘瞬間一聲巨響，門外的監護人親眼目睹了驚人的一幕，操作者瞬間被弧光包圍，噴射出的爆燃物及金屬顆粒四處飛濺，距開關柜2m遠的墻壁也被噴射的烏黑，地面到處都是噴濺的金屬渣，相鄰的4個空氣開關燒焦報廢，接引銅排和水平銅排熔化，在強大的母線短路電流作用下，開關柜總進線 DW15/1600TH 380V開關速斷動作跳閘，燃燒的弧光團熄滅。操作人員面部嚴重燒傷，由于戴著護目鏡僅造成短時失明。事故現場如圖 2所示。

圖2 事故現場

2 故障分析

2.1 故障檢查

1）故障發生后，用500V搖表對#3倉庫主電纜進行絕緣檢查，發現相間及對地絕緣在 0～0.1MΩ之間變化，確認電纜已經短路，而且短路狀態很不穩定。經反復查找短路點位于配電室約100m（電纜長度）處的廠區道路段，挖出電纜發現，由于車輛反復重壓使電纜外防護管及絕緣層破壞，恰巧趕上近期的一次降雨，在電纜的破損處發生了短路，電纜已經燒斷線芯之間嚴重碳化，事故之前檢查三相絕緣均大于 0.5MΩ而事故后則變成了 0，說明短路點處在不穩定狀態（時好時壞），導致配電室的開關DZ-100跳閘停電。

2）拆解開關發現內部焦黑不堪，三相極間隔板碳化嚴重，說明電纜三相短路使開關內部發生過瞬間電弧燃燒，但動、靜觸頭并沒有明顯燒熔痕跡，雖然絕緣部分碳化嚴重，但是內部并沒有發生相間短路現象，開關內部燒損情況如圖3所示。

圖3 開關內部燒損情況

2.2 對故障開關的分析

1）從開關的分斷容量分析

根據三相短路電流有效值的計算［2］，設系統容量為無窮大，簡化計算可忽略系統、母線、開關等阻抗，則

變壓器電抗：

電纜電阻：

短路電流：

開關DZ-100的極限分斷電流是ICN=18kA，從短路電流計算結果看 IK=2.44kA＜＜18kA，開關的分斷能力可以滿足要求，開關被燒壞一定另有原因。

2）從開關內部分析

國外一些發達國家很早就規定了最小的觸頭開距：額定低壓在125V以上為5mm，300～600V為6mm（我國沒有技術標準明文規定）［3］，實測故障開關觸頭的開距為 6mm滿足要求，仔細觀察發現動、靜觸頭并沒有明顯燒損痕跡，說明動、靜觸頭之間不存在持續電弧，否則會將觸頭熔化。電弧雖然產生在觸頭之間，但是遠在觸頭來得及完全分開以前，滅弧磁場即已將其從觸頭間隙中排出［4］，就故障開關觸頭的 6mm開距而言不會影響電弧的熄滅過程。分析認為：當開關帶著短路點d1合閘時如圖1所示，開關的短路（電磁保護）保護動作將已經閉合的觸頭立刻分開，故障電流在動、靜觸頭之間產生的故障電弧會比正常電弧大許多倍，因此短路電流在電弧通道周圍產生的強磁場作用下將此電弧通過滅弧刪片縫隙從開關上部排氣篩孔（帶孔的電木板）快速噴出如圖4所示，因為電弧在動、靜觸頭之間燃燒時間極短，所以觸頭無明顯損傷。

圖4 開關內部噴出的電弧在外部形成電弧短路燒損情況

3）從開關外部分析

在事故前幾天剛做完設備吹掃工作，開關外部存在金屬性雜物短路的可能性不大，開關上端短路是由于帶故障合閘才發生的，說明與被操作的開關有一定關系。經過反復檢查對比其它同類型開關，發現原本配置的相間隔弧板都沒有安裝如圖 4所示，而且這種現象低壓配電柜普遍存在，原因是：妨礙衛生清掃，一旦碰掉了也無人恢復過問，由于缺少相間隔弧板而導致短路故障的概率并不高認為是多余的配置，所以不被重視。據現場統計，100A以下的空氣開關有500余個，應該配置相間隔弧板的有98%都沒有按要求安裝，可見不被重視的程度。

開關上端隔弧板按規定必須裝配好。相間隔弧板是防止開關上端相間電弧短路的重要屏障，電源端子及接引銅排相間距離只有17mm如圖4所示，當電纜存在三相短路時，如果帶故障合閘開關觸頭之間就會形成強烈電弧，此電弧從開關排氣篩孔同時噴出的三束導電電弧（飛弧）將三相接線螺絲和接引裸銅排連為一體形成相間電弧短路，接線螺絲燒熔情況如圖4所示，因為三相短路電流周期不可能同時過零點，所以持續燃燒無法熄滅，迅速向上擴展將上部相距 70mm處的水平裸母線排包圍其中，進而發展成更強烈的爆燃性弧光團d2短路點。

4）開關缺少相間隔弧板與電弧短路的關系

開關普遍存在相間隔弧板缺失問題，為何沒有頻繁出現開關電弧短路現象呢？原因之一，當線路發生單相接地或兩相短路時，相對三相短路電流要小得多，開關觸頭之間形成的電弧相對較弱，電弧受到短路電流產生的電動力作用也小，電弧經過滅弧刪片會完全被吸收，因此在開關上端電源端子之間就不會發生電弧短路，如果短路不嚴重時就會出現合閘即跳的現象而不會將故障擴大。原因之二，當距離電源較近時產生的三相短路電流較大才有可能引發電弧溢出開關殼外現象，且電纜發生三相短路的概率并不高。原因之三，與開關的結構有關，特別是那些排氣篩孔距離開關接線螺絲較近的，更容易發生外部電弧短路。

基于上述3點原因，因為開關相間隔弧板缺失而造成的電弧短路屬小概率事件，所以相間隔弧板是不被重視的原因所在。

2.3 電纜短路是事故的直接原因

#3倉庫停電，是因為電纜絕緣層遭外力破壞短路導致跳閘。雖然送電前經過絕緣電阻測量大于0.5MΩ已達到送電要求，但讀數有不穩定擺動現象，說明經過前兩次短路跳閘后，電纜被燒斷的橫截面上線芯之間被碳化層覆蓋其絕緣電阻存在著不穩定性，在這種情況下絕緣電阻雖然大于0.5MΩ，但不穩定擺動現象（0.6～0.8MΩ），說明碳化層絕緣恢復是極不穩定的，一旦施加工頻電壓絕緣就會消失。絕緣恢復程度受到碳化輕重、干燥程度等多種因素影響，教訓告訴我們，不穩定的絕緣是不可信的，一定存在著沒有被發現的隱患，由于沒有真正排除隱患就合閘送電，由于不重視開關相間隔弧板的安裝和使用，所以最終發生弧光短路傷人是必然的，如果有一個環節得到重視也不會發生此類事故。

3 處理結果及防范措施

配電柜頂部主母線保留，燒毀的開關、母線、接引銅排等全部拆除更換，將碳化層用汽油清洗并噴漆處理，按開關柜原配置恢復其原樣。防范措施：低壓開關電源側必須保證相間隔弧板齊全，完善母線（包括開關接引裸銅排）外絕緣防護，必須徹底排除短路故障后才能合閘送電。血的教訓告訴我們電氣設備檢修維護工作要認真做好每一個環節，不能有僥幸心里只圖一時方便，最終釀成安全大患。

4 事故結論

綜合以上分析，事故的直接原因是由于電纜外防護管及絕緣層被破壞導致電纜短路引起的。操作中帶短路故障合閘送電，使開關內部產生強烈電弧，在短路電流形成的強磁場作用下，通過開關排氣篩孔將三束導電電弧噴出開關外部，在開關上端發生三相電弧短路并引燃了接引裸母線排，造成了更大的母線弧光短路，開關上端相間隔弧板沒有按裝或丟失，才是造成母線爆燃性弧光短路燒毀設備及人員燒傷事故的主要原因。

［1］張素玲.工業企業供電與變電［M］.第 2版.北京：石油工業出版社，2009.

［2］戴霞，路璐.低壓并聯電纜末端對稱三相短路電流的實用計算［J］.現代建筑電氣，2013（S1）：1-5.

［3］李建國.低壓斷路器生產中開距和超程的控制［J］.電子技術與軟件工程，2015（3）：150.

［4］［蘇］聯布朗.曹榮江譯.控制電器中的電弧［M］.1965.

Analysis and Process about Cable Failure Cause to Bus Line Arc Light Short

You Jiaan
（Saindak Copper & Gold Project，Pakistan，MCC Tongxin Company Ltd，Beijing 100028）

This paper conducts a multi-perspective and detailed analysis on accident case of operator face-burn by low-voltage distribution-box arc shortcut，which is caused by cable bus bar shortcut breakdown.Causes of the accident，resolutions and precaution measures are hereunder presented as a piece of vivid example for the future reference of maintainers and technicians in this field.

shortcut current； consistent arc； arc shortcut； spacing arc board； contactor； exhausting sieve

尤家安（1959-），男，黑龍江寶清縣人，工程師，現在中冶集團銅鋅有限公司巴基斯坦·山達克銅金項目，主要從事發電廠、變電站及設備維護管理工作。