高壓開關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

眾多建筑電氣設計中，開關設備的數量非常多。為有效管理此類設備，高壓開關柜應運而生。由于高壓開關柜在運行過程中所處的環境十分惡劣，因此開關柜表面的保護層會很快被破壞，出現外部漏電現象，絕緣事故隨之發生。我國相關部門一直在改善開關柜的工作環境，同時也在不斷優化設備性能。

1 常見事故

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

爆炸是開關柜運行中出現頻率較高的事故。產生爆炸的主要原因是設備本身的絕緣性較差。其他促使事故發生的因素包括外部環境的溫濕度不適合設備工作、外部絕緣層出現損壞、老化等現象及內部元件在較差環境下工作[1]。

載流回路和操作回路也是比較容易出現事故的部位。載流回路故障的表現形式多為回路過熱。該現象的產生與整個回路的運轉情況息息相關，若回路中有部件存在接觸不良現象，就會導致回路升溫；當開關的接觸面積、壓力達不到標準要求時，也極易產生回路升溫，進而影響設備內部整個回路的運轉。回路升溫的后果是設備使用年限減少，嚴重時會出現爆炸事故。操作回路故障的表現形式為元件出現變形。變形可能是元件本身質量問題，也可能是安裝人員操作不當引起的。形變的產生會使某些部件出現輕微移動，機構在操作過程中就會出現卡澀現象。若此時的輔助開關安裝、調試等工作不到位，機構操作過程中事故發生的概率將會大大增加，開關柜的正常運行也得不到保證。

2 原因分析

2.1 環境因素

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

2.2 爬距、間隙不足

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

2.3 設備質量問題

開關柜質量包含兩方面內容，即元件質量和安裝質量。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。大多數元件的耐壓性都能過關，但整體耐壓性的檢測卻達不到相關要求。最可能的原因就是元件性能不過關，進而降低設備的整體性能，因此需要改進元件制造工藝。導致裝配質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規則進行，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，設備運行時會出現局電場集中現象。此外，其他部件組裝過程中，也存在很多不足。例如，設計機械連鎖裝置時，合閘和分閘構造相同，導致出現誤操作現象，不利于維持開關柜的正常運轉。

3 典型案例研究

某變電站在向用戶供電的過程中，使用的是規格為10 kV的開關柜，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。柜體內的擋板被燒穿，開關柜一共有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。事故發生后，檢查變電站環境，發現設備工作環境潮濕，凝露現象在該變電站中經常發生。單母線分段是該變電站采用的主要接線形式，在PT柜Ⅰ段出現閃絡現象。由于防護措施不當，該段母線工作過程中出現短路現象，與母線相連的絕緣套在高溫下發生燃燒。絕緣擋板在燃燒作用下被擊穿，進而影響其他4個開關柜的正常運行[3]。絕緣閃絡事故發生后，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

變電站工作者總結以往開關柜的故障情況，分析本次事故發生的可能原因如下。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，設備內部元件快速老化，降低絕緣層的防護能力，進而導致事故發生。第二，過電壓操作。大氣環境影響下，斷路器在開閉過程中會出現過電壓現象，三相開關同時斷開時也會出現過電壓現象，過電壓的出現會導致絕緣擊穿事故。第三，操作不當。操作PT柜前，相關人員沒有熟記操作規程，或者工作中出現誤操作現象，引發了事故。第四，設備內部溫度過高。導致內部升溫的主要原因是接觸面出現嚴重腐蝕，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，都會產生搭橋事故。第六，絕緣泄露比距[4]。當比距過小，即導體與地面的相對距離過小時，泄露電流量過大，不能迅速導入地下，從而引發事故。

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

5 分析事故現場情況

查看設備損壞程度發現，開關柜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生柜體一致，只有距離較遠的第五開關柜損壞相對較輕。

檢查發現，變電站使用的開關柜型號比較老，電壓互感器安裝在柜體內部，為避免4個開關柜內的互感器相互影響，通過手車、母線設計將各互感裝置隔離開。此型號開關柜中，避雷裝置設置在母線室內，母線和裝置同步進行工作，兩者相互影響。將內部手車拉出，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。為保持設備正常運轉，使用期間并未對避雷裝置的性能進行測試，極大地降低了開關柜運行的安全程度。圖1是生產廠家的實際接線設計。

圖1 實際接線圖

組裝開關柜時，為保證其良好的防雷性能，在母線室內安裝了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據比較后發現，長期工作過程中，2個避雷器已屬于不合格裝置，無法發揮避雷作用。運行中，未對避雷裝置進行定期檢修，導致防雷能力減弱，給電力系統的安全運行帶來了巨大隱患。

相應安裝規范中，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，才能有效發揮避雷裝置的作用。檢查事故現場后發現，裸露金屬間距只有120 mm，明顯不符合規范要求。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，形成局部放電現象。

仔細檢查現場發現，底板和支柱連接處損壞情況特別嚴重，經數據分析發現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。長期的外界環境侵蝕、內部裝配缺陷及電壓作用不斷累積，各種因素綜合影響，最終導致絕緣事故的發生。

6 故障排查

檢查現場情況可知，開關柜發生故障的部位很多，需對部位故障出現的原因進行詳細排查。

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

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

圖2 關系曲線圖

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

（3）隔板質量。為保證開關柜的良好絕緣性能，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。設備材料種類較多，暴露在環境中會受到很多因素的影響。內部構件老化程度不一，且材料承受外界環境的侵蝕能力不同。對隔板制造工藝控制不夠嚴格，將會大大降低隔板質量。

7 整改措施

7.1 嚴格按照規范進行各項操作

近年來，很多大型變電站的高壓開關柜出現故障的次數逐漸減少。這主要是由于國家出臺的相關設計操作規范。在相關規定的輔助下，開關柜運行的穩定性得到了保證。規范內容下需要完成的工作具體如下。（1）嚴格控制元件質量。針對制造工藝的缺陷進行優化，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范性，需要定期對變電站內部員工進行培訓，使其牢記規范內容，進而約束其進行規范化操作。

7.2 做好運行維護，加強事后控制

開關柜正常運行時，需要定期進行檢修和維護。現階段，可借助強大的網絡系統，在傳感和通信等技術的輔助下，對開關柜運行過程進行實時監測[6]。該方式能夠及時發現運行故障，快速找到故障位置，并排除故障，降低事故發生率。當事故發生后，需要將銅排用酒精清理干凈，修復損傷不大的部件，更換老化零件。

7.3 構建良好環境

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

8 結 論

本文對高壓開關柜進行了相關介紹，總結了常見的事故類型，結合具體變電站案例對開關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，開關柜事故明顯減少，供電安全得到了充分保證。