開關柜內三相組合式過電壓保護器的維護

廖維東，韋 瑋，吳雙杰

(貴州烏江水電開發有限責任公司構皮灘發電廠，貴州 遵義 564408)

0 引言

構皮灘發電廠位于貴州省余慶縣境內烏江干流上，是貴州省境內最大發電廠，裝機容量5×600 MW，多年平均發電量96.82億kWh，2009年電站實現“半年五投”。

該廠10 kV系統布置于地下廠房內，共8段母線，每段母線設置一臺進線開關柜、6—10臺饋線開關柜，進線開關柜與高壓廠用變低壓側之間通過10 kV動力電纜連接，饋線開關柜與配電變壓器高壓側之間通過10 kV動力電纜連接，共計67臺10 kV開關柜，每臺開關柜均配置一臺ABB公司生產的 VD4真空開關，容量630 A，所有開關柜內10 kV動力電纜搭接處均設置10 kV三相組合式過電壓保護器。

開關柜內設置10 kV三相組合式過電壓保護器，主要目的就是防止10 kV系統產生過電壓對電氣設備的絕緣破壞，從而引起電氣設備事故。過電壓可分為外部過電壓和內部過電壓兩大類，外部過電壓包括直擊雷過電壓、感應雷過電壓;內部過電壓包括操作過電壓、工頻過電壓、諧振過電壓。對于戶內10 kV系統，最有可能產生的過電壓為開關操作過電壓。

每當真空開關操作時，極易產生操作過電壓，主要是由于電路中存在電感電容儲能元件，在開關操作瞬間釋放出能量，在電路中產生電磁振蕩而引發的。而真空開關由于具有高速滅弧能力，在切斷電路時，往往在電流過零前被強行開斷，在斷弧瞬間儲藏在負載內的電感與電容之間電磁能量轉換將在線路上產生過電壓，這比一般開關要突出，尤其在最先斷開相觸頭間，有可能因過電壓引起電弧重燃，而產生更大的過電壓。

在感性負載中，這種過電壓幅值高，上升陡度快，頻率也高，這無疑對電動機等感性負載的絕緣是十分危險的。總之，真空開關操作時不管出現哪種過電壓都會對設備不利，嚴重威脅設備的安全穩定運行。

該廠10 kV三相組合式過電壓保護器由安徽亞凱電力科技有限公司生產，型號為TBP-B-12.7/131，持續運行電壓：12.7 kV，圖中A，B，C分別與10 kV配電系統A相、B相、C相連接。

1 事故情況

2019年6月，某同類型水電廠(下稱某水電廠)上位機發“3號主變保護A套動作、3號高廠變后備跳閘I，II動作”，3號主變高壓側213開關、3號發電機出口023開關、3號高廠變低壓側013開關、3號機滅磁開關相繼跳閘，3號機甩193 MW負荷(電氣接線見圖1)，廠用電10 kV Ⅲ段失電。

停機檢查發現3號高壓廠用變低壓側10 kV開關柜內三相組合式過電壓保護器(型號為TBP-B，與該廠型號一致) B相發生擊穿短路爆燃事故，相鄰A，C兩相套筒絕緣硅橡膠材料遭受不同程度燒損，經進一步解體檢查發現B相過電壓保護器套筒內部氧化鋅電阻及放電間隙已完全燒空。

2 事故分析

某水電廠10 kV三相組合式過電壓保護器電氣原理如圖2所示，CG為放電間隙，FR為氧化鋅非線性電阻，D為設備接地點，結構采用放電間隙和氧化鋅非線性電阻串聯，使二者互為保護。

圖1 某水電廠10 kV系統局部電氣接線

圖2 過電壓保護器電氣原理

2.1 直接原因

10 kV Ⅲ段013進線開關柜內過電壓保護器發生B相擊穿短路爆燃，相鄰A，C兩相套筒絕緣硅橡膠材料也被不同程度燒損，從而引發三相短路。

2.2 根本原因

現場調查運行時未出現系統過電壓，且當時未操作開關，可排除因系統過電壓或操作過電壓引起設備擊穿的可能。為進一步確認內部是否受潮或老化，現場解剖同批次運行中產品，發現氧化鋅電阻上下部有發霉受潮老化跡象，由于內部間隙有空氣存在，過電壓保護器運行過程中會發生間隙與閥片受潮、老化，使其絕緣性能逐漸下降，惡性循環，當無法承受系統工作電壓時就發生擊穿事故，放電間隙和閥片被擊穿破壞。

綜述，該廠2006年投運至今，運行14年，長期運行10 kV三相組合式過電壓保護器絕緣不斷受潮老化，性能下降，且10 kV母線檢修預試時未對過電壓保護器進行任何手段檢測，從而導致設備擊穿事故。

3 維護試驗

由于該廠10 kV三相組合式過電壓保護器與該廠發生事故的10 kV三相組合式過電壓保護器為同一類型，且已運行10年，由于國標、行標、企標均缺少10 kV三相組合式過電壓保護器的維護標準，電廠沒有任何有效手段開展過電壓保護器氧化鋅閥片絕緣劣化檢測，給設備安全運行帶來嚴重的隱患。

為此，該廠通過分析10 kV三相組合式過電壓保護器結構與原理，制定了該過電壓保護器維護試驗項目，實現過電壓保護器間隙、氧化鋅閥片絕緣性能的有效檢測，確保10 kV三相組合式過電壓保護器長期安全穩定運行，具體有以下幾項措施。

(1) 制定過電壓保護器檢修預試計劃，可借鑒10 kV母線的檢修預試周期，每隔三年開展一次檢修預試。

(2) 10 kV三相組合式過電壓保護器檢修預試時，重點為以下幾步。

① 對過電壓保護器進行檢查維護，主要標準為設備表面無破損，表面硅橡膠物見本色，底部密封良好，各部位接頭緊固牢靠。

② 開展絕緣電阻試驗，將10 kV三相組合式過電壓保護器底座擺放在鐵板上(鐵板面積約大于底座)，用接地線將過電壓保護器接地D端與鐵板短路接地，拆開過電壓保護器三相接頭，分別測量A相對BC相及地、B相對AC相及地、C相對AB相及地絕緣電阻，絕緣電阻可參考10 kV母線標準(不應低于1 MΩ/kV)，標準要求大于等于10 MΩ，正常情況下絕緣電阻均為GΩ級別，此試驗主要檢測過電壓保護器內部有無臟污、嚴重受潮等分布式絕緣缺陷。

③ 開展工頻放電電壓試驗，在過電壓保護器絕緣電阻試驗合格之后，選擇7 kVA/60 kV小容量交直流輕型試驗變壓器(由于過電壓保護器試品容量較小)進行工頻放電電壓測試。此階段試驗儀器由試驗變壓器與試驗控制箱組成，將試驗變壓器與試驗控制箱正確接線后開展空升試驗，過程中試驗電壓勻速上升、高壓側無電流、儀器無跳閘，表明試驗儀器正常。隨后進行工頻放電電壓測試，圖3為工頻放電電壓測試試驗原理接線，試驗控制箱上表V2為試驗變壓器高壓側電壓(試品耐壓值)，試驗控制箱上表A1為試驗變壓器低壓側電流值，試驗前將過流保護整定值設置為2.5 A。分別從A相對BC相及地、B相對AC相及地、C相對AB相及地逐相進行試驗。試驗儀器緩慢加壓，同時觀察表V2的數值與表A1的變化情況，在過電壓保護器CG，FR未擊穿放電時，表A1的數值不超過1 A，待過電壓保護器試品上施加的工頻電壓達到一定值時，表A1的數值突增，過電壓保護器擊穿動作，試驗控制箱保護跳閘，記錄試品施加電壓值，即為過電壓保護器工頻放電電壓值，標準為23.2 kV (有效值)的90 %～120 %。此試驗主要檢測過電壓保護器內部有無老化、受損、局部受潮等危害性極大的集中性絕緣缺陷，對發現設備早期出現的絕緣劣化最有效。

圖3 A相過電壓保護器工頻放電電壓測量

依據10 kV三相組合式過電壓保護器廠家說明書，推薦戶內過電壓保護器使用壽命為10年(硅橡膠絕緣介質老化特性)，結合該廠實際(環境濕度RH55 %，環境溫度30 ℃左右)，目前已逐步開展過電壓保護器更換工作，從而避免設備絕緣老化引起的事故。

4 結束語

鑒于國內10 kV開關柜使用較為普遍，柜內進線端配置三相組合式過電壓保護器為典型設計，為了防止10 kV系統設備免受真空開關操作過電壓的危害。由于目前過壓保護器無國家、行業預防性試驗標準，三相組合式過電壓保護器投運后極易被忽視，形成維護死區，反而為10 kV系統運行埋下了安全隱患。所以補充了三相組合式過電壓保護器維護試驗項目，進而杜絕三相組合式過電壓保護器運行中有可能發生的短路擊穿事故，徹底消除三相組合式過電壓保護器的絕緣隱患。