10 kV高壓開關設備典型故障分析

陳一明，謝佳益

(遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179)

1 交流耐壓試驗

開關類設備出廠前和投運前都需要進行交流耐壓試驗。交流耐壓試驗的施加電壓是高于設備的額定運行電壓一定倍數的工頻高壓，更加符合設備的實際運行情況，能夠有效發現設備的絕緣弱點、集中性缺陷，還可考核鑒定設備的絕緣水平。

1.1 試驗標準

開關類設備的交流耐壓試驗不同于變壓器等線圈類設備，具體依據有國家電網有限公司《物資采購標準》、GB 1984—2014《高壓交流斷路器》、GB/T 3906—2020《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》、DL/T 402《高壓交流斷路器》、DL/T 404《3.6 kV～40.5 kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》、DL/T 593《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》等。

開關類設備的交流耐壓試驗要求對地、相間1 min工頻耐受電壓42 kV，斷口 1 min工頻耐受電壓48 kV，被試回路無擊穿或閃絡現象發生[1]。

1.2 試驗方法

對于10 kV電壓等級的高壓開關設備，應考核相對地、相間和斷口間的交流耐壓情況，如表1的試驗條件施加試驗電壓。

表1 相對地、相間和斷口間的交流耐壓試驗的試驗條件

高壓開關設備的斷路器手車搖到試驗位置時，會在柜內形成隔離斷口，應對隔離斷口考核耐壓能力，按表2的試驗條件施加電壓。

表2 隔離斷口考核耐壓能力的試驗條件

試驗時，施加試驗電壓持續60 s，電壓不出現突然下降判定試驗合格。

2 案例分析

2.1 案例1

a.故障設備情況

KYN28A-12型戶內金屬鎧裝移動開式開關設備如圖1所示。其額定電壓為12 kV，該開關設備為目前國內比較常見的一種高壓開關柜，主要應用于發電廠、變電站等，實現系統送電、配電等過程的控制、保護、檢測等功能，其工頻耐受電壓等級：相對地42 kV、斷口48 kV。

圖1 KYN28A-12型戶內金屬鎧裝移動開式開關設備

b.故障描述

在抽檢試驗過程中，某高壓開關設備在開展交流耐壓試驗時，相-地耐壓試驗項目不合格。經過分析發現，當施加電壓達到26 kV時，發生了放電擊穿。

c.故障排查

在試驗過程中試驗人員發現，設備擊穿時的電壓明顯低于標準要求試驗電壓，并且試驗過程中有明顯放電“噼啪”擊穿聲響。現場檢查發現，該設備A相下母排接地開關的接地觸刀與靜觸頭空氣絕緣凈距離較近，如圖2所示。接地開關機械結構異常，三相接地觸刀不同步，無法達到同步分閘，如圖3所示。

圖2 接地開關與下母排位置情況

圖3 接地開關與下母排位置情況

為了驗證以上判斷，試驗人員進行了排查分析。首先將斷路器小車搖出，使其到達試驗位，單獨對設備上母排進行試驗，A、B、C三相均未發現異常。

將斷路器小車搖入，使其到達工作位，斷路器分閘，單獨對三相分別進行試驗，也未見異常，該操作是為了排除活門拉板等機械結構對本試驗的影響。

將斷路器合閘，先分別進行B、C兩相試驗，發現B、C相無異常，再次進行A相試驗，仍出現試驗擊穿現象，可判定出現擊穿位置為A相下母排與接地觸刀，通過實際測量絕緣距離，發現靜觸頭與接地觸刀的空氣絕緣凈距離僅為75 mm。

根據文獻[2]規定：空氣絕緣凈距離≥125 mm。通過故障排查可以確認發生放電擊穿的直接原因是由于柜體本身的空氣絕緣凈距離不達標。

d.故障原因分析

經過故障排查，發現接地開關機械機構異常，拐臂與柜體有明顯接觸變形，如圖2、圖3所示。

e.接地開關的主要作用、結構及其機械結構

該高壓開關柜內的接地開關主要是用于設備在檢修過程中的安全保護，防止在檢修設備過程中誤送電。檢修工作開展時，必須將接地開關接地，保證檢修人員的人身安全，接地開關必須保證分合閘操作正常，所以接地開關的機械結構運行順暢是保障現場安全的基本要求。發生故障的接地開關結構如圖4所示。

圖4 發生故障的接地開關結構

接地開關的主要結構為接地開關支架、接地觸刀、靜觸頭、傳動器、軸、拐臂、彈簧、導電套管、軟連接、絕緣子/帶電顯示器。

經研究分析，該設備接地開關拐臂裝反，當旋轉操作手柄使接地開關合閘時，操作手柄帶動旋桿作為力矩使主軸克服阻力矩，同時帶動拐臂沿著合閘方向進行旋動，此時拐臂已經發生機械變形，但仍能使接地開關上的操作桿通過壓簧的死點使彈簧釋放能量，從而帶動接地開關快速合閘。此時并沒有機械卡頓現象，操作正常，說明裝反的拐臂并不影響接地開關合閘操作，在合閘位時，接地開關的蝶形彈簧和靜觸頭的凸緣部位可靠、牢固接觸。但當分閘操作時，同樣操作手柄使主軸克服主力矩和彈簧力，帶動拐臂沿分閘方向轉動，但操作過程中拐臂與柜體接觸卡死，使接地開關壓簧不能通過壓簧死點，壓簧的儲能不能完成，接地開關不能完成完整的分閘操作，導致絕緣距離不足，造成放電擊穿。

2.2 案例2

a.故障設備情況

KYN28A-12型高壓開關柜如圖5所示。該設備額定電壓12 kV，其工頻耐受電壓等級：相對地42 kV、斷口48 kV。

圖5 KYN28A-12型高壓開關柜

b.故障描述

試驗人員在進行高壓開關柜交流耐壓試驗過程中發現，該高壓開關柜A相和B相斷口耐壓試驗均合格，C相斷口耐壓試驗發生放電擊穿，相對地的工頻耐壓試驗也出現放電擊穿現象。

c.故障排查

試驗人員檢查了高壓開關柜的柜體，該設備外觀整潔無臟污，可以排除由于柜體臟污或受潮等引起的絕緣不良[3]。

試驗人員將斷路器手車從高壓開關柜內拉出，使高壓開關柜斷路器室形成隔離斷口，再次對沒有安裝斷路器手車的高壓開關柜進行工頻耐壓試驗，試驗結果合格，說明柜體不存在質量問題。

試驗人員對斷路器單獨進行交流耐壓試驗，試驗結果合格，說明斷路器不存在質量問題。

根據以上排查，可以確定該高壓開關柜的故障位置在C相上母排與斷路器C相觸頭之間。再次將斷路器手車搖到工作位，通過柜體側面的圓孔，可以看到活門拉板呈傾斜狀態。試驗人員再將斷路器手車拉出后仔細檢查斷路器室，手動操作活門拉板上下分合時會出現卡頓情況，同時發現活門拉板左右不平衡，滑道已經明顯損壞，如圖6所示。

圖6 高壓開關柜活門拉板滑道損壞

根據文獻[2]規定：帶電體空氣絕緣凈距離≥125 mm。該高壓開關柜的活門拉板裝備工藝不夠精良，滑道損壞后間接縮短了空氣絕緣凈距離，導致工頻耐壓試驗不合格。

d．故障原因分析

活門機構是高壓開關柜重要的機械部件，對開關柜的安全性能起到關鍵作用。本案例中的故障開關柜活門機構滑道損壞，機械結構異常，無法正常上下移動。在斷路器手車由試驗位切換到工作位的過程中出現卡頓，活門拉板卡斜，間接縮短了空氣絕緣凈距離，導致斷路器手車中的靜觸臂對活門放電，造成上述試驗中的絕緣故障。為了驗證這一判斷，試驗人員進行以下排查分析：試驗人員將該滑道修復，然后再次進行工頻耐壓試驗，試驗合格。

綜上所述，本案例中的高壓開關柜不合格的原因是活門滑道損壞，導致斷路器的靜觸頭與活門機構的絕緣距離縮短，耐壓試驗不合格。

e.活門機構的結構和作用

活門機構的主要作用是將開關柜的動觸頭和靜觸頭隔離開。當斷路器處于試驗位時遮住固定觸頭，防止由于上端帶電造成人身觸及高壓帶電體發生觸電傷亡，屬于五防聯鎖范疇。當斷路器手車從試驗位置移動到工作位置時，活門開啟；當斷路器手車從工作位置移動到試驗位置時，活門關閉。活門機構中的活門蓋板有金屬材料，也有非金屬(復合絕緣)材料。活門結構如圖7所示。

(a)活門位置

(b)活門部件圖7 高壓開關柜活門結構

3 結論

配電物資抽檢工作開展以來，發現了大量不合格產品。開關設備絕緣不良問題尤為嚴重。其中，高壓開關柜絕緣試驗不合格比例較高。

通過本文中2個案例可知，開關設備機械結構故障是造成絕緣試驗不合格的重要因素。近年來，開關設備的尺寸不斷減小，使部分設備廠商一味追求柜體尺寸的大小，而忽略了設備性能的提高，造成很多設備出現質量問題[4]。如活門機構設計余量不足，縮短了其上下移動的距離，造成斷路器手車推進過程中與活門拉板擠壓形成機械卡頓，無法動作[5]；又如設備廠商為了減小柜體尺寸，將斷路器的動、靜觸頭、活門拉板、地刀和下母排之間的絕緣距離大幅減小，但沒有采取措施保證絕緣性能，導致了柜內配件之間的絕緣強度不夠[6]。

通過對不合格設備的分析，歸納總結出造成設備不合格的幾種因素。

a.如果高壓開關柜柜體的爬距和空氣間隙設計上存在余量不足的情況[7]，會導致手車柜、接地觸刀等空氣絕緣凈距離不達標[8]。設備廠商應嚴格執行相關絕緣標準，嚴格控制活門機構對靜觸頭的空氣絕緣凈距離，滿足文獻[1]的要求。

b.鍍銀觸頭接觸點容量不足或接觸不良會影響柜體絕緣性能。當接觸點容量不足或接觸不良時，柜體在長期運行后，由于局部溫度過高，絕緣性能下降，容易出現閃絡或擊穿等現象。

c.裝配工藝會嚴重影響配件本身質量，造成檢測試驗不合格。設備出廠前應反復測試斷路器手車的滑輪以及軌道是否運行良好，避免出現斷路器手車在推進或搖出過程中出現左右不平衡造成活門兩側不統一或者偏斜卡頓等情況。拐臂、連桿等機械部件應按照圖紙正確裝配，避免裝配失誤造成絕緣故障[9]。

d.設備廠家要嚴格控制活門機構材料的選用和零部件配置，避免出現由于斷路器手車反復操作造成機械部件變形損壞等[10]情況。

e.設備廠家要提高設備的裝配工藝水平。如柜體在組裝時，有些設備組裝絕緣件的扭矩過大，導致絕緣件在搬運以及運輸過程中出現裂痕，影響試驗結果。

f.建議設備廠家在出廠前進行一次整柜的局放試驗。局放試驗能有效發現設備在裝配過程中存在的問題。

綜上總結和建議，可為設備廠家提高設備質量提供一定參考依據。