一起35 kV高壓開關柜真空斷路器故障診斷與分析

劉天宇，劉志林，劉濤瑋，杜 鑫，張澤輝

(1.內蒙古電力(集團)有限責任公司內蒙古電力科學研究院分公司，內蒙古 呼和浩特 010020；2.內蒙古電力(集團)有限責任公司阿拉善供電分公司，內蒙古 阿拉善 750300)

利用真空作為絕緣和滅弧介質的斷路器稱為真空斷路器，主要由真空滅弧室、操動機構、傳動機構和支撐絕緣子組成[1]。真空滅弧室真空度在1.33×10-5～1.33×10-2Pa，屬于高真空范圍，因此觸頭間的絕緣強度很高。真空斷路器燃弧時間短，電氣壽命比較長，觸頭開距和行程小，操作能量小，機械壽命也比較長，因此廣泛應用于35 kV及以下斷路器。

隨著電網容量不斷增加，并聯電容器操作也越來越頻繁，由此產生的操作過電壓時有發生。現行規程[2]規定電容器組應使用無重擊穿開關，但是大量試驗數據表明[3-5]，35 kV真空斷路器平均重擊穿率達5%～10%。阻容過電壓保護器可以有效減小負載特征阻抗和振蕩頻率，增大重燃衰減系數，降低重燃過電壓幅值。

1 故障情況

2021年8月30日，某220 kV變電站341間隔電容器保護裝置過流Ⅰ段、Ⅱ段保護動作，隨后1號主變保護裝置低壓側復壓過流Ⅱ段時限動作，引起1號主變高壓側及低壓側跳閘。

經現場檢查，1號主變外觀未見異常，201斷路器、301甲、301乙開關柜外觀無異常；341開關柜阻容過電壓保護器B相頂部炸裂；341間隔真空斷路器B相、C相真空泡有多處放電痕跡，B相連接排上有金屬噴濺物，C相側開關柜柜體有明顯放電燒蝕痕跡。

341間隔真空斷路器型號ZN65A-40.5，出廠日期為2006年4月，投運日期為2007年3月。截至2021年7月，341間隔真空斷路器例行試驗結果均滿足關于DL/T 393—2010《輸變電設備狀態檢修試驗規程》規定[6]。

2 診斷試驗及其分析

2.1 1號主變診斷試驗

由于本次故障引起1號主變高低壓側跳閘，根據1號保護裝置動作情況分析，折算一次故障電流最高為10 400 A，因此需要對1號主變進行診斷性試驗。

a.絕緣油色譜試驗

絕緣油色譜試驗結果見表1。根據DL/T 393—2010《輸變電設備狀態檢修試驗規程》規定，C2H2、H2、總烴含量均在規程要求范圍內，說明絕緣油色譜試驗結果合格。

表1 絕緣油色譜試驗結果 單位：μL/L

b.繞組各分接位置電壓比

1號主變繞組各分接位置電壓比試驗結果見表2。根據DL/T 393—2010《輸變電設備狀態檢修試驗規程》，額定分接位置初值差不超過±0.5%，其他分接位置初值差不超過±1%。測試結果均在規程要求范圍內，說明繞組各分接位置電壓比試驗合格。

表2 繞組各分接位置電壓比試驗結果 單位：%

c.低電壓短路阻抗試驗

1號主變低電壓短路試驗結果見表3。根據DL/T 393—2010《輸變電設備狀態檢修試驗規程》規定，油浸式電力變壓器繞組短路阻抗初值差不應大于±3%。測試低電壓阻抗偏差0.29%，在規程要求范圍內，低電壓阻抗試驗合格。

表3 低電壓阻抗試驗結果

根據以上變壓器診斷性試驗，本次開關柜故障引起主變跳閘，并未造成1號主變繞組變形及絕緣故障。

2.2 阻容過電壓保護器試驗

普通干式阻容過電壓保護器由籠式網狀電阻及電容單元組成，可有效抑制由并聯電容器操作引起的高頻振蕩過電壓，降低斷路器重燃率，保證并聯電容器的安全運行。

故障造成341開關柜阻容過電壓保護器B相頂部炸裂，籠式網狀電阻燒毀，如圖1所示。

圖1 B相籠式網狀電阻燒毀

阻容過電壓保護器電阻及電容單元試驗結果見表4。

表4 繞阻容過電壓保護器試驗結果

根據試驗結果表明：A相及C相籠式網狀電阻及電容單元均完好，試驗結果相關滿足規程要求;B相籠式網狀電阻已燒毀，無法進行試驗;B相過電壓保護器電容量測試值與額定值偏差較大，懷疑內部電容單元存在燒蝕損壞。

2.3 真空斷路器交流耐壓試驗

現場檢查發現，341間隔真空斷路器B、C相真空泡存在多處放電痕跡，為了診斷真空斷路器的絕緣狀況，對真空斷路器進行了交流耐壓試驗，分別在真空斷路器分閘、合閘狀態下進行，試驗電壓為出廠試驗值的80%，即Ut=95×80%=76 kV。交流耐壓試驗結果見表5。

表5 真空斷路器交流耐壓試驗結果

交流耐壓試驗結果表明：

a.在真空斷路器A相試驗中，內部滅弧室完好，絕緣性能良好。

b.真空斷路器B相及C相在合閘狀態下分別施加21 kV和23 kV電壓，即發生閃絡擊穿現象，說明B相及C相滅弧室內部真空度已發生破壞，絕緣性能已大幅度降低，無法耐受交流耐壓試驗電壓值。

3 現場解體過程與原因分析

3.1 阻容過電壓保護器拆解

首先對341間隔阻容過電壓保護器進行拆解，利用切割機將阻容過電壓保護器縱向切開，見圖2。阻容過電壓保護器頂部一電容單元燒蝕明顯，內部電容芯子已融化噴出且燒結為塊狀，見圖3。

圖2 阻容過電壓保護器縱向剖開

圖3 電容芯子燒結為塊狀

3.2 真空斷路器拆解

將真空斷路器滅弧室從開關柜體內拆卸下來，拆開B相滅弧室瓷套管，有碳化痕跡，靜觸頭座燒蝕嚴重，被高能量放電擊穿出一個小孔，金屬融化，且金屬融化物噴濺到瓷套內壁處，靜觸頭色澤發黑，有燒蝕痕跡及輕微金屬融化痕跡，見圖4及圖5。

圖4 B相靜觸頭座燒蝕嚴重

圖5 B相靜觸頭燒蝕痕跡

A相滅弧室光潔如新，無放電燒蝕痕跡，與交流耐壓試驗結果相對應，滅弧室完好無損。C相滅弧室同樣存在靜觸頭座燒蝕現象，靜觸頭色澤發黑。三相滅弧室拆解對比，見圖6。

圖6 三相滅弧室拆解對比

3.3 故障原因分析

341間隔阻容過電壓保護器已運行近15年，據了解，運維單位2014年后未對阻容過電壓保護器進行預防性試驗。B相籠式網狀電阻及頂部電容電元燒毀炸裂，根據故障錄波圖顯示，故障首先造成B相、C相兩相短路，瞬間發展為三相短路，可能是由電容單元芯子融化噴濺導致開關柜內發生相間短路及三相短路故障。

根據真空斷路器設備解體情況分析，B相及C相真空斷路器滅弧室內存在放電燒蝕痕跡，懷疑本次故障前真空斷路器內部真空度已下降，導致絕緣性能降低。根據交流耐壓試驗結果，雖然B相、C相真空斷路器內部真空度已破壞，但是依然可以耐受20 kV左右的電壓，所以運行中未發生擊穿，由于阻容過電壓保護器電容芯子融化噴濺才導致本次故障發生。該真空斷路器已運行近15年，可見阻容過電壓保護器可以有效抑制由并聯電容器操作引起的高頻振蕩過電壓。

解體過程中還發現，341開關柜相間凈距僅為250 mm，不滿足國家能源局《防止電力安全生產事故的二十五項重點要求》[7]中關于40.5 kV開關柜空氣絕緣凈距不小于300 mm的要求。

4 結論

a.普通干式阻容過電壓保護器可有效抑制由并聯電容器操作引起的高頻振蕩過電壓，其應按周期開展巡檢及例行試驗，對電阻值及電容量進行測試，防止內部電容單元擊穿導致故障發生。

b.對于35 kV及以下投切電容器組的真空斷路器，例行試驗應進行交流耐壓試驗，以檢測真空斷路器的真空度。

c.物資采購部門應嚴格落實反措要求，加強開關柜設備的采購驗收，將反措涉及內容納入到技術規范書中，杜絕出現空氣絕緣凈距不滿足要求的情況。

d.加強并聯電容器裝置用斷路器選型管理工作，投切并聯電容器用斷路器必須選用開合性能滿足C2級、機械壽命滿足M2級的真空斷路器或SF6斷路器。