一起合閘彈跳時間超標引起的10 kV開關柜起火故障分析

孫志宇 王皓

摘要：針對一起10 kV開關柜起火故障，通過故障現場情況調查，結合同一環境下運行的斷路器耐壓、機械特性等綜合性測試以及廠家對同批次產品合閘彈跳性能的測試，得出斷路器合閘彈跳時間超標是導致故障的根本原因。結合故障經驗教訓，從工藝改良、設備調試、驅動更換等角度提出了改進方案和防范措施，提高了開關柜運行的可靠性。

關鍵詞：開關柜；斷路器；合閘彈跳；燃燒；故障分析

中圖分類號：TM591? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）17-0059-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.016

0? ? 引言

真空斷路器由瑞典佛加公司研發，自1920年面世以來得到了廣泛關注，其因體積小、重量輕、可多次重合閘操作等優勢，在電力系統中得到了廣泛應用[1]。目前，我國10 kV電壓等級的真空斷路器已經基本取代油斷路器，其利用率已超過96%[2]。隨著技術的進步和發展，真空斷路器的可靠性和質量都得到了極大的提升。但是，伴隨著真空斷路器的大范圍應用和電網規模的日益復雜，產品瑕疵、安裝工藝、運行環境等復雜因素導致的故障時有發生。本文針對一起10 kV開關柜起火故障進行分析，通過現場情況調查，結合同批次產品的耐壓、機械特性等綜合性測試，得出斷路器合閘彈跳時間超標是導致本次事故的根本原因，并制定了相應的應對措施和解決方案。

1? ? 故障描述

1.1? ? 現場概況

11月21日凌晨00：29，運行人員接到監控電話，220 kV某變電站1號主變101A開關后備保護動作，跳開1號主變101A開關，故障電流：A相25.41 A，B相24.66 A，C相25.45 A（二次值），變比600/1，10 kV Ⅰ段母線失電，負荷損失3.7 MVA（損失負荷于03：00全部轉供結束）。運行人員于01：30左右到達現場，未貿然進入，隨即聯系檢修人員。檢修人員于03：30到達現場，開關室內有黑煙冒出，無法進入。故障發生時天氣為小雨，氣溫5 ℃，現場無相關工作。

開關室內部煙霧基本排出后，檢修人員進入開關室進行檢查，發現燒蝕跡象主要集中在2號電容器112間隔柜體中部及上部。112斷路器已完全變形無法抽出，打開112后柜門及上方擋板，斷路器下導電桿動觸頭已完全燒毀（圖1）。相鄰間隔1號電容器111、3號電容器113間隔繼電器儀表室二次電纜均有不同程度燒蝕跡象（圖2）。

1.2? ? 缺陷設備信息

2號電容器112開關柜，型號：KYN28-2；生產日期：2012年12月1日；投運日期：2013年9月30日；上次檢修日期：2019年11月20日。柜內智能選相斷路器型號：IR1-12/1250-31.5；生產日期：2019年7月；投運日期：2020年1月；投運以來累計自動投切次數：247次。

因現場112開關柜斷路器導軌已變形，無法整體抽出，現場對開關柜從后柜門進行拆解。打開后檢查發現112斷路器下導電臂有疑似放電點，三相動觸頭已粉化（圖3）。

檢查112開關投切信息，11月20日19：45：40，10 kV Ⅰ段母線無功缺失，自動合112開關，投入2號電容器。11月21日凌晨00：27，開關室監控顯示112開關柜有明火，開關室火災報警信號發出。

檢查故障錄波器（圖4）發現，11月21日00：27：02.822，主變保護故障錄波器啟動，顯示B相單相接地，10 kV Ⅰ段母線電壓頻繁波動12 s后，B、C相相間短路，10 ms后發展成為三相短路，主變低后備過流2時限保護經1.2 s延時動作，跳開101A開關。三相二次側故障電流25.3 A（一次側電流15 180 A，主變低壓側允許出口短路電流41 878.32 A）。

從現場開關柜后柜門解體情況及現場的故障電壓波形分析，疑似斷路器下導電桿外絕緣性能不足，造成B相發生單相接地，10 kV Ⅰ段母線電壓頻繁波動后最終導致三相短路，主變后備保護經1.2 s的延時跳開101A開關。

2? ? 原因分析

2.1? ? 損毀設備解體檢查

待斷路器設備廠家及檢修室人員至現場后進行設備解體。現場解體時故障斷路器大部分已經燒融，切割拖出斷路器手車后，發現開關柜斷路器室隔板已經被放電燒灼洞穿，如圖5所示。

進一步檢查斷路器情況，發現B相斷路器本體真空泡已經炸裂成碎片，C相真空泡破裂，A相真空泡相對完好，如圖6所示。

初步判斷由于斷路器B相真空泡出現絕緣問題，斷路器在運行過程中出現對柜體放電現象，故障持續發展，導致本次故障。

2.2? ? 同一批次斷路器停電檢測

由于112斷路器損毀嚴重，無法進行進一步的性能檢測，故對同一站點并列運行的10 kV 4號至8號電容器開關進行停電檢修，按計劃開展了斷路器本體的耐壓試驗、回路電阻試驗以及現場合閘選相延時時間校驗等工作，以此作為對照分析依據。使用的儀器設備如下：TEKtronix DPO5104B示波器、SWT-VB開關機械特性測試儀。

本次檢查的5臺開關主回路電阻數據合格，與出廠值無明顯變化；耐壓測試通過，無放電現象；各相斷路器固有動作時間穩定，與出廠值最大偏差0.3 ms，小于偏差范圍；但在開關機械特性測試的試驗過程中發現，部分斷路器合閘彈跳時間超過了2 ms標準，并且數據相對于出廠值普遍高出很多（詳細數據如表1所示），其中5號電容器122開關測試C相合閘彈跳2.375 ms，7號電容器138開關斷路器特性測試C相合閘彈跳2.025 ms。Q/CSG 114002—2011《電力設備預防性試驗規程》中規定：合閘時觸頭的彈跳時間不應大于2 ms[3]，測試結果顯然超過了標準的2 ms。

經現場機械特性測試發現，同一批次運行的斷路器確實存在合閘彈跳時間超標的問題。合閘彈跳在國家標準中并沒有明確的定義，通常情況下認為是開關在合閘時觸頭剛接觸直至觸頭穩定接觸瞬間為止的時間。在合閘彈跳過程中，觸頭斷開距離小，電弧不會熄滅，將導致觸頭電磨損加重，從而影響真空泡的電壽命[4]。合閘彈跳時間越長，對真空泡的絕緣性能破壞就越大。這也驗證了上一節中的猜想，真空泡的絕緣破壞是導致本次故障的直接原因，而斷路器的合閘彈跳時間超標是造成本次故障的根本原因。

3? ? 對策及建議

為了進一步研究開關合閘彈跳時間超標的原因，避免再次發生此類故障，后續和廠家開展合作，進行更深入的測試驗證，得出了以下主要原因和相應對策：

原因一：觸臂安裝工藝不規范，導致合閘過程中導電面接觸不良，引起合閘彈跳。

測試方法：不安裝觸臂進行測試，合閘彈跳時間為0 ms；安裝觸臂后進行測試，合閘彈跳時間為1.9～2.3 ms。

結論：觸臂安裝工藝不規范，導致合閘過程中導電面接觸不良，引起合閘彈跳時間超標。

采取措施：打磨斷路器觸臂接觸面，并涂抹導電膏，調整觸臂安裝螺栓。

復測結論：處理后，再次測試合閘彈跳時間為0 ms。

原因二：斷路器超程過小，超出正常范圍1.8～2.2 mm。

采取措施：現場對斷路器進行超程測試并做調整。

原因三：驅動器不匹配，造成斷路器合閘速度過大，彈跳超標。目前堆港變斷路器永磁機構驅動器為CM-15型，存在與單相斷路器動作不匹配的隱患，且由于輸出功較大，無法調整，可能導致斷路器合閘速度過大，合閘彈跳超標。目前國外廠家已有永磁機構單相動作匹配驅動器，可對超標的斷路器驅動器進行更換。

4? ? 結論

本文對某變電站10 kV真空斷路器起火故障進行了分析驗證，通過現場調查，結合同批次產品的耐壓、機械特性等綜合性測試，得出真空泡絕緣破壞是導致本次故障的直接原因，而斷路器的合閘彈跳時間超標是造成本次故障的根本原因。為了防范此類故障的再次發生，從工藝、調試、驅動更換等方面制定了相應的策略和解決方案，對斷路器合閘彈跳時間超標造成的故障起到了重要防范作用。

[參考文獻]

[1] 徐國政，張節容，錢家驪，等.高壓斷路器原理和應用[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2] 王季梅.真空開關的發展概況和應用[J].中國電力，1994（2）：14-17.

[3] 電力設備預防性試驗規程：DL/T 596—2021[S].

[4] ANDREA M，PHILIPPE P，崔國順.合閘彈跳時間對真空斷路器性能的影響（英文）[J].中國電機工程學報，2010，30（36）：1-6.

收稿日期：2023-05-08

作者簡介：孫志宇（1994—），男，江蘇連云港人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：變電檢修。