高压开关柜绝缘事故的分析及防范措施

张 雷

（国家广播电视总局491台，北京 100121）

0 引 言

众多建筑电气设计中，开关设备的数量非常多。为有效管理此类设备，高压开关柜应运而生。由于高压开关柜在运行过程中所处的环境十分恶劣，因此开关柜表面的保护层会很快被破坏，出现外部漏电现象，绝缘事故随之发生。我国相关部门一直在改善开关柜的工作环境，同时也在不断优化设备性能。

1 常见事故

拒合事故和机械事故等是开关柜工作过程中经常出现的事故。其中，拒合事故是目前电网运行中最常见的一类事故。当开关柜不能正常进行分闸动作时，拒合事故就会发生。产生拒合事故的主要原因是开关柜内部的断路器动作失常，反馈给系统的是错误信息。接收错误信息后，开关柜做出错误动作，使得主筒内的相关部件出现损坏，此时断路器也不能正常闭合，进而导致拒合事故的发生。

爆炸是开关柜运行中出现频率较高的事故。产生爆炸的主要原因是设备本身的绝缘性较差。其他促使事故发生的因素包括外部环境的温湿度不适合设备工作、外部绝缘层出现损坏、老化等现象及内部元件在较差环境下工作[1]。

载流回路和操作回路也是比较容易出现事故的部位。载流回路故障的表现形式多为回路过热。该现象的产生与整个回路的运转情况息息相关，若回路中有部件存在接触不良现象，就会导致回路升温；当开关的接触面积、压力达不到标准要求时，也极易产生回路升温，进而影响设备内部整个回路的运转。回路升温的后果是设备使用年限减少，严重时会出现爆炸事故。操作回路故障的表现形式为元件出现变形。变形可能是元件本身质量问题，也可能是安装人员操作不当引起的。形变的产生会使某些部件出现轻微移动，机构在操作过程中就会出现卡涩现象。若此时的辅助开关安装、调试等工作不到位，机构操作过程中事故发生的概率将会大大增加，开关柜的正常运行也得不到保证。

2 原因分析

2.1 环境因素

分析开关柜的发展历程发现，其工作环境一直比较恶劣。长期实践表明，开关柜的运转稳定程度受外部环境的直接影响。绝缘子是开关柜的重要组成，在湿度较高的环境中，绝缘子自身的干燥状态会被打破，绝缘电阻不能正常进行工作，开关柜的绝缘层受到破坏。因此，需要对潮湿的环境进行干燥，同时设备内部的清洁水电阻保持在正常工作状态，以保证工作环境干燥的同时，绝缘子表面不会出现脏污，进而保证开关柜的正常工作。出现污闪事故，绝缘电阻会受到损坏，严重时会产生大量的泄露电流，因此必须做好对外界环境的把控工作。

2.2 爬距、间隙不足

正常电压供应下，相间电弧事故发生的主要原因是绝缘爬距、间隙不足。在此情况下启动开关柜，柜体绝缘层的保护机制较弱，达不到标准的绝缘等级要求，再加上内部元件材料有以次充好现象，极易引发绝缘事故。未严格按照设计规范进行组装，绝缘爬距明显不足，设备内部若出现电流泄露现象，将不能及时流入地下。泄露电流将出现在柜体表面，绝缘层受损，若此时内部电压过低，极易出现闪络事故，对开关柜的正常运行造成严重阻碍[2]。

2.3 设备质量问题

开关柜质量包含两方面内容，即元件质量和安装质量。投入使用前，需要对柜体进行耐压试验。试验是分别检测整体和局部的耐压性。大多数元件的耐压性都能过关，但整体耐压性的检测却达不到相关要求。最可能的原因就是元件性能不过关，进而降低设备的整体性能，因此需要改进元件制造工艺。导致装配质量低下的主要因素为：连接配件之间的螺丝紧固操作没有按照相应规则进行，完成紧固后螺杆长度过长；瓷柱与紧固底板相接处没有进行加固和绝缘等处理，设备运行时会出现局电场集中现象。此外，其他部件组装过程中，也存在很多不足。例如，设计机械连锁装置时，合闸和分闸构造相同，导致出现误操作现象，不利于维持开关柜的正常运转。

3 典型案例研究

某变电站在向用户供电的过程中，使用的是规格为10 kV的开关柜，手车整体在供电过程中被烧黑，位于动触头上的绝缘套管，损坏非常严重。同时，静触头也被严重破坏，绝缘层遭到严重损坏。柜体内的挡板被烧穿，开关柜一共有5个，其中一个损毁影响到其他柜体，在所有柜体外部均覆盖一层黑灰。事故发生后，检查变电站环境，发现设备工作环境潮湿，凝露现象在该变电站中经常发生。单母线分段是该变电站采用的主要接线形式，在PT柜Ⅰ段出现闪络现象。由于防护措施不当，该段母线工作过程中出现短路现象，与母线相连的绝缘套在高温下发生燃烧。绝缘挡板在燃烧作用下被击穿，进而影响其他4个开关柜的正常运行[3]。绝缘闪络事故发生后，所有柜体绝缘层均遭到不同程度的破坏，柜体表面都有黑灰覆盖。

4 可能原因分析

变电站工作者总结以往开关柜的故障情况，分析本次事故发生的可能原因如下。第一，元件老化。安装时没有考虑到外部环境会加速元件损坏速度。在潮湿和高温等不利因素的影响下，设备内部元件快速老化，降低绝缘层的防护能力，进而导致事故发生。第二，过电压操作。大气环境影响下，断路器在开闭过程中会出现过电压现象，三相开关同时断开时也会出现过电压现象，过电压的出现会导致绝缘击穿事故。第三，操作不当。操作PT柜前，相关人员没有熟记操作规程，或者工作中出现误操作现象，引发了事故。第四，设备内部温度过高。导致内部升温的主要原因是接触面出现严重腐蚀，或者是螺栓紧固程度未达到要求。第五，搭桥事故。有杂物进入柜中，或者在维护时不慎将多余工具落在柜内，都会产生搭桥事故。第六，绝缘泄露比距[4]。当比距过小，即导体与地面的相对距离过小时，泄露电流量过大，不能迅速导入地下，从而引发事故。

此外，互感器和绝缘子等表面光滑度不够，再加上潮湿的环境，极易出现闪络现象。雷雨和大雾等天气中，绝缘层功能被削弱，闪络接地事故发生的频次明显增加。内部线路若存在接触不良、相电压快速升温等现象，绝缘击穿事故的发生率将增大。

5 分析事故现场情况

查看设备损坏程度发现，开关柜Ⅰ段的破坏是最严重的。柜体后面安装的尺寸为180 cm ×680 cm的镀锌板防雷铝材料在事故发生后被彻底烧熔，支柱瓷瓶和防护外壳都被击穿粉碎，位于母线室的其他线路全部变形，绝缘套管和保险管全部被烧成灰烬。该开关柜的损坏对其他4个母线室造成直接影响，其损毁情况和事故发生柜体一致，只有距离较远的第五开关柜损坏相对较轻。

检查发现，变电站使用的开关柜型号比较老，电压互感器安装在柜体内部，为避免4个开关柜内的互感器相互影响，通过手车、母线设计将各互感装置隔离开。此型号开关柜中，避雷装置设置在母线室内，母线和装置同步进行工作，两者相互影响。将内部手车拉出，也看不到避雷装置的位置，由于安装位置的限制，进行性能测试时，必须对母线断电，从而影响柜体的正常运转。为保持设备正常运转，使用期间并未对避雷装置的性能进行测试，极大地降低了开关柜运行的安全程度。图1是生产厂家的实际接线设计。

图1 实际接线图

组装开关柜时，为保证其良好的防雷性能，在母线室内安装了3个避雷器。本次事故后对3个避雷器的性能进行逐一检查。与刚安装时的各项检测数据比较后发现，长期工作过程中，2个避雷器已属于不合格装置，无法发挥避雷作用。运行中，未对避雷装置进行定期检修，导致防雷能力减弱，给电力系统的安全运行带来了巨大隐患。

相应安装规范中，对避雷装置上的裸露金属间距做出了要求，其相间距离的最小值为125 mm，才能有效发挥避雷装置的作用。检查事故现场后发现，裸露金属间距只有120 mm，明显不符合规范要求。此间距下，避雷装置的伞裙间距得不到保证，其中最近间距仅有75 mm。在此情况下，若装置外部附着灰尘，再加上潮湿空气的影响，多余电源会聚集在一起，形成局部放电现象。

仔细检查现场发现，底板和支柱连接处损坏情况特别严重，经数据分析发现两者连接处的绝缘性能最为薄弱[5]。该电站带电运行7年才发生此次事故，说明底板和支柱连接处的绝缘负荷已达到极限。长期的外界环境侵蚀、内部装配缺陷及电压作用不断累积，各种因素综合影响，最终导致绝缘事故的发生。

6 故障排查

检查现场情况可知，开关柜发生故障的部位很多，需对部位故障出现的原因进行详细排查。

（1）避雷装置。电气设计过程中，没有考虑后期维修的方便性，直接将装置安装在母线室内。避雷器运行期间不能开展有效的预防性试验，工作人员很难对装置运行过程进行监督，长此以往避雷器内部元件会出现损坏，进而影响电网的正常运转。

（2）天气因素。经过现场考察可知，所有开关柜都是安置在室内的，但并未做好相应的隔离措施，室外潮湿空气进入室内不受阻碍。室内也没有相应的抽湿措施，室内外湿度保持在相同水平线上。变电站所处位置湿气较重，具有明显的凝露现象。利用湿度计检测一段时间内的空气湿度发现，其最高可达80%。湿度会直接影响闪络电压的变化，两者关系如图2所示。

图2 关系曲线图

由图2可知，湿度和闪络电压成反比，前者增加，后者就会迅速下降，因此会产生大量的泄露电流，电流集中在局部位置，极易引发燃烧事故。

（3）隔板质量。为保证开关柜的良好绝缘性能，隔板都是由绝缘材料制成，不仅保证了绝缘性能，而且减少了制作成本。设备材料种类较多，暴露在环境中会受到很多因素的影响。内部构件老化程度不一，且材料承受外界环境的侵蚀能力不同。对隔板制造工艺控制不够严格，将会大大降低隔板质量。

7 整改措施

7.1 严格按照规范进行各项操作

近年来，很多大型变电站的高压开关柜出现故障的次数逐渐减少。这主要是由于国家出台的相关设计操作规范。在相关规定的辅助下，开关柜运行的稳定性得到了保证。规范内容下需要完成的工作具体如下。（1）严格控制元件质量。针对制造工艺的缺陷进行优化，单个元件测试完合格后才能用于组装。（2）组装前，必须将相关零件清洗干净，选取合适的螺栓将各组件连接。（3）为强化操作过程的规范性，需要定期对变电站内部员工进行培训，使其牢记规范内容，进而约束其进行规范化操作。

7.2 做好运行维护，加强事后控制

开关柜正常运行时，需要定期进行检修和维护。现阶段，可借助强大的网络系统，在传感和通信等技术的辅助下，对开关柜运行过程进行实时监测[6]。该方式能够及时发现运行故障，快速找到故障位置，并排除故障，降低事故发生率。当事故发生后，需要将铜排用酒精清理干净，修复损伤不大的部件，更换老化零件。

7.3 构建良好环境

外部环境对开关柜的运行影响很大，因此需要在室内安装抽湿装置，并做好相应的除尘工作。保持外部环境干燥，且开关柜密封性良好，灰尘无法进入到设备内部，零件之间的磨损现象将减缓。定期对外部绝缘层进行检查，以确保设备绝缘性能良好。

8 结 论

本文对高压开关柜进行了相关介绍，总结了常见的事故类型，结合具体变电站案例对开关柜事故原因进行了分析，并提出了故障防范措施。近年来，在电力部门的不断努力下，开关柜事故明显减少，供电安全得到了充分保证。