一起10kV 开关柜故障的分析

陈剑光 朱昕原

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京211102）

0 引言

火力发电厂的厂用电系统是发电厂安全稳定运行的重要保障，而高压厂用电系统是整个厂用电系统的第一级电源系统，地位举足轻重，一旦故障不仅会使发电厂无法稳定工作甚至停机，引起严重的经济效益损失和不良的社会影响，还会损坏电气设备，甚至给操作人员的生命带来威胁。故本文对一起10kV 开关柜烧毁引发的事故进行原因分析，并提出防范措施和建议，希望可避免和预防类似事故发生。

1 故障经过

某日凌晨03：27：56.826，启备变高压侧220kV 断路器跳闸，10kV 备用进线开关跳闸，同时集控室的电气光字牌报警。

现场检查发现故障发生在3机组10kV 备用进线间隔（包含进线断路器及进线PT），具体情况如下：PT 表面熏黑变形，A相PT 熔管烧断，A、C 相有烧裂，B、C 相熔管有裂纹，熔丝完好；PT 室左右两侧侧板严重烧坏变形，有明显烧蚀痕迹；支持绝缘子A 相有裂纹，三个支撑绝缘子烧坏，其静触头完全融化掉落；PT 室二次线都被烧坏；断路器室活门被烧坏，真空开关VD4极柱熏黑烧坏，机构被熏黑。现场加热器投入，电缆孔封堵完好，柜体内无异物，PT 二次接线正确，消谐电阻完好。

2 原因分析

2.1 继电保护装置动作记录及故障波形分析

10kV 开关保护动作情况：过电流限时速断保护和过流保护保护均动作，但未能切除故障。

启备变保护动作情况：调用继电保护装置的记录，情况如图1、图2所示。

从以上两图中可以看出，启备变10kV 侧短路故障分三个阶段：阶段一，A 相单相接地故障，在检测到的故障初期，A 相电流为720A，B、C相电流为120A；阶段二，经过81ms后，A相电流急速上升至29kA，B相电流急速上升至25kA，C 相电流为120A，故障扩大为AB 相间短路；阶段三，再经过10 ms后，A、B、C三相的短路电流均超过25kA，相间短路发展为三相短路故障，经1.4s后跳启备变各侧断路器。而10kV 侧B相电流波形在发生三相短路故障1.1s后，发生严重畸形。

保护动作情况：凌晨03：27：56.826，启备变第一套保护发出复合电压过电流保护跳闸启动信号，跳启备变各侧断路器并触发录波；第二套保护发出差动保护跳闸及复合电压过电流保护跳闸启动信号，跳启备变各侧断路器并触发录波。

图1 前期三相故障电流波形

图2 后期故障电流波形

保护动作分析：从保护动作的情况、时间及录波波形可分析出启备变保护装置判断10kV 侧发生的故障为启备变区外故障，变压器主保护未动作，而由变压器后备保护动作延时长达1.4s跳开故障点。第二套保护差动保护动作是因为10kV侧B相电流严重畸形后引起差动保护误动作。

通过保护动作时间和故障波形分析，还原出故障过程：（1）由于A 相铜排支撑绝缘子受外力破坏套装产生裂纹，发生了单相接地故障，在开关柜背板上形成典型的电弧烧蚀痕迹。（2）AB相间绝缘被短路弧光破坏，故障未及时切除引起了AB相间故障。（3）受（1）及（2）弧光的影响，最终导致了ABC三相间的弧光短路，此时后备保护动作，故障切除。故障过程如图3所示。

2.2 故障原因分析

图3 故障过程还原图

10kV 开关柜故障引起的原因可能有如下几种：PT 铁磁谐振过电压引起的熔丝熔断乃至限流电阻爆炸事故；开关柜柜体设计不合理，内部凝露导致的爆炸；长时间运行导致设备老化引起的爆炸；各种绝缘破坏或绝缘下降引起的短路故障；柜体有异物进入引起的短路故障；开关柜导体发热或导电回路过热引起的故障。

由于本工程的10kV 系统采用中性点经电阻接地，杜绝了铁磁谐振的起谐条件，因此不可能发生PT 铁磁谐振；故障时开关柜内的加热器处于运行状态，从而杜绝了凝露引起故障的可能；从爆炸后柜体内部无异物（小动物、铁丝）等情况看也排除了异物引起的故障；该开关柜刚刚投运1个月不到，因此也非设备老化引起的故障。

从故障起因来看，首先是10kV 开关柜的A 相发生了单相接地故障，结合开关柜现场损毁情况，最初故障点应当出现在A 相铜排支撑绝缘子处，其表面有细微的裂痕和绝缘损坏后引起的放电闪络线。推测该支撑绝缘子在制造过程中表面和内部可能存有微小缺陷，且PT 小车在推进过程中没有限位，只有两个插销在小车到位后进行定位，经过反复承受外力等作用，其受到机械应力，然后发展出现龟裂，在PT 带电运行后，绝缘子逐渐出现局部放电，因电流很小，难以发现，使爬电一直存在，直至绝缘击穿，发生单相接地故障，产生大电流，迅速发展为相间短路。

根据保护动作情况及故障录波情况来看，10kV 开关柜发生了单相接地后主保护未能及时动作，导致故障进一步扩大，直至后备保护动作才切除故障，由于保护装置均能可靠动作，排除了保护装置本身故障的情况，因此只能是故障发生在主保护区外引起了故障的进一步扩大，从而导致10kV 开关柜爆炸。通过现场对10kV 开关柜柜体的检查发现，故障发生处的PT 小车接线位置与设计图纸有差别，具体如图4所示。

图4 设计与制造不一致的接线图

设计图纸中进线PT 位于电流互感器下桩头，当PT 处发生短路时，启备变差动主保护瞬时动作于变压器各侧断路器跳闸。而实际制造的PT 位于电流互感器上桩头，当PT 处发生短路时，启备变差动主保护不会动作，10kV 断路器保护也无法切除故障，故障进一步扩大，最终经1.4s的长延时，由变压器复压过流后备保护动作切除故障。

3 改进措施

为加快恢复生产，根据故障原因，提出了如下改进措施：

（1）将4号机组两台进线柜调至3号机组进行安装，恢复电源供电。

（2）开关柜厂将PT 位置设置安装在差动保护区内，PT 小车要在工作位置设立限位装置，以减小PT 小车在推进时对支撑绝缘子的撞击力。

（3）开关柜厂将进线PT 室裸露铜排加装绝缘材料。

（4）对所有进线开关柜的支撑绝缘子进行表面损伤、裂纹检查。

（5）加强对运行人员的操作要求，在操作PT 小车时用力要均匀，平稳地将小车推入至工作位置，不得两人同时共同推小车，防止用力过猛，造成撞击。

4 结语

本文通过对一起10kV 开关柜故障损毁事故的分析，意在唤起设计、制造、运行各方的注意，避免同类型故障再次发生。只有设计可靠合理，制造细致用心，运行规范文明，一起共同关注10kV 开关柜的各个环节，才能确保10kV 开关柜的安全稳定运行，从而确保电力系统的安全稳定。

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