開關(guān)故障引起主變燒毀原因探究

王東升

（利津縣供電公司，山東 利津 257400）

1 事故簡述

2010－09－21 T 06∶54∶35，110 kV城東變電站電廠并網(wǎng)線815開關(guān)“過流保護動作，Ic=12.8A”，并網(wǎng)線與電網(wǎng)解列。幾乎同時2號主變“中后備過流Ⅰ時限動作，Ib=38.970 A”，300開關(guān)跳閘；“Ⅱ時限動作，Ib=38.970 A”，301開關(guān)跳閘；2號主變“差動保護動作，Idb=25.790”，101、901開關(guān)跳閘?？紤]到電廠并網(wǎng)815線解列后，電廠過高的蒸汽溫度、壓力對鍋爐及汽輪機可能造成大的設(shè)備損壞，17 min 10 s后，1號主變101開關(guān)手動合閘；14 s 53 ms后，中壓側(cè)開關(guān)301“偷合”，值班員發(fā)現(xiàn)后手動分閘；22 min 40 s 253 ms后，母聯(lián)300及301開關(guān)同時“偷合”，1號主變 “中后備I時限動作”，300保護跳閘。報文顯示，300開關(guān)每間隔約8 s儲能完成后 “偷合”，這樣連續(xù)跳合10次；301“偷合”4次，手動分閘4次。07∶36∶45 1號主變 “比率差動保護動作，Idb=6.05”，101、301、901保護 跳 閘 ；07∶36∶55顯 示“主變輕瓦斯動作”，該站一次接線如圖1所示。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)302開關(guān)柜已被大火完全燒毀，其后柜門2號主變母線進(jìn)線室開關(guān)C相上靜觸頭金屬隔板處有短路燒蝕孔洞（圖2），手車開關(guān)室上端鄰接的儀表隔室端子排處也有一處短路燒蝕空洞，內(nèi)部電纜全部燒毀。主變試驗及吊芯檢查，B相高、中線圈層間燒毀、扭曲，線圈托板、墊塊脫落，A、C相中壓線圈遭受短路電動力沖擊已嚴(yán)重錯位變形。該開關(guān)柜型號KYN61-40.5，內(nèi)置ZN85真空開關(guān)，2004年3月生產(chǎn)，2005年7月變電站投入運行。

圖1 城東變一次接線圖

2 原因分析

2.1 保護動作分析

事故發(fā)生后，查看開關(guān)故障部位、分析SOE報文及微機保護動作信號，該故障首先由302開關(guān)C相上靜觸頭盒處絕緣擊穿引發(fā)，后貫通相鄰B、C相引起三相短路所致。因并網(wǎng)線815過流保護時限為0.3 s，

圖2 短路開關(guān)柜燒蝕孔洞

比主變低后備時限、中壓側(cè)中后備保護時限短，因此并網(wǎng)線815過流保護動作，使并網(wǎng)線與系統(tǒng)解列。此時故障繼續(xù)存在，進(jìn)一步引起2號主變中后備保護動作，I時限跳開300開關(guān)。從SOE報文分析，當(dāng)時保護啟動300開關(guān)跳閘時，0.3 s后開關(guān)沒有及時分閘，此時達(dá)到中后備動作Ⅱ時限，啟動2號主變跳302開關(guān)成功。由于開關(guān)三相短路產(chǎn)生的高溫電弧擊穿C相上靜觸頭金屬隔室擋板后，沖擊到后面主變進(jìn)線銅母排（在主變中壓302開關(guān)CT主變側(cè)），引起主變差動保護動作，2號主變102、902開關(guān)跳閘。

2.2 開關(guān)“偷合”分析

本次事故300、301開關(guān)之所以能夠多次自動“偷合”，是合閘線圈HQ加上正電所致。從圖3中可以看出有三條途徑可以將正電加在HQ上：

（1）“五防閉鎖接點導(dǎo)通”→“就地手合”或“遙合”→通過裝置輸出正電到開關(guān)柜HQ上；

（2）從302開關(guān)柜引至300（或301）開關(guān)柜的“三取二”二次電纜加上正電到開關(guān)柜HQ上；

（3）控制回路兩點正接地。

從SOE報文和直流絕緣監(jiān)視分析，可以排除（1）、（3）原因，下面對（2）進(jìn)行分析。

302開關(guān)柜短路產(chǎn)生的高溫不但將柜內(nèi)分支套管絕緣護套燃燒起火，同時造成了302開關(guān)柜儀表隔室端子排處短路擊穿，其短路產(chǎn)生的高溫將接至端子排上彼此絕緣的二次線引燃并造成相互間短接。因該隔室內(nèi)存在彈簧儲能合閘直流電，因此該正電通過302開關(guān)柜“三取二”電纜（從302開關(guān)至母聯(lián)300開關(guān)柜電纜、從302開關(guān)至301開關(guān)柜電纜）加到300開關(guān)及301開關(guān)合閘線圈HQ上（圖3），合閘回路正電源→1QF及2QF常閉接點短接線（考慮變壓器并列方式，施工時去掉 “三取二”功能，將圖3中1QF、2QF常閉接點短接，二次電纜解開）→302開關(guān)至300開關(guān)柜“三取二”二次電纜及302開關(guān)至301開關(guān)柜二次電纜→300、301開關(guān)CK→300開關(guān)QF常閉接點及301開關(guān)常閉接點QF→300開關(guān)、301開關(guān)HQ→負(fù)電源。因301、300開關(guān)合閘線圈HQ從302開關(guān)柜二次電纜借到正電源，在運行人員合上1號主變101開關(guān)后，300、301開關(guān)自動合閘。當(dāng)時302開關(guān)柜短路持續(xù)存在，引起1號主變中后備Ⅰ時限動作，跳300開關(guān)，開關(guān)8S彈簧儲能完成后，又重新自動“偷合”。當(dāng)時運行人員發(fā)現(xiàn)301自動合閘后，迅速將301開關(guān)手動分閘，由于加在301、300開關(guān)合閘線圈正電持續(xù)存在，因此300、301開關(guān)自動合閘，保護啟動又跳閘，這樣300開關(guān)連續(xù)跳合10次；301開關(guān)手跳4次，自動“偷合”4次，連續(xù)短路電流沖擊，最終導(dǎo)致1號主變損壞。

2.3 開關(guān)燃火原因分析

由于302開關(guān)動靜插頭位于觸頭盒內(nèi)，其通風(fēng)性、散熱性差。若操作時存在動靜插頭接觸不良、插頭偏心等原因?qū)?dǎo)致接觸電阻增大→局部發(fā)熱→接觸電阻再增大→擴大發(fā)熱面積惡性循環(huán)，發(fā)熱越來越嚴(yán)重，持續(xù)高溫導(dǎo)致靜觸頭盒絕緣材料劣化，絕緣性能下降，最終造成開關(guān)柜崩燒。

該開關(guān)柜安裝了加熱除濕裝置，目前最常用的辦法是在電纜室、斷路器室各安裝一個梳狀鋁合金加熱板和濕度傳感器，自動或人工啟動加熱板利用空氣散熱，能否起作用是個問題。雨天時，溫度低且濕度大的空氣遇到開關(guān)母排及動靜觸頭接觸部位時，易發(fā)生凝露現(xiàn)象，引起放電發(fā)熱。設(shè)計技術(shù)角度上，由于考慮開關(guān)柜內(nèi)部帶電導(dǎo)體電壓等級高、空間距離限制因素，為滿足帶電體間的絕緣要求，采取了對柜內(nèi)導(dǎo)體表面包裹絕緣護套增強絕緣能力的方法。由于材料原因（國內(nèi)產(chǎn)品與國外的差距）長期發(fā)熱，導(dǎo)致絕緣護套老化變硬，絕緣進(jìn)一步下降，形成惡性循環(huán)，長期絕緣電老化、熱老化等累積效應(yīng)觸發(fā)短路發(fā)生。故障前，該站存在35 kV開關(guān)設(shè)備放電現(xiàn)象懷疑由此引起。

302開關(guān)柜不滿足GB3906、DL/T404、DL/T593等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，是直接導(dǎo)致本次事故的主要原因。按照技術(shù)要求，其開關(guān)柜內(nèi)部護套等元件應(yīng)具備阻燃、耐受短路產(chǎn)生熱效應(yīng)的防火條件。由于302開關(guān)柜內(nèi)絕緣護套起火蔓延，不但使鄰接的開關(guān)柜燒毀，而且引燃二次電纜將正電持續(xù)加到300、301開關(guān)，導(dǎo)致設(shè)備遭受多次短路沖擊，使事故進(jìn)一步擴大和加劇。

圖3 300開關(guān)操作回路原理圖

2.4 開關(guān)柜缺陷分析

按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)部短路故障產(chǎn)生的熱膨脹沖擊應(yīng)使母線室、主變進(jìn)線室壓力釋放擋板打開，后柜門觀察窗玻璃應(yīng)具有與金屬柜門同等機械強度，保護人員安全。整個故障過程中，存在壓力釋放擋板沒有打開，后柜門觀察窗玻璃已嚴(yán)重?fù)羲槿毕?。其原因為該開關(guān)柜存在后柜門制造結(jié)構(gòu)及材料缺陷所致。事故統(tǒng)計資料表明，在其它變電站運行的該廠家開關(guān)先前已發(fā)生兩次因產(chǎn)品質(zhì)量不合格導(dǎo)致的設(shè)備故障。為此，公司對該廠生產(chǎn)的入網(wǎng)開關(guān)進(jìn)行了技術(shù)改造，并采取禁止該廠參加公司設(shè)備招標(biāo)措施。

《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：各級電壓的斷路器應(yīng)盡量附有防止跳躍的回路。由于302開關(guān)柜缺少自身防跳躍繼電器，當(dāng)短路故障時，300、301開關(guān)既有跳閘脈沖信號，又同時存在“三取二”二次電纜引來的合閘脈沖信號，是能夠多次跳合導(dǎo)致主變燒毀的主要原因。該站使用保護裝置的防跳躍功能，缺少開關(guān)柜自身防跳躍功能。保護裝置內(nèi)部防跳躍繼電器（圖3中TBJI及TBJV）作用：當(dāng)保護跳閘或手動/遙跳時，TBJI繼電器線圈啟動→TBJI常開接點閉合自保持→TBJV繼電器線圈啟動→如果同時有合閘脈沖，TBJV常開接點自保持、合閘回路中TBJV常閉接點斷開→合閘線圈HQ沒有正電不能合閘，保證了跳合閘脈沖同時存在時，僅分閘，不能合閘，避免了分合跳躍發(fā)生。以上分析可以看出，保護裝置自身防跳躍繼電器僅對裝置中存在合閘脈沖起作用，如遇到本次事故中“三取二”二次電纜正電直接加到開關(guān)柜HQ上不起作用。這也是省集團公司“反措”規(guī)定“保留開關(guān)柜防跳躍繼電器，去掉保護防跳躍繼電器”的根本原因。

2.5 保護裝置功能不完善分析

運行人員在控制盤手動分合中壓側(cè)控制二次開關(guān)時，SOE報文中僅有手跳信號，但缺少手合信號。圖3遙跳或手跳分閘回路中，有一個“STCDB”重動繼電器，有其發(fā)出“手跳”信號。因合閘回路中沒有相應(yīng)繼電器，因此報文中缺少“手合”遙信。

301開關(guān)最后一次自動合閘時，運行人員曾將裝置二次控制開關(guān)手動拉開，使裝置失壓，但報文中沒有“裝置故障”遙信?！独^電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：對繼電保護和自動裝置，應(yīng)有經(jīng)常監(jiān)視操作電源的裝置，監(jiān)視裝置應(yīng)通過自動化系統(tǒng)向遠(yuǎn)方傳送信號。事后檢查發(fā)現(xiàn)，反映該信號的裝置硬接點“BSJ＋、BSJ-”由于沒有開出信號接線，導(dǎo)致報文中沒有該信號。

2.6 保護設(shè)置分析

由于故障點位于中壓母線處 （圖1），815開關(guān)承受短路電流達(dá)到了51.2 kA，比其額定短路開斷電流40 kA大許多，危害性大。從保護電網(wǎng)、開關(guān)及母線角度，應(yīng)將定值0.3 s改為0 s為宜（表1）。當(dāng)保護范圍內(nèi)發(fā)生短路時，應(yīng)迅速將并網(wǎng)線跳閘解列，切除小電源點，減少短路電流，“舍小保大”，優(yōu)先保證電網(wǎng)、設(shè)備安全。

故障時，2號主變中后備保護動作Ⅰ時限1.3 s跳300開關(guān)，因短路點不在保護范圍內(nèi)（圖1），然后Ⅱ時限1.6 s跳開302開關(guān)，將故障隔離。當(dāng)時通過300、301開關(guān)短路電流為38.97 kA，持續(xù)時間達(dá)1.6 s，而開關(guān)額定短路開斷電流僅為31.5 kA。假如主變中壓側(cè)增加一套限時速斷保護，動作值與中壓饋線限時速斷動作值配合，時限比線路時限0.3 s高0.3 s，整定為0.6 s。這樣當(dāng)中壓母線短路時，既滿足保護范圍的選擇性、快速性，同時與1.6 s相比縮短短路電流持續(xù)時間1.0 s，將可減輕短路對設(shè)備造成的損害。

表1 保護設(shè)置一覽表

3 采取的措施

對設(shè)備線夾、穿墻套管、主變套管、母線套管、開關(guān)柜觸頭盒易發(fā)熱部位安裝在線溫感器，根據(jù)設(shè)定溫度自動報警，實現(xiàn)在線監(jiān)測并進(jìn)行狀態(tài)檢修。

夏季時，開關(guān)柜存在負(fù)荷大、室內(nèi)溫度高，內(nèi)部通風(fēng)散熱差，易造成護套老化、變硬、絕緣性能下降現(xiàn)象。特別雨季，發(fā)熱元件表面產(chǎn)生的凝露很容易造成開關(guān)內(nèi)部元件放電。在高壓開關(guān)室內(nèi)安裝空調(diào)、除濕機設(shè)備，降溫及降低空氣濕度。

開關(guān)柜招標(biāo)技術(shù)協(xié)議中，要求柜內(nèi)導(dǎo)體采用的絕緣護套材料應(yīng)為通過型式試驗的合格產(chǎn)品，使用壽命應(yīng)不少于20年，防止發(fā)熱變硬老化。進(jìn)出線套管、機械活門、母排拐彎處等場強較為集中的部位，采取倒角打磨等措施，防止尖端放電發(fā)生。柜體觀察窗要求應(yīng)使用機械強度與外殼相當(dāng)?shù)膬?nèi)有接地屏蔽網(wǎng)的鋼化玻璃遮板。玻璃遮板應(yīng)安裝緊固，位置應(yīng)滿足觀察需要等技術(shù)要求。

將“三取二”二次電纜從開關(guān)柜中抽出，防止產(chǎn)生寄生回路。

開關(guān)柜內(nèi)安裝開關(guān)防跳躍繼電器（圖4中K0繼電器），其作用：當(dāng)開關(guān)在合閘狀態(tài)時，開關(guān)常開輔助接點閉合，此時如同時出現(xiàn)手合/遙合、重合閘脈沖或通過二次控制電纜給開關(guān)柜合閘回路開入正電，將啟動K0線圈動作，與其線圈相連的K0常開輔助接點實現(xiàn)自保持，使得與合閘線圈HQ相連的常閉接點K0斷開，開關(guān)不能合閘，實現(xiàn)了防跳躍功能。同時在保護裝置操作板上將圖4中的TBJV常閉接點用連線焊接短接 （圖中TBJV常閉接點虛線部分），則保護裝置防跳躍失效。滿足了反措“保留開關(guān)柜防跳躍，去掉保護防跳躍功能”的要求。圖4中分閘“綠燈”回路若不進(jìn)行相應(yīng)改造，將存在開關(guān)在合閘時，合位“紅燈”、分位“綠燈”同時亮的現(xiàn)象。為此必須將保護裝置板上的TWJ線圈負(fù)端P4-5與合閘回路P4-4分開，單獨接開關(guān)的一副常閉接點，如圖4中“綠燈”虛線部分。圖3中“綠燈”亮，其作用是監(jiān)視合閘回路的完好性及表明開關(guān)在 “分閘位置”；改造后，“綠燈”亮僅是表明開關(guān)在“分閘位置”。合閘回路中如果存在未儲能CK斷開、開關(guān)常閉接點QF斷開、手車試驗/工作位置不到位等，報文將顯示“控制回路斷線”告警及“運行燈”變色信號，這也是改造前后的主要區(qū)別。

為便于報告分析的真實完整性，積極與廠家進(jìn)行技術(shù)溝通，要求裝置內(nèi)增加“手合”重動繼電器，產(chǎn)生“手合”信號。同時對裝置硬接點“BSJ”用外部接線開入其他測控裝置，上傳“裝置故障”遙信告警信號，便于裝置失壓時引起值班人員注意。

圖4 300開關(guān)操作回路改造原理圖

4 結(jié)語

由于開關(guān)柜招標(biāo)技術(shù)協(xié)議中引用的國標(biāo)、電力行標(biāo)較多，訂貨方往往對協(xié)議中應(yīng)采用的最新標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范引不起足夠重視，一旦設(shè)備出現(xiàn)質(zhì)量索賠，將使訂貨方處于不利位置。

開關(guān)柜內(nèi)部涉及的元器件較多，同類型產(chǎn)品，不同的廠家價格懸殊較大。這就要求技術(shù)協(xié)議中不但應(yīng)列細(xì)必做型式試驗的元件及對技術(shù)細(xì)節(jié)方面的特殊要求，而且也要對內(nèi)部元件的具體生產(chǎn)廠家做出要求，防止廠家打擦邊球，鉆技術(shù)協(xié)議漏洞。目前，國標(biāo)低于行標(biāo)，生產(chǎn)廠家為節(jié)約成本，往往采用國標(biāo)，這點應(yīng)引起足夠重視。

二次回路與一次回路相比較而言，回路中元件點多面廣，接線錯綜復(fù)雜，設(shè)計及施工中存在的隱形缺陷很難發(fā)現(xiàn)，將對電網(wǎng)的安全可靠運行埋下事故隱患和難以預(yù)測的后果，也是運行管理中難點和重點所在。強化二次回路的施工工藝及交接試驗、驗收等環(huán)節(jié)的技術(shù)管理工作，顯得尤為突出。

目前，設(shè)備生產(chǎn)廠家良莠不齊，部分廠家實行內(nèi)部元件外購拼裝而成，其產(chǎn)品在安全可靠、性能優(yōu)劣方面，用戶很難控制和甄別。設(shè)備選購時，要綜合考慮市場占用率、品牌知名度、用戶滿意度，生產(chǎn)規(guī)模等因素，優(yōu)先采用合格的廠家產(chǎn)品，確保電網(wǎng)、設(shè)備、人身安全。