港口10 kV配電所高壓開(kāi)關(guān)柜絕緣事故分析

梁小尊

0 引言

10 kV 高壓開(kāi)關(guān)柜在鐵路電力系統(tǒng)中的應(yīng)用極為廣泛，其優(yōu)勢(shì)在于占地面積小，“五防”措施到位，值班人員誤操作的可能性較低，有效地節(jié)約了房建投資并保障了人身安全。開(kāi)關(guān)柜的小型化也節(jié)約了金屬材料的使用，降低了工程造價(jià)，提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，開(kāi)關(guān)柜的總體設(shè)計(jì)也由過(guò)去的敞開(kāi)式變?yōu)榉忾]式，絕緣距離進(jìn)一步減小，外型緊湊，母線、套管被全部封閉，體積更小，運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量更少、更方便。但是，在實(shí)際運(yùn)行中，也出現(xiàn)了一些絕緣故障，對(duì)供電安全造成了威脅。主要表現(xiàn)為：開(kāi)關(guān)柜內(nèi)凝露現(xiàn)象嚴(yán)重；觸頭盒的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及安裝方式不合理，導(dǎo)致負(fù)荷較小的開(kāi)關(guān)設(shè)備動(dòng)靜觸指因潮濕空氣腐蝕使接觸電阻增大；由于絕緣距離的減小，電暈現(xiàn)象隨著運(yùn)行時(shí)間的增加而增多；局部放電在低溫、潮濕天氣變得十分嚴(yán)重，在接地故障產(chǎn)生時(shí)，單相對(duì)地放電在電弧拉長(zhǎng)時(shí)發(fā)展為相間短路。2011年11月14日，港口10 kV 配電所，因絕緣套管和觸頭盒受環(huán)境影響導(dǎo)致局部對(duì)地放電，線路單相接地后，又因非故障相對(duì)地電壓抬高加劇了放電現(xiàn)象，產(chǎn)生了相間短路，進(jìn)而發(fā)展成三相短路，致使Ⅱ段母線停電，三相短路電流達(dá) 2 169 A，電纜與導(dǎo)線的接續(xù)點(diǎn)被燒斷，事故造成中斷供電14 h 之久，嚴(yán)重影響了供電安全。下文

通過(guò)分析該故障產(chǎn)生的原因，提出了解決問(wèn)題的方法，供大家在運(yùn)行中制定合理的維護(hù)手段，并為開(kāi)關(guān)柜生產(chǎn)廠家提供參考，以便改善開(kāi)關(guān)柜的設(shè)計(jì)理念和工藝，防止同類事故的發(fā)生。

1 事故分析

1.1 故障現(xiàn)象

2011年11月5日2 時(shí)42 分，港口10 kV 配電所Ⅱ段母線出現(xiàn)單相接地故障，隨后出現(xiàn)一聲巨響，Ⅱ段母線停電，上一級(jí)變電站跳閘，故障電流2 169 A。經(jīng)巡視發(fā)現(xiàn)，三相短路點(diǎn)在Ⅱ段母線給電容器開(kāi)關(guān)柜供電的上觸頭盒處（電容補(bǔ)償裝置運(yùn)行10年來(lái)一直處于非受電狀態(tài)）。該次故障造成中斷供電14 h。

1.2 故障后的測(cè)試數(shù)據(jù)

絕緣電阻：三相母排對(duì)地絕緣電阻值均低于0.1 MΩ，拆除后的套管和觸頭盒內(nèi)壁與外壁之間的絕緣電阻小于0.2 MΩ。

升壓試驗(yàn)：試驗(yàn)電壓達(dá)到1.5 kV 時(shí)，母線穿柜套管多處出現(xiàn)放電現(xiàn)象，觸頭盒相間電弧接近短路狀態(tài)。

空氣濕度：96%。

環(huán)境溫度：白天11℃，夜間5℃。

測(cè)試時(shí)間：4 時(shí)25 分。

1.3 事故原因

1.3.1 密閉開(kāi)關(guān)柜母線部分凝露嚴(yán)重導(dǎo)致放電

“凝露”現(xiàn)象是指柜體內(nèi)壁表面溫度下降到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，內(nèi)壁表面會(huì)發(fā)生水珠凝結(jié)現(xiàn)象。凝露是否發(fā)生取決于室內(nèi)溫度、柜內(nèi)溫度、相對(duì)濕度以及露點(diǎn)溫度，凝露多發(fā)生在低溫、潮濕季節(jié)。

港口10 kV 配電所地處渤海邊，空氣中的濕氣含有大量的鹽分，且配電所附近還有2 座鋼廠，空氣污染十分嚴(yán)重。觸頭盒、套管表面的等值附鹽密度達(dá)608 mg/l，為2 級(jí)污染，且觸頭盒與母排連接處因開(kāi)口朝上而有大量的白色結(jié)晶體出現(xiàn)，經(jīng)檢驗(yàn)，主要成分為氯化鈉，伴有鋁被腐蝕后的物質(zhì)。該導(dǎo)電物質(zhì)必然導(dǎo)致電場(chǎng)不均勻而出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，放電現(xiàn)象又導(dǎo)致局部空氣對(duì)流加快，污染就會(huì)持續(xù)加重。在特定的低溫潮濕環(huán)境下，氯化鈉成為吸附水氣的重要介質(zhì)，使柜內(nèi)濕度進(jìn)一步增加，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)了滴流現(xiàn)象。該現(xiàn)象不僅出現(xiàn)在觸頭盒和絕緣套管處，母線的陶瓷支持瓷瓶的根部和端部都出現(xiàn)了該現(xiàn)象。在線路出現(xiàn)單相接地時(shí)，未接地相電壓抬高至10 kV，由于接地電弧的不持續(xù)拉弧導(dǎo)致發(fā)生鐵磁諧振現(xiàn)象，在高壓柜內(nèi)絕緣薄弱處首先形成了連續(xù)電弧。由于柜內(nèi)濕度較大，整體絕緣已經(jīng)處于薄弱狀態(tài)，誘發(fā)了相間短路，最終擴(kuò)大為三相短路。所以，凝露是造成該次事故的主要原因。

1.3.2 絕緣套管材質(zhì)不良導(dǎo)致絕緣降低

從現(xiàn)場(chǎng)觀察套管的結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，該套管內(nèi)部為光面結(jié)構(gòu)，外部為螺紋狀，目的是加大爬距，內(nèi)部采用半開(kāi)口型鋁片作為支撐。打開(kāi)開(kāi)關(guān)柜檢查套管時(shí)，套管表面和內(nèi)部都有滴流現(xiàn)象，拆除套管并對(duì)其進(jìn)行絕緣測(cè)試（測(cè)試套管內(nèi)壁對(duì)外壁絕緣），絕緣電阻小于0.2 MΩ。對(duì)套管進(jìn)行擦拭后繼續(xù)進(jìn)行絕緣測(cè)試，絕緣電阻仍然不足0.5 MΩ。細(xì)心觀察發(fā)現(xiàn)套管內(nèi)表面有許多細(xì)小的沙眼，用放大鏡觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，沙眼內(nèi)部有白色結(jié)晶體。這說(shuō)明，絕緣套管由于內(nèi)部表面不光滑導(dǎo)致憎水性不強(qiáng)，且吸附了大量的雜質(zhì)，這種雜質(zhì)和觸頭盒處的雜質(zhì)屬于同一種物質(zhì)。由于套管內(nèi)部存在細(xì)小的導(dǎo)流空洞，長(zhǎng)期運(yùn)行也會(huì)導(dǎo)致套管本體絕緣材質(zhì)的物理化學(xué)反應(yīng)，最終使套管絕緣性能降低而誘發(fā)運(yùn)行中泄漏電流的增大，導(dǎo)致發(fā)生絕緣故障。將套管烘干3 h 后，測(cè)試套管絕緣電阻為26 MΩ。用清水沖洗和浸泡套管，再次烘干后，測(cè)試套管絕緣電阻為120 MΩ。這說(shuō)明套管的整體結(jié)構(gòu)均處于潮濕污垢狀態(tài)，這也就是1.5 kV 試驗(yàn)電壓就在套管內(nèi)部鋁片支撐處產(chǎn)生強(qiáng)烈放電的原因。依照《6～10 kV 高壓開(kāi)關(guān)柜選型原則》，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為10 kV高壓開(kāi)關(guān)柜所配附件的沿面絕緣爬電比距應(yīng)不低于以下要求：瓷絕緣件18 mm/kV，有機(jī)絕緣件 20 mm/kV。該港口10 kV 配電所高壓開(kāi)關(guān)柜所用套管沿面絕緣爬電比距遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值。

1.3.3 觸頭盒安裝結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象

由于觸頭盒是水平安裝，母排和觸頭盒的連接處于垂直位置，通過(guò)靜觸指固定螺栓將母排與靜觸指緊固，構(gòu)成良好的導(dǎo)電回路。觸頭盒的母排與靜觸指之間為非密封設(shè)置，當(dāng)開(kāi)關(guān)柜發(fā)生凝露時(shí)，會(huì)有水珠沿母排與靜觸指之間的縫隙慢慢流入觸頭盒內(nèi)。由于港口地區(qū)空氣污染嚴(yán)重，鹽密度較高，鹽分混入水珠進(jìn)入觸頭盒內(nèi)造成腐蝕，當(dāng)空氣變干燥后，進(jìn)入觸頭盒的鹽水混合物變成結(jié)晶體并附著在觸頭盒與母排的垂直連接處。長(zhǎng)時(shí)間的積累，白色結(jié)晶物慢慢超出了觸頭盒的上沿，此時(shí)，在空氣濕度較大的情況下，結(jié)晶體變成了吸附水氣的元兇，局部變成了導(dǎo)體，開(kāi)始對(duì)四周放電。長(zhǎng)期的放電使鋁母排也被電化腐蝕，白色結(jié)晶物將觸頭盒與母排連接的空隙再次填滿，發(fā)生滴流現(xiàn)象，導(dǎo)致輕微放電變成沿面放電，并最終導(dǎo)致放電接地。由于非故障相對(duì)地電壓抬高，形成了電弧短路，發(fā)生開(kāi)關(guān)柜故障。

1.3.4 普通母線支持瓷瓶爬距不適宜沿海地區(qū)

母線支持瓷瓶爬距偏小是開(kāi)關(guān)柜發(fā)生絕緣事故的另一原因。作為純空氣絕緣的電氣設(shè)備，《高壓配電裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中明確規(guī)定，10 kV 系統(tǒng)純空氣絕緣的最小間隙為125 mm。從交流耐壓試驗(yàn)的結(jié)果，并結(jié)合事故分析可以看出，10 kV 高壓開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)帶電體的相與相間、相與地間的最小空氣絕緣間隙低于125 mm 的，容易發(fā)生事故。針對(duì)沿海地區(qū)的特殊環(huán)境，必須對(duì)絕緣設(shè)備做特殊的設(shè)計(jì)。這種絕緣故障在沿海地區(qū)不僅僅發(fā)生在 10 kV 配電設(shè)備上，沿海、重污染地區(qū)鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備采用大爬距瓷質(zhì)絕緣子（絕緣子的爬距比山區(qū)接觸網(wǎng)所用絕緣子爬距大200 mm），也不能滿足安全生產(chǎn)需求，仍然發(fā)生大面積污閃。可見(jiàn)，該港口10 kV 配電所高壓開(kāi)關(guān)柜采用普通絕緣子，從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上就留下了隱患。

2 應(yīng)對(duì)對(duì)策

2.1 開(kāi)關(guān)柜增加通風(fēng)除濕設(shè)計(jì)

對(duì)開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行環(huán)境要隨氣候變化進(jìn)行改善，應(yīng)加裝室內(nèi)除濕裝置，防止?jié)穸冗^(guò)高引起開(kāi)關(guān)柜內(nèi)絕緣放電閃絡(luò)。在夏季，環(huán)境溫度較高，設(shè)備負(fù)荷電流大，產(chǎn)熱高，應(yīng)加強(qiáng)10 kV 高壓室內(nèi)通風(fēng)排熱來(lái)降低設(shè)備溫升，減少潮濕空氣對(duì)流，防止?jié)駳膺M(jìn)入開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部。

2.2 適當(dāng)增加開(kāi)關(guān)柜內(nèi)套管的絕緣爬距

由于絕緣套管內(nèi)表面是光滑的平面層，所以絕緣爬距不夠大，如果廠家將絕緣套管內(nèi)表面也制作成和套管外表面的波紋狀，就能很好地增加絕緣套管內(nèi)表面的絕緣爬距，并在內(nèi)部也采用和外部一樣的光潔表面，提高其憎水性，這樣可大大提高絕緣套管的絕緣性能，減小絕緣套管放電損壞的幾率。

2.3 改善開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行環(huán)境

開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行環(huán)境是導(dǎo)致開(kāi)關(guān)柜發(fā)生絕緣閃絡(luò)的主要原因，大氣污染不斷加劇，逐漸污染了電力設(shè)備的絕緣子、套管及母線。分析多年來(lái)污閃事故，總結(jié)出發(fā)生污閃的原因主要有2 方面：其一（客觀存在）是污穢物質(zhì)和潮濕氣體2 個(gè)因素同時(shí)存在于絕緣體的運(yùn)行環(huán)境中，灰塵附在絕緣體表面，在氣候干燥的時(shí)候，絕緣電阻較高，所以在干燥氣候下不發(fā)生污閃。如果絕緣體不臟污，即使其受潮，絕緣強(qiáng)度仍滿足運(yùn)行要求，也不易發(fā)生污閃。當(dāng)干旱氣候持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，絕緣件積污越多，這時(shí)如突然出現(xiàn)低溫潮濕環(huán)境（一般2～3 h），污穢被霧水充分地潮濕，此時(shí)產(chǎn)生污閃的可能性將大大增加。其二（人為原因）是絕緣件的泄漏距離偏小，不能適應(yīng)污穢和潮濕的環(huán)境。污閃是在絕緣電阻下降、泄漏電流增大到一定程度時(shí)才發(fā)生的。在同樣的污染受潮和同樣的受電電壓下，如果絕緣子的泄漏距離越長(zhǎng)，泄漏電流就越小。泄漏距離越長(zhǎng)，電弧的弧徑就越長(zhǎng)，閃絡(luò)就難以發(fā)生。如果絕緣子的泄漏距離小，放電電弧容易跨接兩端電極，從而發(fā)生閃絡(luò)。所以在運(yùn)行中要加強(qiáng)高壓室的防潮防污措施，如做好電力電纜與高壓柜連接處的密封防潮；在高壓室內(nèi)安裝抽濕去潮裝置；高壓開(kāi)關(guān)柜在運(yùn)行中加強(qiáng)清掃，做到“逢停即掃”；在有條件的情況下將港口地區(qū)的高壓室建在二樓以上的樓層，這樣可有效地脫離地面濕氣的干擾。

2.4 采取措施防止觸頭盒與母排連接處的凝露

對(duì)開(kāi)關(guān)柜設(shè)備而言，為防止開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生凝露，只要保持開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部的溫度始終高于外部環(huán)境溫度即可。為防止觸頭盒與母排連接處結(jié)晶體的出現(xiàn)，在不影響現(xiàn)有開(kāi)關(guān)柜設(shè)備布局的情況下，可在觸頭盒開(kāi)口處均勻涂抹防水膠，使水珠不能流入觸頭盒內(nèi)部。

高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部空間十分緊湊，為保證在高溫潮濕環(huán)境下高壓開(kāi)關(guān)柜絕緣電阻仍處于較高水平,對(duì)柜內(nèi)防潮、防凝露提出了更高的要求。常用的防凝露方法有2 種：一是在開(kāi)關(guān)柜的下層電纜室、斷路器室各安裝一個(gè)鋁合金加熱器（一般為150 W），鋁合金加熱器工作時(shí)，其表面溫度為 120℃～130℃。通過(guò)空氣散熱除濕，由用戶根據(jù)工作環(huán)境狀態(tài)人工控制加熱器的投入、切除；二是將防凝露自動(dòng)除濕控制器安裝在開(kāi)關(guān)柜儀表室，凝露傳感器安裝在開(kāi)關(guān)柜柜內(nèi)，鋁合金加熱器分別安裝在開(kāi)關(guān)柜電纜室、斷路器室，利用凝露傳感器的動(dòng)作特性來(lái)自動(dòng)啟動(dòng)加熱器的投入與切除。

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)關(guān)柜的絕緣事故，在電力系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)都時(shí)有發(fā)生，上文僅針對(duì)港口10 kV 配電所的一起故障進(jìn)行分析，定性也不一定準(zhǔn)確，開(kāi)關(guān)柜的凝露現(xiàn)象很普遍，原因就是進(jìn)入柜內(nèi)的潮氣沒(méi)有很好地疏散通道。如果采用密封結(jié)構(gòu)，要么加大爬距，要么采用全密封正壓結(jié)構(gòu)，杜絕外部空氣的進(jìn)入，否則，將不可避免地發(fā)生故障。以上觀點(diǎn)僅供業(yè)內(nèi)同行參考。