一起35 kV高壓開關(guān)柜真空斷路器故障診斷與分析

劉天宇，劉志林，劉濤瑋，杜 鑫，張澤輝

(1.內(nèi)蒙古電力(集團)有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學研究院分公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古電力(集團)有限責任公司阿拉善供電分公司，內(nèi)蒙古 阿拉善 750300)

利用真空作為絕緣和滅弧介質(zhì)的斷路器稱為真空斷路器，主要由真空滅弧室、操動機構(gòu)、傳動機構(gòu)和支撐絕緣子組成[1]。真空滅弧室真空度在1.33×10-5～1.33×10-2Pa，屬于高真空范圍，因此觸頭間的絕緣強度很高。真空斷路器燃弧時間短，電氣壽命比較長，觸頭開距和行程小，操作能量小，機械壽命也比較長，因此廣泛應用于35 kV及以下斷路器。

隨著電網(wǎng)容量不斷增加，并聯(lián)電容器操作也越來越頻繁，由此產(chǎn)生的操作過電壓時有發(fā)生?，F(xiàn)行規(guī)程[2]規(guī)定電容器組應使用無重擊穿開關(guān)，但是大量試驗數(shù)據(jù)表明[3-5]，35 kV真空斷路器平均重擊穿率達5%～10%。阻容過電壓保護器可以有效減小負載特征阻抗和振蕩頻率，增大重燃衰減系數(shù)，降低重燃過電壓幅值。

1 故障情況

2021年8月30日，某220 kV變電站341間隔電容器保護裝置過流Ⅰ段、Ⅱ段保護動作，隨后1號主變保護裝置低壓側(cè)復壓過流Ⅱ段時限動作，引起1號主變高壓側(cè)及低壓側(cè)跳閘。

經(jīng)現(xiàn)場檢查，1號主變外觀未見異常，201斷路器、301甲、301乙開關(guān)柜外觀無異常；341開關(guān)柜阻容過電壓保護器B相頂部炸裂；341間隔真空斷路器B相、C相真空泡有多處放電痕跡，B相連接排上有金屬噴濺物，C相側(cè)開關(guān)柜柜體有明顯放電燒蝕痕跡。

341間隔真空斷路器型號ZN65A-40.5，出廠日期為2006年4月，投運日期為2007年3月。截至2021年7月，341間隔真空斷路器例行試驗結(jié)果均滿足關(guān)于DL/T 393—2010《輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》規(guī)定[6]。

2 診斷試驗及其分析

2.1 1號主變診斷試驗

由于本次故障引起1號主變高低壓側(cè)跳閘，根據(jù)1號保護裝置動作情況分析，折算一次故障電流最高為10 400 A，因此需要對1號主變進行診斷性試驗。

a.絕緣油色譜試驗

絕緣油色譜試驗結(jié)果見表1。根據(jù)DL/T 393—2010《輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》規(guī)定，C2H2、H2、總烴含量均在規(guī)程要求范圍內(nèi)，說明絕緣油色譜試驗結(jié)果合格。

表1 絕緣油色譜試驗結(jié)果 單位：μL/L

b.繞組各分接位置電壓比

1號主變繞組各分接位置電壓比試驗結(jié)果見表2。根據(jù)DL/T 393—2010《輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》，額定分接位置初值差不超過±0.5%，其他分接位置初值差不超過±1%。測試結(jié)果均在規(guī)程要求范圍內(nèi)，說明繞組各分接位置電壓比試驗合格。

表2 繞組各分接位置電壓比試驗結(jié)果 單位：%

c.低電壓短路阻抗試驗

1號主變低電壓短路試驗結(jié)果見表3。根據(jù)DL/T 393—2010《輸變電設備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》規(guī)定，油浸式電力變壓器繞組短路阻抗初值差不應大于±3%。測試低電壓阻抗偏差0.29%，在規(guī)程要求范圍內(nèi)，低電壓阻抗試驗合格。

表3 低電壓阻抗試驗結(jié)果

根據(jù)以上變壓器診斷性試驗，本次開關(guān)柜故障引起主變跳閘，并未造成1號主變繞組變形及絕緣故障。

2.2 阻容過電壓保護器試驗

普通干式阻容過電壓保護器由籠式網(wǎng)狀電阻及電容單元組成，可有效抑制由并聯(lián)電容器操作引起的高頻振蕩過電壓，降低斷路器重燃率，保證并聯(lián)電容器的安全運行。

故障造成341開關(guān)柜阻容過電壓保護器B相頂部炸裂，籠式網(wǎng)狀電阻燒毀，如圖1所示。

圖1 B相籠式網(wǎng)狀電阻燒毀

阻容過電壓保護器電阻及電容單元試驗結(jié)果見表4。

表4 繞阻容過電壓保護器試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果表明：A相及C相籠式網(wǎng)狀電阻及電容單元均完好，試驗結(jié)果相關(guān)滿足規(guī)程要求;B相籠式網(wǎng)狀電阻已燒毀，無法進行試驗;B相過電壓保護器電容量測試值與額定值偏差較大，懷疑內(nèi)部電容單元存在燒蝕損壞。

2.3 真空斷路器交流耐壓試驗

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，341間隔真空斷路器B、C相真空泡存在多處放電痕跡，為了診斷真空斷路器的絕緣狀況，對真空斷路器進行了交流耐壓試驗，分別在真空斷路器分閘、合閘狀態(tài)下進行，試驗電壓為出廠試驗值的80%，即Ut=95×80%=76 kV。交流耐壓試驗結(jié)果見表5。

表5 真空斷路器交流耐壓試驗結(jié)果

交流耐壓試驗結(jié)果表明：

a.在真空斷路器A相試驗中，內(nèi)部滅弧室完好，絕緣性能良好。

b.真空斷路器B相及C相在合閘狀態(tài)下分別施加21 kV和23 kV電壓，即發(fā)生閃絡擊穿現(xiàn)象，說明B相及C相滅弧室內(nèi)部真空度已發(fā)生破壞，絕緣性能已大幅度降低，無法耐受交流耐壓試驗電壓值。

3 現(xiàn)場解體過程與原因分析

3.1 阻容過電壓保護器拆解

首先對341間隔阻容過電壓保護器進行拆解，利用切割機將阻容過電壓保護器縱向切開，見圖2。阻容過電壓保護器頂部一電容單元燒蝕明顯，內(nèi)部電容芯子已融化噴出且燒結(jié)為塊狀，見圖3。

圖2 阻容過電壓保護器縱向剖開

圖3 電容芯子燒結(jié)為塊狀

3.2 真空斷路器拆解

將真空斷路器滅弧室從開關(guān)柜體內(nèi)拆卸下來，拆開B相滅弧室瓷套管，有碳化痕跡，靜觸頭座燒蝕嚴重，被高能量放電擊穿出一個小孔，金屬融化，且金屬融化物噴濺到瓷套內(nèi)壁處，靜觸頭色澤發(fā)黑，有燒蝕痕跡及輕微金屬融化痕跡，見圖4及圖5。

圖4 B相靜觸頭座燒蝕嚴重

圖5 B相靜觸頭燒蝕痕跡

A相滅弧室光潔如新，無放電燒蝕痕跡，與交流耐壓試驗結(jié)果相對應，滅弧室完好無損。C相滅弧室同樣存在靜觸頭座燒蝕現(xiàn)象，靜觸頭色澤發(fā)黑。三相滅弧室拆解對比，見圖6。

圖6 三相滅弧室拆解對比

3.3 故障原因分析

341間隔阻容過電壓保護器已運行近15年，據(jù)了解，運維單位2014年后未對阻容過電壓保護器進行預防性試驗。B相籠式網(wǎng)狀電阻及頂部電容電元燒毀炸裂，根據(jù)故障錄波圖顯示，故障首先造成B相、C相兩相短路，瞬間發(fā)展為三相短路，可能是由電容單元芯子融化噴濺導致開關(guān)柜內(nèi)發(fā)生相間短路及三相短路故障。

根據(jù)真空斷路器設備解體情況分析，B相及C相真空斷路器滅弧室內(nèi)存在放電燒蝕痕跡，懷疑本次故障前真空斷路器內(nèi)部真空度已下降，導致絕緣性能降低。根據(jù)交流耐壓試驗結(jié)果，雖然B相、C相真空斷路器內(nèi)部真空度已破壞，但是依然可以耐受20 kV左右的電壓，所以運行中未發(fā)生擊穿，由于阻容過電壓保護器電容芯子融化噴濺才導致本次故障發(fā)生。該真空斷路器已運行近15年，可見阻容過電壓保護器可以有效抑制由并聯(lián)電容器操作引起的高頻振蕩過電壓。

解體過程中還發(fā)現(xiàn)，341開關(guān)柜相間凈距僅為250 mm，不滿足國家能源局《防止電力安全生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》[7]中關(guān)于40.5 kV開關(guān)柜空氣絕緣凈距不小于300 mm的要求。

4 結(jié)論

a.普通干式阻容過電壓保護器可有效抑制由并聯(lián)電容器操作引起的高頻振蕩過電壓，其應按周期開展巡檢及例行試驗，對電阻值及電容量進行測試，防止內(nèi)部電容單元擊穿導致故障發(fā)生。

b.對于35 kV及以下投切電容器組的真空斷路器，例行試驗應進行交流耐壓試驗，以檢測真空斷路器的真空度。

c.物資采購部門應嚴格落實反措要求，加強開關(guān)柜設備的采購驗收，將反措涉及內(nèi)容納入到技術(shù)規(guī)范書中，杜絕出現(xiàn)空氣絕緣凈距不滿足要求的情況。

d.加強并聯(lián)電容器裝置用斷路器選型管理工作，投切并聯(lián)電容器用斷路器必須選用開合性能滿足C2級、機械壽命滿足M2級的真空斷路器或SF6斷路器。