10kV高壓設(shè)備短路故障分析及應(yīng)對措施分析

中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 熊宇洋

由于高壓設(shè)備自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與多樣性，以及在使用過程中受現(xiàn)場環(huán)境的約束和影響，在工程實(shí)踐中極易出現(xiàn)設(shè)計(jì)方案不合理，材料尤其是絕緣材料的選擇誤差，這些因素進(jìn)一步降低了高壓電設(shè)備的運(yùn)行安全與穩(wěn)定，因此作為電力企業(yè)需進(jìn)一步提高設(shè)備故障的診斷能力，有利于保證高壓設(shè)備的長期穩(wěn)定運(yùn)行。通過對10kV高壓設(shè)備為研究對象，對其發(fā)生的絕緣及短路故障進(jìn)行了分析，避免和消除電氣設(shè)備的運(yùn)行故障問題。

1 10kV高壓設(shè)備短路故障問題類型

電網(wǎng)在運(yùn)行過程中，10kV高壓設(shè)備短路故障常分為兩種情況：非金屬性的短路故障。通常將故障點(diǎn)電阻為0Ω時產(chǎn)生的故障稱為非金屬短路故障。非金屬短路故障的特點(diǎn)是，雖然短路電流小于金屬短路電流，但其產(chǎn)生的過程會持續(xù)較長時間，在這樣長時間的非金屬短路過程中，就會在局部時間與范圍內(nèi)降低電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性[1]；金屬短路所造成的故障。這類故障的特點(diǎn)是，電網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行過程中，其設(shè)備處于不同位置的金屬導(dǎo)線與導(dǎo)線間出現(xiàn)連接或?qū)Ь€間相互接觸而造成的斷路現(xiàn)象。電網(wǎng)運(yùn)行過程中產(chǎn)生金屬短路時，相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的阻值會急劇下降、直到降到0Ω，同時在金屬短路的過程中通常伴有明顯的電壓波動。

文中以某高壓開關(guān)的設(shè)備為例，闡述其基本結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)。圖1中：1上端接線；2靜觸頭；3閘刀；4套管絕緣子；5下端接線；6框架；7轉(zhuǎn)軸；8拐臂；9升降絕緣子；10支柱絕緣子。高壓隔離開關(guān)基本技術(shù)參數(shù)：額定電壓40.5kV；額定電流（A）630、1250、2000、2500；4s額定短時耐受電流（kA）20.0、31.5、40.0、40.0；額定峰值耐受電流（kA）50、80、100、100；1min工頻耐壓（kV）95/118；雷電沖擊耐壓（kV）185/215。

2 10kV高壓設(shè)備形成短路故障的原因

本文主要研究對象是10kV配電線路設(shè)備及配電變壓器的故障類型原因及防范措施，針對10kV配電線路設(shè)備及配電變壓器的故障進(jìn)行了分析歸類，分析了10kV高壓設(shè)備形成短路故障的原因，并對防范各類故障進(jìn)行了闡述。

絕緣引起的故障。絕緣指標(biāo)作為高壓開關(guān)的重要指標(biāo)，其指標(biāo)的優(yōu)劣直接反映了高壓開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。由于高壓開關(guān)產(chǎn)品種類繁多、質(zhì)量和性能參差不齊，因此作為電力企業(yè)在選用高壓開關(guān)時，應(yīng)該注重開關(guān)的質(zhì)量監(jiān)控，從根源上降低設(shè)備短路的風(fēng)險，維持電網(wǎng)長時間持續(xù)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性[2]。

質(zhì)量問題。高壓開關(guān)設(shè)備其自身的質(zhì)量問題是引起電力系統(tǒng)故障的重要因素之一。由于高壓設(shè)備自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其在加工生產(chǎn)過程中涉及多種零件的組合與裝配，不可避免的存在著部分零部件質(zhì)量不過關(guān)的情況，在一定程度上降低了整個高壓設(shè)備的故障率，增加了電力系統(tǒng)故障發(fā)生的概率。例如，隔離插頭作為系統(tǒng)的常用設(shè)備，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到電網(wǎng)設(shè)備能否正常運(yùn)行，如果質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)，易發(fā)生接觸不良而造成相應(yīng)安全事故。

安裝問題。工程技術(shù)人員在整個電力系統(tǒng)的施工過程中扮演著重要的角色。技術(shù)人員能否有效正確的進(jìn)行電力系統(tǒng)設(shè)備的安裝與維護(hù)，對整個電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著十分至關(guān)重要的作用，而電力系統(tǒng)的多樣性對電力系統(tǒng)設(shè)備的施工安裝帶來了新的挑戰(zhàn)，會影響相應(yīng)電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行，但在安裝過程中，由于操作的不規(guī)范，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)不同程度的損傷。例如，電纜絕緣外層、電纜與地面接觸不良等情況。

操作問題。外部環(huán)境因素是造成高壓設(shè)備故障的主要因素之一，工程技術(shù)員在進(jìn)行相應(yīng)電氣設(shè)備操作時，應(yīng)嚴(yán)格遵循操作規(guī)程，盡可能避免外部環(huán)境和人為因素的影響，進(jìn)而確保整個電力系統(tǒng)的安全性。但在實(shí)際的操作過程中，由于工程技術(shù)人員的操作不當(dāng)而造成的電網(wǎng)事故往往經(jīng)常出現(xiàn)。其主要原因首先是設(shè)備自身的原因，較長的設(shè)備使用年限，其設(shè)備自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性將逐漸逐步降低，因此在出現(xiàn)短路故障時，其高壓設(shè)備極易出現(xiàn)移位現(xiàn)象而發(fā)生安全事故；其次是工程技術(shù)人員的安裝和操作問題，其可能在操作過程中破壞了電力系統(tǒng)原本的結(jié)構(gòu)而造成短路現(xiàn)象，影響電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備的正常運(yùn)行。

線路老化問題。電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行往往較為復(fù)雜，種類繁多的電氣設(shè)備和復(fù)雜的線路，給整個系統(tǒng)的用電需求帶來更高的要求，其多樣化的用電實(shí)際對技術(shù)員的施工和設(shè)計(jì)提出了更高的要求。在工程實(shí)踐中不及時對線路進(jìn)行檢修和維護(hù)極易導(dǎo)致線路的老化而出現(xiàn)短路問題，進(jìn)而造成電氣設(shè)備不必要的損壞，同時還易引起火災(zāi)等不安全的事故，危害設(shè)備及人員安全[3]。

安裝、修護(hù)引起的故障。在安裝過程中面對復(fù)雜的施工環(huán)境，施工人員易出現(xiàn)不按照操作規(guī)程進(jìn)行安裝維護(hù)的情況，這些不當(dāng)操作極易造成電氣設(shè)備的損壞。因此，對于電氣設(shè)備的安裝施工，應(yīng)注重對施工人員的技術(shù)培訓(xùn)，最大限度的避免外部環(huán)境造成的不必要損失，同時在進(jìn)行安裝后還應(yīng)該進(jìn)行交叉性的檢查，進(jìn)而避免人為失誤而造成的電氣設(shè)備安裝故障，降低惡性停電事故發(fā)生的概率。

3 防范10kV高壓設(shè)備發(fā)生短路的具體措施

選擇材料防范措施。由于受高壓設(shè)備自身結(jié)構(gòu)的影響，其內(nèi)部存在眾多的細(xì)小部件，因此在進(jìn)行材料選擇時應(yīng)該慎重進(jìn)行，而材料的選擇，應(yīng)在兼顧其堅(jiān)固絕緣性、耐用性的同時注重材料自身整體性能，進(jìn)而通過材料防范保證高壓設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性、可靠性；其次，工程技術(shù)人員還應(yīng)充分考慮實(shí)際工程的地理環(huán)境、氣候環(huán)境等因素，進(jìn)而在材料選擇時有針對性的做出調(diào)整，進(jìn)而保證電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，為高壓電網(wǎng)的良好運(yùn)行奠定良好的基礎(chǔ)。

外部環(huán)境防范措施。電氣化網(wǎng)絡(luò)往往處于較為復(fù)雜的地理環(huán)境中，因此外部環(huán)境極易對電網(wǎng)設(shè)備的安全帶來重要影響，分析和研究外部環(huán)境對電網(wǎng)安全的影響，維護(hù)高壓電網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)行就顯得十分重要，因此相關(guān)技術(shù)人員在進(jìn)行高壓電網(wǎng)設(shè)備安裝過程中，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際工程區(qū)域的地理環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，應(yīng)該有與當(dāng)前外部施工環(huán)境相匹配的故障防范和應(yīng)急措施，最大限度的減小外部施工環(huán)境對電網(wǎng)設(shè)備的影響。如，可以在通風(fēng)窗口為設(shè)備安裝一層空氣過濾網(wǎng)和鐵柵欄，來有效阻攔外界潮濕的空氣的進(jìn)入對電網(wǎng)高壓設(shè)備的影響。

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇爬電比距。爬電比距作為電網(wǎng)高壓設(shè)備的重要參數(shù)和指標(biāo)，其指標(biāo)的合理性直接影響著設(shè)備的穩(wěn)定性。因此在工程施工中，技術(shù)人員應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的工程需求和環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的合理的選擇，保證零件的外絕緣爬電比距符合設(shè)計(jì)需求，同時在條件允許的情況下，可以在符合需求的基礎(chǔ)上提高爬電比距，一般情況下絕緣值的范圍在18~20mm/kV之間。而對于部分特殊的施工需求，工程技術(shù)員應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)針對性的施工，從根本上保證高壓電網(wǎng)整體的絕緣性，避免短路故障的產(chǎn)生。

繼電保護(hù)裝置性能的防范措施。注重繼電保護(hù)裝置的安裝和使用，在進(jìn)行高壓電網(wǎng)配置的過程中，應(yīng)該根據(jù)需求成比例的配置相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置，同時對已有的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行性能優(yōu)化、維護(hù)和檢修，進(jìn)而通過繼電保護(hù)裝置的合理設(shè)置，保持電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定；其次，應(yīng)該及時關(guān)注設(shè)備容量，在設(shè)備的電氣容量不夠時應(yīng)該及時更換、升級繼電保護(hù)裝置，并根據(jù)運(yùn)行環(huán)境對新繼電保護(hù)裝置的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)定[4]。

安全用電的防范措施。在進(jìn)行電網(wǎng)施工的過程中應(yīng)注重電氣安全問題，在進(jìn)行高壓設(shè)備的使用過程中，需要工程技術(shù)人員掌握相應(yīng)的電氣安全知識，在進(jìn)行相應(yīng)的施工過程中，首先應(yīng)該確定開關(guān)柜內(nèi)導(dǎo)體是否完全接地，是否符合設(shè)計(jì)施工的標(biāo)準(zhǔn)，同時要保證相間空氣間隙和對地空氣間隙的值都要超過125mm以上。同時在面對較為復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)時，工程技術(shù)人員還應(yīng)該注意不同設(shè)備之間的絕緣問題，提高整個電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，如應(yīng)該注重對鹽、霧等有害腐、蝕性氣體的防護(hù)。

注重配電線路的維護(hù)、運(yùn)行管理工作。作為電力企業(yè)的工程技術(shù)人員，對電力高壓設(shè)備進(jìn)行定期的巡視和檢查應(yīng)定期巡視，對于發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷進(jìn)行及時的修復(fù)，進(jìn)而提高設(shè)備的運(yùn)行水平，保證電力系統(tǒng)的安全。同時應(yīng)該逐步淘汰老舊設(shè)備，并加大相對應(yīng)的電氣配網(wǎng)建設(shè)的改造力度，使布局更加符合當(dāng)前社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。最后應(yīng)該有計(jì)劃的對線路進(jìn)行巡視，密切關(guān)注設(shè)備的負(fù)荷情況及時調(diào)整，使負(fù)荷達(dá)到平衡。

重視制度建設(shè)與落實(shí)。作為電力企業(yè)的管理人員，還應(yīng)該在管理過程中不斷優(yōu)化自身的管理制度，并積極落實(shí)到每一個工作的具體環(huán)節(jié)，通過完善事故應(yīng)急預(yù)案，開展反事故演習(xí)活動，進(jìn)而保證工程技術(shù)人員能夠在第一時間對電氣設(shè)備故障作出及時處理；其次，應(yīng)該注視對工技術(shù)員的培訓(xùn)工作，通過培訓(xùn)提高技術(shù)人員的業(yè)務(wù)能力和水平，如應(yīng)該有完善的巡線機(jī)制和應(yīng)急機(jī)制并夠落實(shí)到；再次，應(yīng)該強(qiáng)化整個線路的運(yùn)行管理工作，面對故障能夠及時發(fā)現(xiàn)、及時排除、及時恢復(fù)，強(qiáng)化運(yùn)行的各種規(guī)章制度，建立健全相應(yīng)的技術(shù)檔案，如桿塔明細(xì)表、交叉跨越、配網(wǎng)結(jié)線圖等。同時，還應(yīng)該堅(jiān)持做好相應(yīng)的運(yùn)行記錄等[5]。

4 10kV高壓設(shè)備短路故障案例分析

以某變電站的開關(guān)柜故障為例，故障發(fā)生前1號主變2001、101、901開關(guān)處于運(yùn)行狀態(tài)，2號主變2002、102、902開關(guān)處于運(yùn)行狀態(tài)，10kV分段900開關(guān)熱備用，10kVI母及其出線運(yùn)行狀態(tài)均正常，10kVII母2號所用變918。高傍II線923、新平線924、5號電容919、消弧線圈931處于運(yùn)行狀態(tài)。2號主變接線方式采用220kV、110kV側(cè)中性點(diǎn)均直接接地運(yùn)行，其中110kV側(cè)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地，2號主變故障發(fā)生前最后時段各側(cè)的負(fù)荷平均值如表1所示。

表1 二號主變故障發(fā)生前最后時段負(fù)荷情況分析

如表1所示，發(fā)現(xiàn)920開關(guān)柜出現(xiàn)嚴(yán)重的燒毀現(xiàn)象，柜內(nèi)的A、B相母線出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形現(xiàn)象，同時配電柜中的兩組CT燒損較輕，通過觀察發(fā)現(xiàn)在其開關(guān)頭處出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的燒毀。

為此提出以下幾點(diǎn)防范對策：在進(jìn)行接地設(shè)置時，消弧線圈接地應(yīng)選用具備電容電流、補(bǔ)償電感電流顯示功能的接地系統(tǒng)，同時應(yīng)該定期進(jìn)行電容電流的檢查，保證消弧線圈能夠進(jìn)行有效的感性電流補(bǔ)償；應(yīng)該重視阻燃材料的選擇，進(jìn)而提高電網(wǎng)高壓開關(guān)柜的絕緣性，同時也可以選擇小電阻接地的方式，減小系統(tǒng)短路所造成的影響，在發(fā)生短路時起到良好的切除隔離作用。

5 結(jié)語

作為工程技術(shù)人員應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)需求，有目的及針對性開展相應(yīng)的檢修維護(hù)工作。10kV配電線路客觀的存在著線路復(fù)雜及電氣設(shè)備多樣化的現(xiàn)實(shí)問題，而高壓設(shè)備通常受外部環(huán)境、人為因素的影響極易引起短路故障，危害整個電網(wǎng)安全。因此，作為工程技術(shù)人員在進(jìn)行10kV高壓設(shè)備的施工過程中，應(yīng)明確故障原因并從多個角度進(jìn)行防范，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)的長久運(yùn)行。