一起干式負(fù)載柜絕緣擊穿故障的原因分析

洪 星

（南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226000）

干式負(fù)載柜常用于新造船過程中的發(fā)電機(jī)和配電板功能試驗(yàn)，船上的發(fā)電機(jī)通過臨時(shí)放置的負(fù)載線連接到負(fù)載柜，進(jìn)而完成發(fā)電機(jī)以及配電板的各種功能試驗(yàn)。負(fù)載柜的狀態(tài)是否完好不僅影響到發(fā)電機(jī)和配電板的試驗(yàn)效果，還影響到船舶發(fā)電、配電系統(tǒng)的安全。

1 故障現(xiàn)象

某船配備了中壓發(fā)電機(jī)和中壓配電板，在該船進(jìn)行發(fā)電機(jī)和配電板功能試驗(yàn)時(shí)，使用1 個(gè)4 500 kW 干式負(fù)載柜作為負(fù)載。在發(fā)電機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，該負(fù)載柜的實(shí)際功率達(dá)到4 000 kW 左右。試驗(yàn)進(jìn)展到0.5 h 左右時(shí)，負(fù)載柜三相母排和接觸器多處發(fā)生擊穿。擊穿處發(fā)黑，狀態(tài)如同經(jīng)歷雷擊，負(fù)載柜內(nèi)部擊穿圖如圖1所示。該干式負(fù)載柜的接觸器、斷路器等元件的最低耐壓為690 V，母排、負(fù)載電阻等大電流部件的最低耐壓為1 000 V。當(dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定，沒有發(fā)生高電壓報(bào)警和高電壓跳閘保護(hù)。

圖1 負(fù)載柜內(nèi)部擊穿圖

2 系統(tǒng)說明

船上的發(fā)電機(jī)電壓是三相交流6 600 V，頻率60 Hz，通過一個(gè)6 600 V/440 V 變壓器連接到負(fù)載柜。負(fù)載柜內(nèi)部通過接觸器控制各路負(fù)載接通或者斷開，來實(shí)現(xiàn)負(fù)載大小的調(diào)整。負(fù)載柜的負(fù)載是純電阻負(fù)載，功率因數(shù)為1。負(fù)載柜放置在船上與機(jī)艙相鄰的貨艙內(nèi)。系統(tǒng)連接單線圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)連接單線圖

3 絕緣擊穿的可能原因分析

一般來說，發(fā)生絕緣擊穿的原因主要是絕緣性能低，或者電壓過高。下面圍繞這2個(gè)可能原因展開分析。

3.1 絕緣性能低引起擊穿

該負(fù)載柜在前一天接線前測(cè)量過對(duì)地絕緣，絕緣值為1 MΩ 左右，能夠滿足440 V 的耐壓要求。查看機(jī)艙警報(bào)監(jiān)控系統(tǒng)的報(bào)警記錄發(fā)現(xiàn)，在發(fā)電機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)過程中，發(fā)生過數(shù)次絕緣低報(bào)警。

另外，測(cè)量了船上的發(fā)電機(jī)、配電板以及負(fù)載線的絕緣值，結(jié)果顯示絕緣值均大于100 MΩ。而且脫開負(fù)載柜之后，船上自身系統(tǒng)的功能均正常。

因此，可以判定負(fù)載柜自身存在絕緣低問題，但單純的絕緣低擊穿不會(huì)產(chǎn)生雷擊狀損壞。

3.2 高電壓引起擊穿

雖然負(fù)載柜的供電電源只有440 V，但從以下現(xiàn)象可以判定發(fā)生過高壓擊穿：①多個(gè)接觸器、保險(xiǎn)管三相銅排之間擊穿；②母排和箱體之間隔空擊穿；③該干式負(fù)載柜和變壓器的防雷保護(hù)電阻擊穿。

因此有必要從供給負(fù)載柜的440 V 電源之外尋找高電壓的來源，才能找到問題的根本原因。

4 高電壓的可能來源

4.1 雷擊產(chǎn)生的高電壓

如果在雷雨天氣，負(fù)載柜遭受雷擊，確實(shí)有可能產(chǎn)生多處絕緣擊穿、發(fā)黑的情況。但當(dāng)時(shí)天氣晴朗，沒有打雷現(xiàn)象發(fā)生，且該干式負(fù)載柜及其連接電纜放置于貨艙中，即使在雷雨天氣也不可能被雷擊到。因此，可以排除雷擊造成的高電壓。

4.2 變壓器高壓側(cè)電壓加載到負(fù)載柜

本船是中壓發(fā)電機(jī)，如果6 600 V 電壓通過某個(gè)隱秘的漏電點(diǎn)施加到負(fù)載柜，足以擊穿負(fù)載柜的絕緣。

為了排除這個(gè)可能因素，首先測(cè)量發(fā)電機(jī)及電纜的對(duì)地絕緣，絕緣值均超過1 000 MΩ。測(cè)得變壓器高壓線圈的對(duì)地絕緣值超過1 000 MΩ；高壓線圈和低壓線圈之間的絕緣值也超過1 000 MΩ。

再觀察變壓器高壓線圈和低壓線圈的物理結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)十分清晰，高低壓線圈之間的絕緣紙、隔離條都完好。同時(shí)排查了6 600 V 電纜走線路徑和440 V 電纜走線路徑，兩者是完全分開的。綜合上述分析，可以排除是高壓側(cè)的電壓施加在負(fù)載柜形成的高電壓。

4.3 回路感抗和容抗產(chǎn)生的諧振導(dǎo)致高電壓

電氣回路中不可避免地存在一定的感抗和容抗，當(dāng)電感和電容值恰巧使感抗和容抗相消的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生諧振，繼而產(chǎn)生超過電源電壓數(shù)倍的電壓。等效電路示意圖如圖3所示。

圖3 等效電路示意圖

從變壓器廠家處獲得等效電路中的等效電感L0和等效電容值C0分別為0.015 mH、95 000 pF。由于負(fù)載柜到變壓器的臨時(shí)電纜很短，其對(duì)地電容值很小。因此，計(jì)算時(shí)總對(duì)地電容值取0.1μF。感抗XL0=jωL0=j5.68×10-3Ω，容抗XC0=1/jωC0=-j2.65×104Ω。其中j為虛數(shù)單位，等同于i；ω為交流電的角頻率。當(dāng)XL0+XC0=0 時(shí)，諧振就會(huì)產(chǎn)生，但顯然空載時(shí)，兩者絕對(duì)值差距比較大，不會(huì)發(fā)生諧振。

當(dāng)接入負(fù)載時(shí)，由于容抗較大，電流很小，所以流過電感和電阻的電流基本相等，且由于負(fù)載是純電阻，電流矢量的相位基本為0，這一點(diǎn)從功率因數(shù)表讀數(shù)接近1也可以看出來。因此，該情況也不會(huì)產(chǎn)生諧振，沒有發(fā)生諧振高電壓的可能。

4.4 間歇性接地導(dǎo)致高電壓

負(fù)載試驗(yàn)過程中發(fā)生過數(shù)次絕緣低報(bào)警，而且是報(bào)警后自動(dòng)復(fù)位的。該報(bào)警通道設(shè)有延時(shí)，所以并不是一發(fā)生對(duì)地絕緣低就馬上報(bào)警。因此，可以推斷在負(fù)荷試驗(yàn)過程中應(yīng)該發(fā)生過多次間歇性接地的情況，只是被報(bào)警通道的延時(shí)設(shè)置屏蔽了。

間歇性接地是導(dǎo)體（相線）某處與地之間形成似接觸非接觸的情況。在這種情況下，根據(jù)電壓情況，接地點(diǎn)可能會(huì)起弧和熄弧。

該系統(tǒng)是無中性線的三相對(duì)地絕緣系統(tǒng)，三相對(duì)地電路示意圖如圖4所示。三相和地之間的電阻很大，一般為兆歐級(jí)，對(duì)分析過程影響不大，因此沒有在圖4中畫出。

圖4 三相對(duì)地電路示意圖

在三相對(duì)地絕緣都良好的情況下，電容兩端電壓（即各相對(duì)地的電壓）即為電源的相電壓。假設(shè)相電壓為U，最大值為Umax= 2U。這種情況下不會(huì)形成類似雷擊的擊穿痕跡。

當(dāng)某一相間歇性接地時(shí)，假設(shè)T 相發(fā)生接地，按時(shí)序分析各相的電壓變化，三相交流電的電壓-相位圖如圖5所示。

圖5 三相交流電的電壓-相位圖

當(dāng)相位角為150°時(shí)，T相電壓為-Umax，接地點(diǎn)起弧。此時(shí)，R、S相和T相的電位差為+1.5Umax。

T相持續(xù)對(duì)地放電，當(dāng)相位角為240°，即電壓為0時(shí)，由于電流相位角滯后90°，繼續(xù)保持放電。

直到相位角為310°、電流為0時(shí)，熄弧。因?yàn)橄ɑ∏癟 相電壓為+Umax，R、S 相電壓均為-0.5Umax，所以， 3 個(gè)電容兩端的充電電壓分別為：UC1= -1.5Umax，UC2=-1.5Umax，UC3=0。電 容C1和C2積累的電荷量都為Q=C×(-1.5Umax)，C為三相對(duì)地電路中各電容值，上極板為負(fù)電荷。熄弧后，由于三相對(duì)地絕緣，原來C1和C2積累的電荷無處泄放，平均分布到3 個(gè)對(duì)地電容上。所以，3 個(gè)對(duì)地電容上的直流分壓為UC1=UC2=UC3=-Umax。T 相上的直流分量恰好抵消了此時(shí)的工頻分量，電弧不會(huì)重新起弧。

再經(jīng)過半個(gè)周期，R、S 相電壓為+0.5Umax，疊加直流分量后為-0.5Umax；T 相電壓為-Umax，疊加直流分量，結(jié)果T相對(duì)地為-2Umax。電弧可能重新起弧。這個(gè)瞬間，T 相電壓瞬間為0，而R、S 相瞬間被拉升為+1.5Umax。這個(gè)變化過程中，R、S 相最高可能產(chǎn)生的電壓為(+1.5Umax)+(+1.5Umax)-(-0.5Umax)=+3.5Umax[1]。

代入數(shù)值，再進(jìn)一步計(jì)算得出：3.5Umax=3.5×440/1.732×1.414≈1 257 V。此時(shí)，電壓已經(jīng)足夠擊穿負(fù)載柜的絕緣了。

5 原因查找

對(duì)負(fù)載柜進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)負(fù)載柜內(nèi)部靠頂部的線槽底下有冷凝水存在，線槽底下冷凝水如圖6所示。

圖6 線槽底下冷凝水

由于線槽下面就是母排、保險(xiǎn)管、接觸器等導(dǎo)電部件，當(dāng)冷凝水滴下去時(shí)，就會(huì)破壞絕緣性能，導(dǎo)致導(dǎo)體和負(fù)載柜外殼（接地）導(dǎo)通。這種接通是不可靠的，報(bào)警記錄中絕緣時(shí)好時(shí)壞的現(xiàn)象與冷凝水隔一段時(shí)間滴下一滴的情況是吻合的。

進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在問題發(fā)生的前一天，該負(fù)載柜的門長(zhǎng)時(shí)間打開過，且當(dāng)時(shí)天氣濕度比較大，因此在晚上氣溫下降時(shí)形成了冷凝水。

6 后續(xù)對(duì)策

從上文的分析來看，造成本次干式負(fù)載柜擊穿的根本原因是冷凝水導(dǎo)致單相對(duì)地間歇接地，形成高電壓，擊穿負(fù)載柜。因此，相應(yīng)的對(duì)策如下：①負(fù)載柜不用時(shí)關(guān)好門，保持密封，濕度大的時(shí)候加干燥劑；②每次使用前通風(fēng)干燥，并檢查內(nèi)部情況；③每次使用前測(cè)量對(duì)地絕緣，絕緣合格方能使用。采取以上管理措施之后，多條船上使用同樣的干式負(fù)載柜進(jìn)行試驗(yàn)，沒有再發(fā)生類似問題。有了本次經(jīng)驗(yàn)后，在使用其它電氣設(shè)備時(shí)也時(shí)刻注意避免間歇性接地的情況發(fā)生。

7 結(jié)束語

在三相對(duì)地絕緣的電氣系統(tǒng)中，經(jīng)常發(fā)生濕氣造成的絕緣低故障，這種故障一般不會(huì)出現(xiàn)大面積的雷擊狀的現(xiàn)象。本文分析的案例中，負(fù)載柜由于冷凝水的作用，發(fā)生間歇性接地。由于三相對(duì)地的電容存在，電容上積累的直流電壓疊加線電壓的瞬態(tài)震蕩電壓后產(chǎn)生了高壓擊穿。在船舶的電氣系統(tǒng)中，要避免這種問題的發(fā)生，必須確保三相對(duì)地絕緣良好。