港口10 kV配电所高压开关柜绝缘事故分析

梁小尊

0 引言

10 kV 高压开关柜在铁路电力系统中的应用极为广泛，其优势在于占地面积小，“五防”措施到位，值班人员误操作的可能性较低，有效地节约了房建投资并保障了人身安全。开关柜的小型化也节约了金属材料的使用，降低了工程造价，提升了产品的竞争力。目前，开关柜的总体设计也由过去的敞开式变为封闭式，绝缘距离进一步减小，外型紧凑，母线、套管被全部封闭，体积更小，运营维护工作量更少、更方便。但是，在实际运行中，也出现了一些绝缘故障，对供电安全造成了威胁。主要表现为：开关柜内凝露现象严重；触头盒的设计结构及安装方式不合理，导致负荷较小的开关设备动静触指因潮湿空气腐蚀使接触电阻增大；由于绝缘距离的减小，电晕现象随着运行时间的增加而增多；局部放电在低温、潮湿天气变得十分严重，在接地故障产生时，单相对地放电在电弧拉长时发展为相间短路。2011年11月14日，港口10 kV 配电所，因绝缘套管和触头盒受环境影响导致局部对地放电，线路单相接地后，又因非故障相对地电压抬高加剧了放电现象，产生了相间短路，进而发展成三相短路，致使Ⅱ段母线停电，三相短路电流达 2 169 A，电缆与导线的接续点被烧断，事故造成中断供电14 h 之久，严重影响了供电安全。下文

通过分析该故障产生的原因，提出了解决问题的方法，供大家在运行中制定合理的维护手段，并为开关柜生产厂家提供参考，以便改善开关柜的设计理念和工艺，防止同类事故的发生。

1 事故分析

1.1 故障现象

2011年11月5日2 时42 分，港口10 kV 配电所Ⅱ段母线出现单相接地故障，随后出现一声巨响，Ⅱ段母线停电，上一级变电站跳闸，故障电流2 169 A。经巡视发现，三相短路点在Ⅱ段母线给电容器开关柜供电的上触头盒处（电容补偿装置运行10年来一直处于非受电状态）。该次故障造成中断供电14 h。

1.2 故障后的测试数据

绝缘电阻：三相母排对地绝缘电阻值均低于0.1 MΩ，拆除后的套管和触头盒内壁与外壁之间的绝缘电阻小于0.2 MΩ。

升压试验：试验电压达到1.5 kV 时，母线穿柜套管多处出现放电现象，触头盒相间电弧接近短路状态。

空气湿度：96%。

环境温度：白天11℃，夜间5℃。

测试时间：4 时25 分。

1.3 事故原因

1.3.1 密闭开关柜母线部分凝露严重导致放电

“凝露”现象是指柜体内壁表面温度下降到露点温度以下时，内壁表面会发生水珠凝结现象。凝露是否发生取决于室内温度、柜内温度、相对湿度以及露点温度，凝露多发生在低温、潮湿季节。

港口10 kV 配电所地处渤海边，空气中的湿气含有大量的盐分，且配电所附近还有2 座钢厂，空气污染十分严重。触头盒、套管表面的等值附盐密度达608 mg/l，为2 级污染，且触头盒与母排连接处因开口朝上而有大量的白色结晶体出现，经检验，主要成分为氯化钠，伴有铝被腐蚀后的物质。该导电物质必然导致电场不均匀而出现局部放电现象，放电现象又导致局部空气对流加快，污染就会持续加重。在特定的低温潮湿环境下，氯化钠成为吸附水气的重要介质，使柜内湿度进一步增加，严重时出现了滴流现象。该现象不仅出现在触头盒和绝缘套管处，母线的陶瓷支持瓷瓶的根部和端部都出现了该现象。在线路出现单相接地时，未接地相电压抬高至10 kV，由于接地电弧的不持续拉弧导致发生铁磁谐振现象，在高压柜内绝缘薄弱处首先形成了连续电弧。由于柜内湿度较大，整体绝缘已经处于薄弱状态，诱发了相间短路，最终扩大为三相短路。所以，凝露是造成该次事故的主要原因。

1.3.2 绝缘套管材质不良导致绝缘降低

从现场观察套管的结构不难发现，该套管内部为光面结构，外部为螺纹状，目的是加大爬距，内部采用半开口型铝片作为支撑。打开开关柜检查套管时，套管表面和内部都有滴流现象，拆除套管并对其进行绝缘测试（测试套管内壁对外壁绝缘），绝缘电阻小于0.2 MΩ。对套管进行擦拭后继续进行绝缘测试，绝缘电阻仍然不足0.5 MΩ。细心观察发现套管内表面有许多细小的沙眼，用放大镜观察时发现，沙眼内部有白色结晶体。这说明，绝缘套管由于内部表面不光滑导致憎水性不强，且吸附了大量的杂质，这种杂质和触头盒处的杂质属于同一种物质。由于套管内部存在细小的导流空洞，长期运行也会导致套管本体绝缘材质的物理化学反应，最终使套管绝缘性能降低而诱发运行中泄漏电流的增大，导致发生绝缘故障。将套管烘干3 h 后，测试套管绝缘电阻为26 MΩ。用清水冲洗和浸泡套管，再次烘干后，测试套管绝缘电阻为120 MΩ。这说明套管的整体结构均处于潮湿污垢状态，这也就是1.5 kV 试验电压就在套管内部铝片支撑处产生强烈放电的原因。依照《6～10 kV 高压开关柜选型原则》，并结合实际运行经验，笔者认为10 kV高压开关柜所配附件的沿面绝缘爬电比距应不低于以下要求：瓷绝缘件18 mm/kV，有机绝缘件 20 mm/kV。该港口10 kV 配电所高压开关柜所用套管沿面绝缘爬电比距远远低于标准值。

1.3.3 触头盒安装结构不合理导致发生结晶现象

由于触头盒是水平安装，母排和触头盒的连接处于垂直位置，通过静触指固定螺栓将母排与静触指紧固，构成良好的导电回路。触头盒的母排与静触指之间为非密封设置，当开关柜发生凝露时，会有水珠沿母排与静触指之间的缝隙慢慢流入触头盒内。由于港口地区空气污染严重，盐密度较高，盐分混入水珠进入触头盒内造成腐蚀，当空气变干燥后，进入触头盒的盐水混合物变成结晶体并附着在触头盒与母排的垂直连接处。长时间的积累，白色结晶物慢慢超出了触头盒的上沿，此时，在空气湿度较大的情况下，结晶体变成了吸附水气的元凶，局部变成了导体，开始对四周放电。长期的放电使铝母排也被电化腐蚀，白色结晶物将触头盒与母排连接的空隙再次填满，发生滴流现象，导致轻微放电变成沿面放电，并最终导致放电接地。由于非故障相对地电压抬高，形成了电弧短路，发生开关柜故障。

1.3.4 普通母线支持瓷瓶爬距不适宜沿海地区

母线支持瓷瓶爬距偏小是开关柜发生绝缘事故的另一原因。作为纯空气绝缘的电气设备，《高压配电装置设计技术规程》中明确规定，10 kV 系统纯空气绝缘的最小间隙为125 mm。从交流耐压试验的结果，并结合事故分析可以看出，10 kV 高压开关柜柜内带电体的相与相间、相与地间的最小空气绝缘间隙低于125 mm 的，容易发生事故。针对沿海地区的特殊环境，必须对绝缘设备做特殊的设计。这种绝缘故障在沿海地区不仅仅发生在 10 kV 配电设备上，沿海、重污染地区铁路接触网设备采用大爬距瓷质绝缘子（绝缘子的爬距比山区接触网所用绝缘子爬距大200 mm），也不能满足安全生产需求，仍然发生大面积污闪。可见，该港口10 kV 配电所高压开关柜采用普通绝缘子，从设计环节上就留下了隐患。

2 应对对策

2.1 开关柜增加通风除湿设计

对开关柜的运行环境要随气候变化进行改善，应加装室内除湿装置，防止湿度过高引起开关柜内绝缘放电闪络。在夏季，环境温度较高，设备负荷电流大，产热高，应加强10 kV 高压室内通风排热来降低设备温升，减少潮湿空气对流，防止湿气进入开关柜内部。

2.2 适当增加开关柜内套管的绝缘爬距

由于绝缘套管内表面是光滑的平面层，所以绝缘爬距不够大，如果厂家将绝缘套管内表面也制作成和套管外表面的波纹状，就能很好地增加绝缘套管内表面的绝缘爬距，并在内部也采用和外部一样的光洁表面，提高其憎水性，这样可大大提高绝缘套管的绝缘性能，减小绝缘套管放电损坏的几率。

2.3 改善开关柜的运行环境

开关柜的运行环境是导致开关柜发生绝缘闪络的主要原因，大气污染不断加剧，逐渐污染了电力设备的绝缘子、套管及母线。分析多年来污闪事故，总结出发生污闪的原因主要有2 方面：其一（客观存在）是污秽物质和潮湿气体2 个因素同时存在于绝缘体的运行环境中，灰尘附在绝缘体表面，在气候干燥的时候，绝缘电阻较高，所以在干燥气候下不发生污闪。如果绝缘体不脏污，即使其受潮，绝缘强度仍满足运行要求，也不易发生污闪。当干旱气候持续的时间越长时，绝缘件积污越多，这时如突然出现低温潮湿环境（一般2～3 h），污秽被雾水充分地潮湿，此时产生污闪的可能性将大大增加。其二（人为原因）是绝缘件的泄漏距离偏小，不能适应污秽和潮湿的环境。污闪是在绝缘电阻下降、泄漏电流增大到一定程度时才发生的。在同样的污染受潮和同样的受电电压下，如果绝缘子的泄漏距离越长，泄漏电流就越小。泄漏距离越长，电弧的弧径就越长，闪络就难以发生。如果绝缘子的泄漏距离小，放电电弧容易跨接两端电极，从而发生闪络。所以在运行中要加强高压室的防潮防污措施，如做好电力电缆与高压柜连接处的密封防潮；在高压室内安装抽湿去潮装置；高压开关柜在运行中加强清扫，做到“逢停即扫”；在有条件的情况下将港口地区的高压室建在二楼以上的楼层，这样可有效地脱离地面湿气的干扰。

2.4 采取措施防止触头盒与母排连接处的凝露

对开关柜设备而言，为防止开关柜内部发生凝露，只要保持开关柜内部的温度始终高于外部环境温度即可。为防止触头盒与母排连接处结晶体的出现，在不影响现有开关柜设备布局的情况下，可在触头盒开口处均匀涂抹防水胶，使水珠不能流入触头盒内部。

高压开关柜内部空间十分紧凑，为保证在高温潮湿环境下高压开关柜绝缘电阻仍处于较高水平,对柜内防潮、防凝露提出了更高的要求。常用的防凝露方法有2 种：一是在开关柜的下层电缆室、断路器室各安装一个铝合金加热器（一般为150 W），铝合金加热器工作时，其表面温度为 120℃～130℃。通过空气散热除湿，由用户根据工作环境状态人工控制加热器的投入、切除；二是将防凝露自动除湿控制器安装在开关柜仪表室，凝露传感器安装在开关柜柜内，铝合金加热器分别安装在开关柜电缆室、断路器室，利用凝露传感器的动作特性来自动启动加热器的投入与切除。

3 结语

开关柜的绝缘事故，在电力系统、铁路系统都时有发生，上文仅针对港口10 kV 配电所的一起故障进行分析，定性也不一定准确，开关柜的凝露现象很普遍，原因就是进入柜内的潮气没有很好地疏散通道。如果采用密封结构，要么加大爬距，要么采用全密封正压结构，杜绝外部空气的进入，否则，将不可避免地发生故障。以上观点仅供业内同行参考。