真空断路器因操作过电压造成设备烧毁的事故分析

李建斌+周少金+杨斌

摘  要：文章对6 kV配电站站内真空断路器操作过电压造成设备烧毁事故进行分析，简述了两次事故经过和处理过程，分析了造成事故的原因，提出了完善6 kV配电站防止类事故的措施，为6 kV配电站安全运行提供保障。

关键词：真空断路器操作过电压;事故经过;分析;措施

中图分类号：TM862     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）03-0079-02

1   事故经过

1.1  事故一

 笔者所在单位的制氧配电站由分公司110 kV/6 kV中心变配电站供电，其运行方式为：1#进线带6 kVⅠ段母线，2#进线带6kVⅡ段母线，6kV母联处于热备用状态，配电站处于单母线分段运行状态，22#柜/1#空压机处于备用状态，接线图， 如图1所示。

2009年9月12日，7时05分值班人员接到分公司当班调度下达22#柜/1#空压机送电命令，经检查高压开关柜及1#电抗器正常，根据规程要求运行停机24 h后，需对停运设备进行绝缘电阻测试，经遥测绝缘电阻为2 500 MΩ，为合格状态，具备送电条件。7时10分，值班员根据调度指令，合上1#空压机运行柜开关，电机柜受电开始启动，7时10分2秒值班人员发现电抗器处有异常弧光，并伴有滚滚浓烟和异常声响，值班人员按供电系统事故处理程序立即采取停电措施，并紧急灭火。

  事故发生后，经现场检查发现，电抗器A、B、C三相连接铜

板与电缆头压线鼻子螺丝连接部位正常，无过热、拉弧痕迹，且A、C两相电抗器试验合格。仅B相电抗器出线端与连接铜板拉开较大，拉弧痕迹明显，接触处焊接面长度由原来50 mm变为10 mm，且线圈匝间有断裂，同时，对22#、23#、24#三组高压开关柜及电机本体进行试验，均合格。初步判断为电抗器本体故障。

1.2  事故二

 在制氧配单母线分段运行方式情况下，2009年9月19日，8时06分，对重新购置的电抗器安装好后经试验合格，按作业指导书要求，分公司调度指令对空压机、22#进行送电，在电机启动的瞬间仍发现电抗处有异常弧光。经检查发现其事故现象同更换前电抗器一样，新装B相电抗器出线匝间放电，有拉弧痕迹。

2  处理过程

 “9.12”设备事故发生后，分公司调度立即命令该运行人员退出了事故柜运行，同时组织本单位技术人员及设备厂家技术人员对现场设备事故进行分析、研究，对电抗器、高压开关、电机设备进行系统检查、试验，其高压开关、电机设备检查试验结果符合规程要求。故可排除高压开关、电机设备故障，由于在送电过程中，电抗器出现出现匝间放电，有拉弧痕迹，且电抗器出现结构性破损，且匝间出现短路现象，事故后的电抗器检查、试验不合格，判断电抗器在送电前有匝间短路故障，事故是电抗器在送电时由于大的启动电流突变，引起电抗器内部产出感应电动势，阻止大电流的突变，因电抗器内部匝间绝缘下降，产生的感应电动势造成电抗器匝间短路，引起电抗器B相电抗器出线匝间放电，出现拉弧痕迹。根据这一检查、试验和结论，9月19 日，分公司组织外购合格电抗器，动力分公司组织技术人员对电抗器出厂产品进行投运前系统检查、试验，试验结果符合规程要求，10：26分送电，再次发生了“9.12”设备事故。为此判断本次事故非电抗器本体造成，分公司调度下令该高压开关柜转入检修状态，需进行系统分析。

3  原因分析

 事故发生后，从系统过电压入手分析该次事故原因。

3.1  电力系统过电压种类

电力系统中的过电压分为雷电过电压和内部过电压两大类。

 从本次电机柜受电操作，其设备在防雷系统完好的室内进行操作，可排除外部雷电过电压造成的事故，只考虑内部过电压造成的电抗器拉弧事故。

 内部过电压则是由于系统参数发生变化时的电磁能的振荡和积聚所引起的，可分为工频过电压、谐振过电压以及操作过电压。

 内部过电压的能量来源于电力网本身，它的幅值和电力网的工频电压基本上成正比。内部过电压的幅值与电力网工频相电压的幅值Uxg之比，称为内过电压倍数K。内过电压倍数与电网结构、系统中性点接地方式、系统容量和参数、断路器的性能、母线上的出线数目以及电网运行接线、操作方式等因素有关。

 ①工频过电压：工频过电压直接影响避雷器的选择以及线路、变电站绝缘的选择。而且，由于操作过电压是在工频过电压的基础上发展起来的，工频过电压增高时，操作过电压也会相应增高。此外，在运行中，变压器、电抗器、互感器等高压电气设备，也要具有在一定时间内承受一定倍数工频过电压的能力。因此，对于超高压电网的工频过电压是一个重要参数。工频过电压是由线路电容效应、不对称接地零序阻抗影响，以及甩负荷后电势升高引起的，在本次电机柜受电操作过程中，从系统录波装置检查情况看，工频电压在正常范围变化，因此可排除工频过电压的影响。

 ②谐振过电压：电网中谐振过电压事故是最频繁的，在中性点直接接地系统和中性点不直接接地系统中都会发生，谐振过电压的持续时间比操作过电压要长得多，它甚至可能稳定存在，一直到发生新的操作，破坏谐振条件时为止，由于谐振过电压的持续性质，它的危害性也较大。包括线性谐振，非线性谐振（铁磁谐振）。本次在本次电机柜受电操作过程中，从系统录波装置检查情况看，电压在正常范围变化，因此也可排除谐振过电压的影响。

 ③操作过电压：电网中断路器合、切空线路、电容器组等感性和容性负荷时，产生操作过电压，对系统设备有大的损坏作用，本次电抗器B相电抗器发生烧毁事故，在电抗器本体状态正常情况下，真空断路器合闸时，产生的事故，因此，从真空断路器如何产生操作过电压入手，来分析事故原因，应该是较为合理途径。

3.2  切除空载变压器以及电动机、电抗器引起过电压理     论依据

 高压短路器在切除空载变压器以及电动机、电抗器时，有可能在被切除的电器和开关上出现过电压，产生这种过电压的原因是开关中电感电流的突然被“切断”所致，一般这种切流现象发生在电流下降到零的过程中，经验表明切流现象也有在电流有零上升的某一时刻发生，通常在切断大于100A的较大交流是，开关触头间的电弧是在工频电流自然过零时断弧，在这种情况下，电气设备的电感中储藏的磁场能量为零，不会产生过电压。但在切空载变压器以及电动机、电抗器中，由于激磁电流很小，一般只有额定电流的1%～4%，而开关的去游离作用很强，故当电流不为零时，就会发生强烈的切流现象，这样电感中储藏的能量就将全部转化为电能，这就是切除空载变压器以及电动机、电抗器引起过电压的实质。根据这个理论，可以分析“9.12”电抗器烧毁事故的原因。

3.3  真空断路器发生操作过电压的实质

 笔者所在的制氧配电站，使用的是真空断路器，真空断路器虽然有熄弧能力极强的特点，但由于我单位供电网络大、复杂，系统的负载种类较多，有电机类、变压器类、整流变类、电弧炉等。而且负载的多变极易引起系统参数发生变化，使用真空断路器在进行分、合时，极有可能引起系统操作过电压，这是因为真空断路器在关合过程中，即预击穿或触头发生弹跳时，真空断路器触头有瞬间存在电流过零点之前即被强行切断现象，截流后电感中的磁能再向杂散电容放电，将电感中储藏的能量就将全部转化为电能，易发生操作过电压，这种过电压主要产生在相间，一般为相电压的2.5～4 Uxg。过电压源向系统周围扩散，对供电系统设备产生危害，从而造成重大设备事故和经济损失。

  根据这一思路，经技术人员检查发现，现有电抗高压柜没有装防止过电压装置，仅I段母线装有一组ZnO避雷器，标准要求，见表1，从此来看，传统避雷器的工频放电电压约是相对地电压的4.5倍，对限制雷电过电压是有效的，但对限制2.5～4倍的真空断路器操作过电压就毫无效果。因此，发生此次事故的主要原因是真空断路器没有加装相应的过电压保护装置。

4  解决措施

 经过分析，找出了造成真空断路器因操作过电压引起的电抗器烧毁的原因，根据上述的分析，选用合格的TBP三相组合式过电压保护器，安装在电抗器进线侧，按作业指导书对空压机进行送电，送电后，空压机经过电抗器限流启动完成后，电抗器短接转入空压机正常运行。

 TBP三相组合式过电压保护器，由于采用对称结构，其中任意三相可分别接入被保护设备进线侧A、B、C三相，其接地端接入接地级。该装置具有阻容吸收器和避雷器的双重功能，有效解决了操作过电压的高陡度和高幅值，从而限制真空断路器操作过电压，消除站内母线避雷器保护的盲区。现仅列举电机类TBP工频放电电压（表略）。

 通过比较可看出三相过压保护器特点：

①独特的单间隙设计，使动作更加稳定可靠，提高了瞬时状态下过电压的能力;

②其达到动作后消除截波和续流的产生，间隙不再承担灭弧任务，仅起截断工频电压的作用，使其冲击系数降到1成为现实;

③其针对不同类型负载如电动机类;发电机、变压器、母线类;电容器类共分三类进行个性保护，同时合理科学地选取ZnO各项技术参数解决了续留、载波冲击系数等问题，综合辩证采用“三相一地”的过电压保护理论，使相间过电压大大降低（与普通避雷器相比下降了60%～70%），更加可靠地保护了被保护设备的绝缘安全;

④在系统发生较高谐振过电压时，由于间隙击穿，在电网中突然接入电容，在破坏了谐振条件，阻止了振荡，有利于消除谐振过电压。

5  结  语

随着国家对电力系统安全运行要求的提高，配电站作为电力系统的基本运行单元，其安全性对电力系统的安全有重要的意义，如何防止配电站内部事故的发生，避免事故的扩大，需要不断的总结分析事故发生的原因，本文就是基于这种理念，建议使用真空断路器操作的开关设备，为确保配电站安全运行，必须安装过电压保护器，以提高供电系统网络设备的安全可靠性，保证安全供电，确保供电系统设备运行正常。

参考文献：

[1] 周泽存.高电压技术[M].北京：水利电力出版社，1994.

[2] DL/T 596-2005，电力设备预防性试验规程[S].

[3] JGJT 16-92，民用建筑电气设计规范[S].