开关柜内三相组合式过电压保护器的维护

廖维东，韦 玮，吴双杰

(贵州乌江水电开发有限责任公司构皮滩发电厂，贵州 遵义 564408)

0 引言

构皮滩发电厂位于贵州省余庆县境内乌江干流上，是贵州省境内最大发电厂，装机容量5×600 MW，多年平均发电量96.82亿kWh，2009年电站实现“半年五投”。

该厂10 kV系统布置于地下厂房内，共8段母线，每段母线设置一台进线开关柜、6—10台馈线开关柜，进线开关柜与高压厂用变低压侧之间通过10 kV动力电缆连接，馈线开关柜与配电变压器高压侧之间通过10 kV动力电缆连接，共计67台10 kV开关柜，每台开关柜均配置一台ABB公司生产的 VD4真空开关，容量630 A，所有开关柜内10 kV动力电缆搭接处均设置10 kV三相组合式过电压保护器。

开关柜内设置10 kV三相组合式过电压保护器，主要目的就是防止10 kV系统产生过电压对电气设备的绝缘破坏，从而引起电气设备事故。过电压可分为外部过电压和内部过电压两大类，外部过电压包括直击雷过电压、感应雷过电压;内部过电压包括操作过电压、工频过电压、谐振过电压。对于户内10 kV系统，最有可能产生的过电压为开关操作过电压。

每当真空开关操作时，极易产生操作过电压，主要是由于电路中存在电感电容储能元件，在开关操作瞬间释放出能量，在电路中产生电磁振荡而引发的。而真空开关由于具有高速灭弧能力，在切断电路时，往往在电流过零前被强行开断，在断弧瞬间储藏在负载内的电感与电容之间电磁能量转换将在线路上产生过电压，这比一般开关要突出，尤其在最先断开相触头间，有可能因过电压引起电弧重燃，而产生更大的过电压。

在感性负载中，这种过电压幅值高，上升陡度快，频率也高，这无疑对电动机等感性负载的绝缘是十分危险的。总之，真空开关操作时不管出现哪种过电压都会对设备不利，严重威胁设备的安全稳定运行。

该厂10 kV三相组合式过电压保护器由安徽亚凯电力科技有限公司生产，型号为TBP-B-12.7/131，持续运行电压：12.7 kV，图中A，B，C分别与10 kV配电系统A相、B相、C相连接。

1 事故情况

2019年6月，某同类型水电厂(下称某水电厂)上位机发“3号主变保护A套动作、3号高厂变后备跳闸I，II动作”，3号主变高压侧213开关、3号发电机出口023开关、3号高厂变低压侧013开关、3号机灭磁开关相继跳闸，3号机甩193 MW负荷(电气接线见图1)，厂用电10 kV Ⅲ段失电。

停机检查发现3号高压厂用变低压侧10 kV开关柜内三相组合式过电压保护器(型号为TBP-B，与该厂型号一致) B相发生击穿短路爆燃事故，相邻A，C两相套筒绝缘硅橡胶材料遭受不同程度烧损，经进一步解体检查发现B相过电压保护器套筒内部氧化锌电阻及放电间隙已完全烧空。

2 事故分析

某水电厂10 kV三相组合式过电压保护器电气原理如图2所示，CG为放电间隙，FR为氧化锌非线性电阻，D为设备接地点，结构采用放电间隙和氧化锌非线性电阻串联，使二者互为保护。

图1 某水电厂10 kV系统局部电气接线

图2 过电压保护器电气原理

2.1 直接原因

10 kV Ⅲ段013进线开关柜内过电压保护器发生B相击穿短路爆燃，相邻A，C两相套筒绝缘硅橡胶材料也被不同程度烧损，从而引发三相短路。

2.2 根本原因

现场调查运行时未出现系统过电压，且当时未操作开关，可排除因系统过电压或操作过电压引起设备击穿的可能。为进一步确认内部是否受潮或老化，现场解剖同批次运行中产品，发现氧化锌电阻上下部有发霉受潮老化迹象，由于内部间隙有空气存在，过电压保护器运行过程中会发生间隙与阀片受潮、老化，使其绝缘性能逐渐下降，恶性循环，当无法承受系统工作电压时就发生击穿事故，放电间隙和阀片被击穿破坏。

综述，该厂2006年投运至今，运行14年，长期运行10 kV三相组合式过电压保护器绝缘不断受潮老化，性能下降，且10 kV母线检修预试时未对过电压保护器进行任何手段检测，从而导致设备击穿事故。

3 维护试验

由于该厂10 kV三相组合式过电压保护器与该厂发生事故的10 kV三相组合式过电压保护器为同一类型，且已运行10年，由于国标、行标、企标均缺少10 kV三相组合式过电压保护器的维护标准，电厂没有任何有效手段开展过电压保护器氧化锌阀片绝缘劣化检测，给设备安全运行带来严重的隐患。

为此，该厂通过分析10 kV三相组合式过电压保护器结构与原理，制定了该过电压保护器维护试验项目，实现过电压保护器间隙、氧化锌阀片绝缘性能的有效检测，确保10 kV三相组合式过电压保护器长期安全稳定运行，具体有以下几项措施。

(1) 制定过电压保护器检修预试计划，可借鉴10 kV母线的检修预试周期，每隔三年开展一次检修预试。

(2) 10 kV三相组合式过电压保护器检修预试时，重点为以下几步。

① 对过电压保护器进行检查维护，主要标准为设备表面无破损，表面硅橡胶物见本色，底部密封良好，各部位接头紧固牢靠。

② 开展绝缘电阻试验，将10 kV三相组合式过电压保护器底座摆放在铁板上(铁板面积约大于底座)，用接地线将过电压保护器接地D端与铁板短路接地，拆开过电压保护器三相接头，分别测量A相对BC相及地、B相对AC相及地、C相对AB相及地绝缘电阻，绝缘电阻可参考10 kV母线标准(不应低于1 MΩ/kV)，标准要求大于等于10 MΩ，正常情况下绝缘电阻均为GΩ级别，此试验主要检测过电压保护器内部有无脏污、严重受潮等分布式绝缘缺陷。

③ 开展工频放电电压试验，在过电压保护器绝缘电阻试验合格之后，选择7 kVA/60 kV小容量交直流轻型试验变压器(由于过电压保护器试品容量较小)进行工频放电电压测试。此阶段试验仪器由试验变压器与试验控制箱组成，将试验变压器与试验控制箱正确接线后开展空升试验，过程中试验电压匀速上升、高压侧无电流、仪器无跳闸，表明试验仪器正常。随后进行工频放电电压测试，图3为工频放电电压测试试验原理接线，试验控制箱上表V2为试验变压器高压侧电压(试品耐压值)，试验控制箱上表A1为试验变压器低压侧电流值，试验前将过流保护整定值设置为2.5 A。分别从A相对BC相及地、B相对AC相及地、C相对AB相及地逐相进行试验。试验仪器缓慢加压，同时观察表V2的数值与表A1的变化情况，在过电压保护器CG，FR未击穿放电时，表A1的数值不超过1 A，待过电压保护器试品上施加的工频电压达到一定值时，表A1的数值突增，过电压保护器击穿动作，试验控制箱保护跳闸，记录试品施加电压值，即为过电压保护器工频放电电压值，标准为23.2 kV (有效值)的90 %～120 %。此试验主要检测过电压保护器内部有无老化、受损、局部受潮等危害性极大的集中性绝缘缺陷，对发现设备早期出现的绝缘劣化最有效。

图3 A相过电压保护器工频放电电压测量

依据10 kV三相组合式过电压保护器厂家说明书，推荐户内过电压保护器使用寿命为10年(硅橡胶绝缘介质老化特性)，结合该厂实际(环境湿度RH55 %，环境温度30 ℃左右)，目前已逐步开展过电压保护器更换工作，从而避免设备绝缘老化引起的事故。

4 结束语

鉴于国内10 kV开关柜使用较为普遍，柜内进线端配置三相组合式过电压保护器为典型设计，为了防止10 kV系统设备免受真空开关操作过电压的危害。由于目前过压保护器无国家、行业预防性试验标准，三相组合式过电压保护器投运后极易被忽视，形成维护死区，反而为10 kV系统运行埋下了安全隐患。所以补充了三相组合式过电压保护器维护试验项目，进而杜绝三相组合式过电压保护器运行中有可能发生的短路击穿事故，彻底消除三相组合式过电压保护器的绝缘隐患。