一起干式负载柜绝缘击穿故障的原因分析

洪 星

（南通中远海运川崎船舶工程有限公司，江苏 南通 226000）

干式负载柜常用于新造船过程中的发电机和配电板功能试验，船上的发电机通过临时放置的负载线连接到负载柜，进而完成发电机以及配电板的各种功能试验。负载柜的状态是否完好不仅影响到发电机和配电板的试验效果，还影响到船舶发电、配电系统的安全。

1 故障现象

某船配备了中压发电机和中压配电板，在该船进行发电机和配电板功能试验时，使用1 个4 500 kW 干式负载柜作为负载。在发电机负荷试验时，该负载柜的实际功率达到4 000 kW 左右。试验进展到0.5 h 左右时，负载柜三相母排和接触器多处发生击穿。击穿处发黑，状态如同经历雷击，负载柜内部击穿图如图1所示。该干式负载柜的接触器、断路器等元件的最低耐压为690 V，母排、负载电阻等大电流部件的最低耐压为1 000 V。当时发电机电压稳定，没有发生高电压报警和高电压跳闸保护。

图1 负载柜内部击穿图

2 系统说明

船上的发电机电压是三相交流6 600 V，频率60 Hz，通过一个6 600 V/440 V 变压器连接到负载柜。负载柜内部通过接触器控制各路负载接通或者断开，来实现负载大小的调整。负载柜的负载是纯电阻负载，功率因数为1。负载柜放置在船上与机舱相邻的货舱内。系统连接单线图如图2所示。

图2 系统连接单线图

3 绝缘击穿的可能原因分析

一般来说，发生绝缘击穿的原因主要是绝缘性能低，或者电压过高。下面围绕这2个可能原因展开分析。

3.1 绝缘性能低引起击穿

该负载柜在前一天接线前测量过对地绝缘，绝缘值为1 MΩ 左右，能够满足440 V 的耐压要求。查看机舱警报监控系统的报警记录发现，在发电机负荷试验过程中，发生过数次绝缘低报警。

另外，测量了船上的发电机、配电板以及负载线的绝缘值，结果显示绝缘值均大于100 MΩ。而且脱开负载柜之后，船上自身系统的功能均正常。

因此，可以判定负载柜自身存在绝缘低问题，但单纯的绝缘低击穿不会产生雷击状损坏。

3.2 高电压引起击穿

虽然负载柜的供电电源只有440 V，但从以下现象可以判定发生过高压击穿：①多个接触器、保险管三相铜排之间击穿；②母排和箱体之间隔空击穿；③该干式负载柜和变压器的防雷保护电阻击穿。

因此有必要从供给负载柜的440 V 电源之外寻找高电压的来源，才能找到问题的根本原因。

4 高电压的可能来源

4.1 雷击产生的高电压

如果在雷雨天气，负载柜遭受雷击，确实有可能产生多处绝缘击穿、发黑的情况。但当时天气晴朗，没有打雷现象发生，且该干式负载柜及其连接电缆放置于货舱中，即使在雷雨天气也不可能被雷击到。因此，可以排除雷击造成的高电压。

4.2 变压器高压侧电压加载到负载柜

本船是中压发电机，如果6 600 V 电压通过某个隐秘的漏电点施加到负载柜，足以击穿负载柜的绝缘。

为了排除这个可能因素，首先测量发电机及电缆的对地绝缘，绝缘值均超过1 000 MΩ。测得变压器高压线圈的对地绝缘值超过1 000 MΩ；高压线圈和低压线圈之间的绝缘值也超过1 000 MΩ。

再观察变压器高压线圈和低压线圈的物理结构，发现十分清晰，高低压线圈之间的绝缘纸、隔离条都完好。同时排查了6 600 V 电缆走线路径和440 V 电缆走线路径，两者是完全分开的。综合上述分析，可以排除是高压侧的电压施加在负载柜形成的高电压。

4.3 回路感抗和容抗产生的谐振导致高电压

电气回路中不可避免地存在一定的感抗和容抗，当电感和电容值恰巧使感抗和容抗相消的时候，就会产生谐振，继而产生超过电源电压数倍的电压。等效电路示意图如图3所示。

图3 等效电路示意图

从变压器厂家处获得等效电路中的等效电感L0和等效电容值C0分别为0.015 mH、95 000 pF。由于负载柜到变压器的临时电缆很短，其对地电容值很小。因此，计算时总对地电容值取0.1μF。感抗XL0=jωL0=j5.68×10-3Ω，容抗XC0=1/jωC0=-j2.65×104Ω。其中j为虚数单位，等同于i；ω为交流电的角频率。当XL0+XC0=0 时，谐振就会产生，但显然空载时，两者绝对值差距比较大，不会发生谐振。

当接入负载时，由于容抗较大，电流很小，所以流过电感和电阻的电流基本相等，且由于负载是纯电阻，电流矢量的相位基本为0，这一点从功率因数表读数接近1也可以看出来。因此，该情况也不会产生谐振，没有发生谐振高电压的可能。

4.4 间歇性接地导致高电压

负载试验过程中发生过数次绝缘低报警，而且是报警后自动复位的。该报警通道设有延时，所以并不是一发生对地绝缘低就马上报警。因此，可以推断在负荷试验过程中应该发生过多次间歇性接地的情况，只是被报警通道的延时设置屏蔽了。

间歇性接地是导体（相线）某处与地之间形成似接触非接触的情况。在这种情况下，根据电压情况，接地点可能会起弧和熄弧。

该系统是无中性线的三相对地绝缘系统，三相对地电路示意图如图4所示。三相和地之间的电阻很大，一般为兆欧级，对分析过程影响不大，因此没有在图4中画出。

图4 三相对地电路示意图

在三相对地绝缘都良好的情况下，电容两端电压（即各相对地的电压）即为电源的相电压。假设相电压为U，最大值为Umax= 2U。这种情况下不会形成类似雷击的击穿痕迹。

当某一相间歇性接地时，假设T 相发生接地，按时序分析各相的电压变化，三相交流电的电压-相位图如图5所示。

图5 三相交流电的电压-相位图

当相位角为150°时，T相电压为-Umax，接地点起弧。此时，R、S相和T相的电位差为+1.5Umax。

T相持续对地放电，当相位角为240°，即电压为0时，由于电流相位角滞后90°，继续保持放电。

直到相位角为310°、电流为0时，熄弧。因为熄弧前T 相电压为+Umax，R、S 相电压均为-0.5Umax，所以， 3 个电容两端的充电电压分别为：UC1= -1.5Umax，UC2=-1.5Umax，UC3=0。电 容C1和C2积累的电荷量都为Q=C×(-1.5Umax)，C为三相对地电路中各电容值，上极板为负电荷。熄弧后，由于三相对地绝缘，原来C1和C2积累的电荷无处泄放，平均分布到3 个对地电容上。所以，3 个对地电容上的直流分压为UC1=UC2=UC3=-Umax。T 相上的直流分量恰好抵消了此时的工频分量，电弧不会重新起弧。

再经过半个周期，R、S 相电压为+0.5Umax，叠加直流分量后为-0.5Umax；T 相电压为-Umax，叠加直流分量，结果T相对地为-2Umax。电弧可能重新起弧。这个瞬间，T 相电压瞬间为0，而R、S 相瞬间被拉升为+1.5Umax。这个变化过程中，R、S 相最高可能产生的电压为(+1.5Umax)+(+1.5Umax)-(-0.5Umax)=+3.5Umax[1]。

代入数值，再进一步计算得出：3.5Umax=3.5×440/1.732×1.414≈1 257 V。此时，电压已经足够击穿负载柜的绝缘了。

5 原因查找

对负载柜进行调查，发现负载柜内部靠顶部的线槽底下有冷凝水存在，线槽底下冷凝水如图6所示。

图6 线槽底下冷凝水

由于线槽下面就是母排、保险管、接触器等导电部件，当冷凝水滴下去时，就会破坏绝缘性能，导致导体和负载柜外壳（接地）导通。这种接通是不可靠的，报警记录中绝缘时好时坏的现象与冷凝水隔一段时间滴下一滴的情况是吻合的。

进一步调查发现，在问题发生的前一天，该负载柜的门长时间打开过，且当时天气湿度比较大，因此在晚上气温下降时形成了冷凝水。

6 后续对策

从上文的分析来看，造成本次干式负载柜击穿的根本原因是冷凝水导致单相对地间歇接地，形成高电压，击穿负载柜。因此，相应的对策如下：①负载柜不用时关好门，保持密封，湿度大的时候加干燥剂；②每次使用前通风干燥，并检查内部情况；③每次使用前测量对地绝缘，绝缘合格方能使用。采取以上管理措施之后，多条船上使用同样的干式负载柜进行试验，没有再发生类似问题。有了本次经验后，在使用其它电气设备时也时刻注意避免间歇性接地的情况发生。

7 结束语

在三相对地绝缘的电气系统中，经常发生湿气造成的绝缘低故障，这种故障一般不会出现大面积的雷击状的现象。本文分析的案例中，负载柜由于冷凝水的作用，发生间歇性接地。由于三相对地的电容存在，电容上积累的直流电压叠加线电压的瞬态震荡电压后产生了高压击穿。在船舶的电气系统中，要避免这种问题的发生，必须确保三相对地绝缘良好。