高压开关柜典型故障分析与防范对策研究

摘" 要：变电站10～35 kV高压开关柜的故障时有发生，为此通过实际案例，分析其故障原因。认为绝缘材料老化、柜内湿度超标导致凝露和导电回路接触电阻增大致使温度过高是造成开关柜故障的内部主要原因，而雷电过电压和弧光接地过电压则是导致开关柜故障的外部主要原因。针对这些故障原因，提出相应防范措施。

关键词：开关柜；故障；防范措施；过电压；电弧光保护

中图分类号：TM643" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）36-0165-05

Abstract： Faults of 10～35 kV high-voltage switchgear in substation occur from time to time. Therefore， the reasons for the failure are analyzed through practical cases. It is believed that aging of insulating materials， excessive humidity in the cabinet， resulting in condensation and excessive temperature resulting in increased contact resistance of conductive circuits， are the main internal causes of switchgear faults， while lightning overvoltage and arc grounding overvoltage are the main external causes of switchgear faults. Aiming at these failure causes， corresponding preventive measures are put forward.

Keywords： switchgear; fault; preventive measures; overvoltage; arc light protection

高压开关柜因其结构紧凑、操作灵活、占地面积小等优点，广泛应用于10～35 kV配电网中。但因其集成度高，内部元器件多，而对设计布局、制造工艺、运行环境等的要求也比较高。近年来，随着高压开关柜的大规模应用，其故障数量也不断增多。高压开关柜的故障往往具有以下特点：①高危害性，故障产生的短路电流会引起开关柜放电、燃烧、甚至爆炸；②多重性，由于高压开关柜设备配置密度大，一旦其中一台出现故障往往会引起邻柜的连锁反应，从而扩大事故的停电范围；③突发性，高压开关柜的安全运行受温度、湿度等环境因素影响敏感，其中一个因素在特定时间段发生突变，就有可能引发其故障现象的出现。鉴于上述情况，我们有必要对高压开关柜的故障原因进行分析和判断，进而提出切实有效的防范和治理措施。

1" 典型故障案例

案例一：某110 kV变电站2台10 kV出线开关柜在1 h内连续发生了异相接地，引起短路接地故障，最终导致两出线柜大范围烧毁。

案例二：某220 kV变电站3#主变差速保护动作，跳开主变（220 kV/35 kV两圈变）两侧开关，3#主变、35 kV母线失电。主变35 kV开关柜部分绝缘件上有水迹，主变35 kV电缆头上有水珠，开关室湿度达到90%。保护装置显示，故障为三相短路，短路电流为17 kA，短路时间60 ms。

案例三：某110 kV变电站10 kV母分过渡柜内发生触头盒烧毁事件，10 kV母分过渡触头柜静触头盒搭接处，直到整个触臂完全烧毁。

案例四：某110 kV变电站发生35 kV母线绝缘击穿事件。故障时保护动作情况为18时06分37秒，35 kV水厂3652线故障，线路过流I段动作，开关跳闸；18时06分38秒，重合闸动作，因故障仍存在，过流I段、过流加速动作再跳开关。

案例五：某220 kV变电站发生一起因10 kV开关柜故障引起的10 kV母线失电事件。保护显示，19时56分19秒546毫秒，杭大8661线发生短路故障，19时56分21秒135毫秒，杭大8661线过流保护动作跳开开关；20时10分17秒523毫秒，10 kV II段母线故障，20时10分20秒28毫秒，2＃主变10 kV后备保护过流II段动作，跳开2#主变10 kV II段母线开关。

2" 故障原因分析

2.1" 绝缘件老化

案例一即为一起典型的因绝缘件老化导致开关柜绝缘击穿事件。根据国家电网企业标准Q/GDW 11252—2018《12 kV高压开关柜选型技术原则和检测技术规范》规定：额定电压12 kV，相间和相对地最小空气间隙大于等于125 mm，且不应使用绝缘隔板[1]。从案例一现场检查情况来看，故障10 kV开关柜金属中隔板到进线侧触头盒表面的距离大于100 mm，而出线侧触头盒表面到金属中隔板的空气净距离小40 mm（图1），两者均不符合要求。另外，理论上，电场分布与空气距离有直接的关系，由于出线侧触头盒到金属中隔板距离比进线侧触头盒到金属中隔板的距离小，其中的空气电场强度必然比进线侧大，也就更容易产生局部放电现象。出线侧触头盒长期局部放电导致了触头盒内壁被烧蚀，使触头盒绝缘材料逐渐老化，最终发生了绝缘击穿事故。

2.2" 开关柜内湿度超标

目前，高压开关柜普遍安装于室内，虽然开关室内采取了加装吸湿器等的防潮措施，但潮气一旦进入开关柜内往往就很难排出。绝缘件沿面闪络电压与空气相对湿度有很大关系，其关系曲线如图2所示。

案例二即为一起典型的由于开关柜内空气相对湿度过高引起的绝缘击穿事故。根据现场情况和保护动作信息分析：因主变35 kV开关柜内空气相对湿度较大，致使3#主变35 kV计量CT表面凝露，由于该CT为倒置式安装，凝露集中在CT导体端附近的绝缘裙边，发生单相沿面放电，并迅速发展为相间短路（串弧），最后导致三相短路，造成3#主变差动保护动作，跳开主变二侧开关。

2.3" 导电回路接触电阻增大

绝缘材料的绝缘电阻随温度的上升而下降，温度越高，绝缘材料的绝缘性能越差。为保证绝缘强度，根据国标GB/T 11026《电气绝缘材料耐热性》，绝缘材料按耐热等级都有一个最高允许工作温度（表1），在此温度以下绝缘材料可以长期安全地使用，超过这个温度就会迅速老化。

案例三即为一起典型的因开关柜内绝缘件温度过高导致的绝缘击穿事故。判断故障原因为10 kV母分过渡触头柜内静触头盒绝缘下降，进而扩大到三相接地短路。经现场检查：10 kV母分过渡触头柜为大电流柜（额定电流3 150 A），其静触头直径（109 mm）比普通出线柜静触头直径（35 mm）大3倍，但都采用一颗螺栓与铜板固定，加上手车动触头与柜内静触头同心度安装工艺不精准，静触头长期受动触头扭矩的应力作用，导致10 kV母分过渡触头柜静触头固定螺栓松动，使静触头与连接铜排产生间隙，接触电阻增加又造成温度的升高过热，绝缘件被长期炙烤，直至完全丧失绝缘能力，最终烧毁外绝缘，发生内部接地短路故障。

2.4" 过电压作用

2.4.1" 雷电过电压

案例四是一起典型的雷电过电压事件。当时该地区雷雨交加，水厂3652线路多次遭受雷击，发生BC相短路故障。开关跳闸前，雷电波沿线路进入该变电站35 kV母线，在边柜中心3655间隔（开关分闸）处发生全反射（图3），升至2倍雷电压，导致中心3655间隔母线支柱绝缘受损。后因水厂3652线开关加速跳闸时产生操作过电压导致柜内发生BC相间短路，继而发展成35 kV母线三相短路。事故导致中心3655开关柜左右两面母线侧烧出大面积孔洞，相邻1#主变35 kV开关柜右面母线侧烧出面积较大的孔洞。

2.4.2" 弧光接地过电压

案例五为一起典型的弧光接地过电压事件。监控信息表明，杭大8661线开关最先动作跳闸，柜体损坏最严重，故障波形显示三相短路。而在杭大8661线三相短路前，10 kV II段母线相关设备报1次非金属性A相单相接地，单相接地持续时间2 s秒，接地线路为杭大8661线。间歇性单相接地导致拉弧，接地电弧在电场力作用下漂移引起AB相间短路，6 ms后发展成三相短路。

杭大8661线单相接地时，经仿真计算，因弧光接地引起的非故障相电压升高至2.29 p.u.，故障相电压降至0.8 p.u.，2.29 p.u.的过电压加剧了10 kV II母相关设备绝缘薄弱处的绝缘损伤。而杭大8661线单相接地时，消弧线圈运行于欠补偿状态，使单相接地电流不易熄弧，引起了弧光接地过电压。

3" 防范对策研究

3.1" 运行环境治理——温湿度控制

温湿度控制的目的在于防止水分在开关柜内部形成凝露。要消除凝露就要破坏凝露形成的条件：湿度和温差。只要破坏了凝露形成的2个条件中的任何一个，就可以避免凝露的发生。可从以下几方面着手治理：

１）加强开关室防潮措施，安装空调、除湿器等设备，并加强日常运行维护，保持开关室的日常低湿度，保持相对湿度在70%以下，若有条件最好保持在60%以下。

２）根据实验数据分析，柜内湿度大都来源于地沟。在开关柜电缆室底部安装专用除湿装置，并做好地沟的密封和通风。为了降低地沟湿度的影响，可将室内地沟盖板设计成镂空结构，增加其通风，让地沟潮气挥发。在与开关柜直接相连的地沟，可采取局部封闭，并安放除湿剂。同时要加强开关柜底部电缆孔洞的封堵，防止湿气由此进入。

３）在控制好湿度的同时，也要控制好开关柜内温度和柜内外温度差。柜内外温差越大，柜内湿度越高，就越容易在开关柜内壁上形成凝露[2]。一般来说开关柜内的温度要高于开关室的温度，在特殊气候或季节条件下，为降低柜内外温度差，可适当提高开关室的空调温度。

４）在开关柜内增加通风装置（目的是增大空气与触头盒等表面对流换热速率，并非向柜外排风），局部增加加热装置。研究表明，在同时靠近触头盒和套管的开关柜壁上分别安装加热装置和通风装置，可提高两者表面的温度，降低两者表面的相对湿度，从而大大降低触头盒和套管发生凝露的概率[3]。

3.2" 大电流柜整改

建议采取以下措施：

１）结合停电，检查大电流隔离手车触头及触头与铜排连接处，如有发热迹象必须进行维修整改。

２）安排停电，对动、静触头与铜排固定采用一颗螺栓的隔离柜进行工艺改进。触臂与铜排连接处采用4颗（或多颗）螺栓（图4），绝缘筒里面铜排连接改用镀银铜柱，额定电流3 150 A的隔离手车按4 000 A要求配置导电臂和铜排。

３）在大电流隔离手车绝缘筒顶部增加散热器（图5），上面设多个小铜管，增加散热面积。

4）在大电流柜顶部增加散热通风装置。

3.3" 过电压治理

高压开关柜经受的过电压主要有雷电过电压和发生单相接地时的弧光接地过电压2种。

3.3.1" 雷电过电压

针对雷电过电压的治理措施主要如下

1）对变站内所有10、35 kV出线间隔加装出线间隔避雷器。

2）严格按雷季运行方式要求，线路侧未装避雷器的线路不得带电开口运行，不带电开口的线路应改为检修状态。

3）加强变电站内老旧防雷设备带电检测和专业化巡检，严格按试验规程周期要求规范开展停电例行试验。

3.3.2" 弧光接地过电压

弧光接地过电压产生的根本原因是小电流接地系统中对地电容电流没有补偿到位（大于10 A），当配电线路发生单相接地时，接地点间隙性电弧无法熄灭，结果产生过电压。弧光过电压在接地相及非接地相都会发生，而最大过电压往往是在非接地相，数值可达到相电压的3.5倍。随着配电网电缆出线的增多，系统对地电容电流也不断增大，使原补偿的消弧线圈容量不够，需要增容；或原来不需要采取补偿措施的局部配电网需要采取消弧线圈补偿。我们必须克服困难，解决电容电流超标问题，如果变电站内无法实施增容，可在同一配电系统的站外配变或相应出线上实施增容[4]，形成消弧线圈的自动跟踪集中补偿和小型固定分散补偿相结合的方式；如果区域配电网建成了全电缆区域，则可将该区域电网中性点改为低电阻接地方式[5]。

3.4" 配置电弧光保护装置

电弧光保护是近几年兴盛起来的一种高压开关柜保护，因其能快速切除故障逐渐受到大家的重视。目前变电站10～35 kV进出线保护一般配置过电流速断保护，经测试，其故障切除时间（从故障发生→保护起动→断路器分闸）为馈线120 ms，进线270 ms[6]；母线一般不配置专用母线保护，而是采用主变后备过电流保护来切除母线故障，其故障切除时间大于等于1 000 ms。而采用电弧光保护，切除故障时间为馈线小于等于65 ms，进线小于等于95 ms[5]，母线小于等于95 ms。目前开关柜一般依据IEC298标准进行生产，仅可以承受100 ms的燃烧时间。电弧燃烧的不同时间给设备带来的损坏程度详见表2。可见，如果发生开关柜短路故障，配置传统保护虽能及时切除故障，但无法保持开关柜的完好，而加装电弧光保护则能基本保持开关柜的完好。

3.5" 整体改造

通过对大量问题绝缘件的分析，目前高压开关柜内的绝缘件主要存在以下缺陷。

3.5.1" 绝缘裕度小、局放大、起晕电压低

屏蔽套管与触头盒的绝缘层厚度都比较薄，绝缘裕度小，局放值较大（小于等于30 pC）。特别是外径为200 mm的套管，因本身绝缘层厚度较薄，加上内、外2个屏蔽网之后，高压屏蔽网与接地屏蔽网之间的距离相对较小，绝缘裕度小，局放值大，起晕电压较低。

3.5.2" 屏蔽套管内高压屏蔽网与母排的等电位连接不可靠

屏蔽套管内高压屏蔽网与母排的等电位连接采用金属卡簧连接，由于金属本身的疲劳、氧化加上母排电动力的作用，容易出现接触不良，造成母排与内屏蔽网连接处产生电弧，致使绝缘性能下降。

3.5.3" 屏蔽套管内、外屏蔽网工装定位不精确，易产生偏心现象

屏蔽套管的屏蔽网采用的是铝网圈，本身强度较弱，如果当初定位工装不精确，在浇注时易产生偏心现象。内、外屏蔽网一偏心，就造成两者之间的绝缘层厚度不均，其中较薄的一边就易被击穿。

针对绝缘件的以上问题，可采用整体改造的方法进行改进，具体措施：①套管方面。增加绝缘层厚度，加大高压屏蔽网与接地屏蔽网之间的距离。②改进屏蔽网的固定工装。准确定位，保证内、外屏蔽网圈间不偏心，使绝缘层厚度均匀；采用不锈钢网圈且有加强筋的屏蔽结构，增加屏蔽网的强度，避免网圈毛刺、尖端；内屏蔽网和母排的连接采用6平方绝缘多股软铜线螺栓固定，保证接触可靠。③触头盒方面。加大内爬距，单边绝缘层壁厚加至52 mm，内部型腔尺寸加大，以有利于散热及动、静触头的配合。

监测发现，使用改进型绝缘件后的高压开关柜运行状态稳定，各项数据较前代产品有了显著提升。

4" 结束语

本文结合典型案例分析了高压开关柜的故障原因，总体来说有内外部两大因素。引起故障的外部因素主要有过电压，包括雷电过电压和弧光接地过电压等；内部因素主要有绝缘材料老化、开关柜内湿度超标和导电回路接触电阻增大等。针对这些故障因素提出了具体的防范措施。但不管采取何种措施，要保持高压开关柜的良好运行状态，降低故障率，都必须增强监察、综合治理，加强运行维护和管理工作。

参考文献：

[1] 国家电网公司.12 kV高压开关柜选型技术原则和检测技术规范：Q/GDW 11252—2018[S].北京：国家电网公司，2018.

[2] 董文坚，赵法.开关柜凝露因素试验分析[J].电工技术，2020（22）：147-148，150.

[3] 李元，薛建议，任双赞，等.高压开关柜温湿度分布的三维数值模拟研究[J].电工技术学报，2019，34（24）：5095-5103.

[4] 严倚天，赵志刚，严浩军.中压配电网消弧线圈分布式补偿的仿真研究[J].浙江电力，2018，37（3）：42-47.

[5] 严浩军，龚亚萍，翁志红.城市配电网中性点接地方式探讨[J].浙江电力，2013（7）：25-27.

[6] 黄超.弧光保护装置的作用[J].城市建设理论研究（电子版），2016（20）：7-8.