安钢梅站10kv真空断路器爆炸事故分析及处理

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【摘要】通过对安钢梅园变电站1052开关爆炸的现场与痕迹的分析，找出了事故原因，提出了解决问题的办法，保证了10kv供电系统的安全可靠运行。

【关键词】弧光接地故障；消弧线圈；脱谐度；过电压；真空断路器散热器

中图分类号：O643.2+21 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

2011年5月3日20：52分，因用户侧弧光接地及其断路器拒分而导致梅1052开关柜爆炸，随之梅2#主变“复压过流”动作（梅102跳闸）而失压，梅10kV III段、V段和VII段母线失压。

1事故追忆

1.1运行方式

梅10kV III段、V段和VII段并列运行于梅2#主变， TV投入，各分段断路器控制电源退出。梅1071发电机运行于梅VII段。

1.2 设备概况

XGN 2-12型开关柜，VJ12型真空断路器三相极柱竖向排列，相间主绝缘采用环氧树脂绝缘筒（简称“筒”）将每极灭弧室全部封闭，额定电流：1600A，额定开断电流：3150 A。

断路器运行产生的热量通过与动、静导电杆联接的散热器散失。为增强绝缘，防止相间放电，散热器被“筒”包围（“筒”厚6mm。筒高出散热器上平面25mm，该处筒厚4mm，）。灭弧室产生的热量导向散热器，同时大电流也流过散热器经接线端导出，在散热器内形成内热源，热量以自然对流换热的方式从散热器上方以圆锥状散发到环境中后，温度逐渐降低。上散热器俯视图如图示，基底为内径70mm、外径120mm的圆环，沿内环有“a、b、c、d ”4条与断路器导电杆固定的外六角螺栓。沿外环左右对称呈放射状分布7个间隔均匀的肋片（高30mm），相邻肋片中心间距为10mm，肋片倒圆角以消除电晕。

为防止操作梅1052断路器上隔离开关时其传动结构的小零件意外飞出至载流导体造成危险，在传动结构与断路器之间加装有防护板。

1.3 事故信息

⑴.监控主机

只查到梅102断路器：2011-05-0320：52：50复压过流动作跳闸。未查到梅1052相关动作信息及故障录波图。因整点采样，故没有可参考的事故信息和事故前参数。

⑵. 梅1052保护装置

20：52：43 电流I段动作跳闸，动作值55.25A（定值11A），时间0S。

⑶.消弧线圈控制装置

20：42：04、20：50：45接地报警，接地电容电流67.6A，补偿电流59.1A，残流8.46A。

⑷.消谐装置

20：42：03 接地电压33.6V、频率54.1HZ；20：42：07 谐波电压65.1V、频率25.2HZ。

⑸.梅2#主变后备保护装置

2011-05-0320：52：50 复压过流动作 跳闸。面板上“跳闸”灯亮。

1.4 现场迹象

1）高压室气味刺鼻，灰尘及不规则碎片处处可见，窗户玻璃破碎。

2）前柜门冲开且变形（遥视回放：可看到一火球破门而出），后柜门冲飞，相邻柜体变形。

3）柜内一片狼藉，二次线绝缘烧损且粘在一起。断路器面板乌黑，但无明显电弧烧伤痕迹。

4）柜内隔离开关B、 C两相动静触头接触部位及绝缘子表面、断路器的上下出线母线绝缘护套表面及电缆头均有被电弧灼伤的痕迹，并附着一层金属氧化物喷射物和碳化物。隔离开关操作杆严重变形，与断路器之间的防护板有一圆形放射状电弧灼痕。

5）断路器B相“筒”上部靠近C相侧边缘有6个锯齿状大小不等的烧伤缺口，尤其是靠近第1肋片处烧伤最严重，缺口深约8mm。靠近A相侧有轻微闪络痕迹但无缺失。

6）散热器

B相“a”和“b”的螺栓头几乎完全烧融。靠近C相侧，“1”肋片全烧融，2、3肋片烧融掉约25mm（高），4肋片烧融掉约5mm，5肋片仅圆角被烧融，其它肋片有过弧痕迹，但无明显缺失。

C相靠近B相侧1肋片烧融掉约10mm，2肋片烧融掉近约5mm，3肋片仅圆角被烧融，其它肋片有过弧痕迹，但无明显缺失。

A相靠近B相侧，仅1肋片圆角被烧融，其它肋片有过弧痕迹，但无明显缺失。

7）梅1052断路器确在分位，但分位及电流I段动作信号未上传。手动分合，机械指示均到位且无异常。

8）Ⅶ段TV一次侧B、C两相熔断器熔断。

2事故原因分析

2.1故障点确定

1）清理时未发现非本柜金属性物件及小动物尸体，排除了柜内异物短路的可能性。

2）事发时为无落雷记录。排除了雷电过电压导致事故的相关性。

3）柜内母线之间和对地之间的空气净距都远大于125mm，正常情况下户内开关柜这些部位发生绝缘击穿的可能性较小。

4）清洗断路器上下联结母线及电缆头的热缩护套，相色清晰，未发现明显的击穿点及短路的痕迹，（断路器整体拆除、二次线更换、绝缘子清洗、漆重刷等工作后）相关耐压试验也未发现绝缘缺陷。

5）灭弧室解体：动静触头颜色光亮、无氧化现象，触头间未发现因分断容量不足和灭弧室漏气所导致的开断过程中因不熄弧所造成的电弧烧毁的痕迹，从而排除了梅1052断路器分断容量不足及漏气所造成的动静触头未可靠分断而导致梅102越级跳闸的可能性，进一步验证了手动分合试验的正确性，也证明了事故不是源自灭弧室。

6）极间中心距210mm，相与相之间“筒”距55mm，在空气湿度较大或表面严重污秽时可能闪络，在受到硬物撞击、较高过电压及强大短路电流的电动力作用时，可能使厚仅4mm的散热器处“筒”局部受损甚至破裂。从B相上边缘6个锯齿状大小不等的烧伤缺口，可初步判断该部位可能受到粗暴侵袭，有导致弧光短路而引发梅102越级跳闸的可能性。

7）清洗掉三相“筒”表层的污物，除B相和C相上边缘“受伤”外，“筒”体无明显孔洞、裂缝及烧痕，更无雪崩式击穿的踪影。耐压试验也通过，排除了因“筒”击穿导致相间短路而引发梅102越级跳闸的可能性。

8）从A、B、C三相散热器的烧融迹象可初步得出：起弧于B相，在容性接地电弧电流及飞溅物的影响下，电弧和熔融金属可能通过B相“筒”缺口及上部喷溅到C相及A相顶部，形成弧光短路而爆炸，而引发梅102越级跳闸及母线失压的可能性较大。

2.2原因分析

调查及分析认为：事故是由梅1052线路用户侧的断路器手车的动静触头接触不良引起电弧接地，因处理不及时造成弧光短路，而其断路器拒分引发弧光过电压及短路电流波及整个系统。在联合过电压的作用下，导致梅1052断路器开断故障成功的同时引发梅1052断路器电源侧再次弧光短路，造成系统切除故障失败，导致梅2#主变“复压过流”动作、梅102越级跳闸、10kV母线失压。

2.2.1弧光过电压激发分频谐振

单相间歇性电弧接地的发展过程是：间歇性电弧接地稳定电弧接地金属性接地或弧光短路。间歇性电弧接地时刻最危险，其在非故障相上产生的弧光接地过电压高达3～4倍相电压（梅1052断路器相关量未上传，而未得到故障录波图），通过电弧接地故障点的高频振荡电流可达数百安培，时间虽短，但电弧危害极大。一方面导致电气元件损坏甚至因弧光短路而爆炸，另一方面“激励”TV铁芯饱和，激发铁磁谐振，导致TV严重过载，造成熔断器熔断或TV烧毁。

20：42：03左右消弧及消谐装置几乎同时检测到了B相接地。因弧光接地的间歇性及其弧光接地过电压的激励，引发了铁磁谐振，从消谐装置报出的“谐波电压为65.1V、频率为25.2HZ”可以确定发生了1/2分频谐振，分频谐振不仅具有一定幅值的过电压（倍数较低，本次为），而且会在TV线圈中出现高达额定励磁电流的百倍以上的低频过电流，从而造成危险的电动力和温升过热，其破坏力很大，轻则熔断器熔断，重则烧毁TV。这是TV一次侧熔断器熔断的原因。

2.2.2 弧光接地后，消弧线圈补偿效果不佳，导致过电压不能被有效抑制

弧光接地时，消弧线圈自动跟踪补偿，由“接地电容电流：67.6A，补偿电流：59.1A，残流：8.46A”知：

1）残流偏大

DL/T 620规定：“10kV具有发电机经消弧线圈接地的系统，发生单相接地故障不要求瞬时切机时，故障点残余电流不得大于3A”。

残流越小，越易降低电网绝缘闪络接地故障电流的建弧率，从而减少线路跳闸率，以保证供电。而此次残流为8.46A，远大于3A，从而不能有效熄灭电弧，导致弧光接地过电压的持续，导致事故的扩大。

2）脱谐度υ偏大

υ用来描述消弧线圈的补偿程度。一方面，单相接地故障时，υ越小越好，最好是全补偿。υ的减小不仅能减小单相接地弧道中的残流，还可以降低恢复电压的上升速度。另一方面，正常运行时，υ越大越好，最好是退出运行。这是因为经消弧线圈接地系统正常运行时，中性点位移电压的大小与υ有关，υ越小，位移电压越高。υ等于零，即全补偿时，位移电压最高。过大的位移电压比弧光接地过电压对电气绝缘造成的危害更甚。因此，υ不能过大，也不能过小。《10kV～66kV消弧线圈装置运行规范》规定：“消弧线圈在最大补偿电流档位运行时，脱谐度υ不得大于5%”。“若消弧线圈在最大补偿电流档位运行，而此时脱谐度大于5%。”时应视为严重缺陷，并应采取相应措施进行处理。υ大于5%说明消弧线圈总容量裕度很小或没有裕度，已不能完成规定的功能。υ不超过5%，才能很好地灭弧、维持较理想的残流和恢复电压的上升速度及将弧光接地过电压的幅值限制在2.6倍的相电压以下。而此次：

远远大于规定值，导致抑制弧光过电压效果很差，几乎与不装消弧线圈一样，没有能避免过电压对电网造成的威胁，而导致事故的进一步扩大。

2.2.3 切除两相接地短路电流产生幅值较高的截流过电压

因残流过大而不能自行熄弧，导致用户侧同一地点发生了相间弧光短路，其断路器拒分引起梅1052断路器越级跳闸。在梅1052断路器切除两相接地短路电流时产生了截流过电压。而此时系统本身就处于弧光接地过电压和分频谐振过电压的共同作用下，系统运行于过压状态，因而抬高了截流过电压的幅值（因无相关故障录波图，未得到相关值）。

2.2.4 联合过电压导致事故继续扩大

1）B相散热器的螺栓头出现闪络

由于散热片之间以及固定散热片的螺栓的尖端形成了极不均匀的电场。在短路电流通过时，断路器动静触头之间产生的电弧功率高达上万千瓦，这样大电弧的能量几乎全部变成热能，使散热器温度骤增（相关实验测得在通过大电流时，散热器的壁温会瞬间升至约120℃的高温），极不均匀电场和极高温度下的螺栓的尖端，在弧光接地过电压和分频谐振过电压的联合作用下“起弧”，高达数千度的弧柱烧融了螺栓头。

2）B相“筒”上边缘在联合过电压和短路电动力的侵袭下瞬间崩缺

在静电力和局部放电的热作用的联合侵袭下的梅1052断路器跳闸瞬间，在弧光接地过电压、分频谐振过电压和幅值抬高了的截流过电压联合过电压的作用下，加上强大短路电流的电动力及闪络的高热能量使相对薄弱的B相“筒”上部（电源侧）靠近C相侧上边缘瞬间崩缺，形成6个缺口。

3）电弧和熔融金属的缺口喷溅引发弧光短路

B相靠近C相侧“筒”的崩缺，使源于螺栓头的电弧及熔融金属飞溅物顺着缺口喷溅到C相散热器上形成弧光短路。电弧燃烧时释放的巨大的能量，对空气加热而膨胀，而铜质散热器气化时，体积膨胀67，000倍，从而使柜内压力骤升。它产生的爆破压造成柜门变形、崩飞；导致隔离开关操作杆严重变形、防护板电弧烧灼；导致相邻柜体变形及上述散热器烧融及灼伤；导致二次线烧融而短路，使柜体漆焚毁而产生气味刺鼻的浓烟及其它迹象。电弧燃烧产生的爆破音造成柜内强烈震动而致固定元件松脱、窗户玻璃破碎等迹象。

梅1052断路器跳闸及其“电流I段”动作信号未能上传，系因短路及爆炸所产生的高温、高压气体瞬间将二次线绝缘烧损且粘在一起导致保护装置电源跳闸所致。

4）梅1052断路器电源侧弧光短路造成梅102跳闸

由于弧光短路的部位在电源侧，相当于母线发生了短路，而母线故障普遍采用主变“复压过流”作为主保护。因此，一方面造成梅102跳闸，10kV母线失压。另一方面由于为了保证“复压过流”选择性，其动作时限自负荷侧到电源侧的动作时限逐级拉长，以致到了主变处已达到3秒，如此长的故障切除时间，对于开关柜额定耐受电弧时间只有100ms来说，一旦发生内部弧光故障，损失惨重。

3 结束语

为确保运行，更换了两侧断路器及受损元件，对类似的散热器的固定螺栓加装高压绝缘帽或更换为内六角螺栓，计划更换大容量的相控式消弧线圈。另外，在以后的设备选型及技改时，应配置新型的检测可见光的“电弧光”中低压母线保护系统。

参考文献：

DL/T620-1997.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合.北京：中国电力出版社，1997.

陕西宝光真空电器股份有限公司网站（2009-12）..cn.

贺湘琰.电器学.北京：机械工业出版社，1985-6.