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一起小型化開關(guān)柜爆炸事故的分析及處理

文檔作者：王海冰杜永平曾奕文檔來源： 1．上海交通大學(xué) 2．宿州供電公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月11日
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第十五卷第三期 安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 2010年9月
Vo1．15。No．3 JOURNAL OF ANHUI ELECTRICAL ENGINEERING PROFESSIONAL TECHNIQUE COLLEGE September 2010
一起小型化開關(guān)柜爆炸事故的分析及處理
王海冰 ，杜永平 ，曾 奕
(1．上海交通大學(xué)，上海，200240；2．宿州供電公司，安徽 宿州，234000)
摘要：在變電站準(zhǔn)用土地減少的今天，高壓開關(guān)柜的小型化成為大勢所趨。但也應(yīng)該客觀的
認(rèn)識到，小型化對開關(guān)柜絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計和絕緣材質(zhì)的選擇提出了更高的要求，如有不當(dāng)就會
造成高壓開關(guān)柜的事故。本文從理論上分析了高壓開關(guān)柜爆炸產(chǎn)生的原因和后果，有針對性
地提出了改進(jìn)措施，并就加強(qiáng)該類設(shè)備管理和應(yīng)用新技術(shù)，預(yù)防類似故障發(fā)生，提出了意見和
建議。
關(guān)鍵詞：觸頭盒；窄氣隙；吸水率；聚合物基復(fù)合絕緣物；開關(guān)柜小型化
中圖分類號： TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-9706(2010)03-0006—05
sis and Disposal of an Explosion Fault of Miniaturized Switch Cabinet
WANG Hai．bing ，DU Yong-ping。
， ZENG Yi
(1．Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；
2．Suzhou Power Supply Company，Suzhou 234000，China)
Abstract：Now the land authorized for building substation is being cut down，SO the miniaturization of
switch cabinet becomes more and more popular． But it is need to know that the miniaturization requires
more Oil the insulating structure and material of switch cabinet，or it would lead to grid S accident．
Through a factual case，this article analyzes theoretically the causes and consequences of the fault．As to
how to improve，and how to strengthen the management of such equipment and apply
and how to prevent the occurrence of similar defects，this article also proposes some
Key words：through-cupboard casing；naiTow air c]earance；water absorption；polym
insulating material；the miniaturization of switch cabinet
0 引言
土地資源是我們國家重要的財富，節(jié)約用地是我們每個企業(yè)的責(zé)任。電力企業(yè)的用地主要集中在
變電站上面，節(jié)約土地就意味著要想方設(shè)法小型化變電設(shè)備從而小型化變電站。在此情形下，高壓開關(guān)
柜的小型化應(yīng)運(yùn)而生。但我們也應(yīng)該客觀的認(rèn)識到，小型化是需要一定技術(shù)支持的。應(yīng)該說小型化對
開關(guān)柜絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計和絕緣材質(zhì)的選擇提出了更高的要求，如有不當(dāng)就會造成高壓開關(guān)柜的事故。
2008年7月30日22時28分25．414秒，安徽電網(wǎng)某供電公司1 lOkV變電站發(fā)生35kV線路單相接
地故障，隨后該變電站出線開關(guān)柜內(nèi)發(fā)出劇烈的爆破聲，并伴有火光及黑煙從開關(guān)柜內(nèi)冒出，與此同時
該站主變35kV側(cè)開關(guān)后備保護(hù)動作跳閘。以下是主變35kV側(cè)開關(guān)的故障錄波圖。
收稿日期：2009—12-28
作者簡介：王海冰(1981一)，助理工程師，宿州供電公司修試所技工，主要從事變電設(shè)備試驗工作。E—mail：i22wang@163．corn
Tel：13866698636
杜永平(1962-)，男，高級工程師，宿州供電公司總工程師，主要從事電力安全技術(shù)管理工作。
曾 奕(196I．)，男，上海交通大學(xué)，教授。主要研究方向：變電設(shè)備在線監(jiān)測。
· 6·
王海冰，杜永平，曾 奕：一起小型化開關(guān)柜爆炸事故的分析及處理
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35kV I段母線c相
圖1 51#開關(guān)故障錄波圖 圖2 開關(guān)柜內(nèi)C相故障示意圖
事后檢查發(fā)現(xiàn)，事故開關(guān)柜內(nèi)斷路器c相的觸頭盒被擊穿，觸頭盒外殼和開關(guān)柜金屬殼上都留有
放電穿孑L。同時造成了觸頭盒內(nèi)部：觸頭盒內(nèi)壁灼傷、動觸頭銅環(huán)的燒斷、引下線鋁排的燒毀。事故還
造成了觸頭盒外部有灼傷，以及動觸頭的灼傷和熏黑現(xiàn)象。見圖3—6。
圖3 觸頭盒和開關(guān)柜金屬殼上都留下了放電穿孔 圖4 觸頭盒內(nèi)部燒傷情況
圖5 觸頭盒外部的灼傷情況 圖6 動觸頭的灼傷和熏黑
1 故障時故障設(shè)備電氣接線圖
經(jīng)查實，該變電站于2006年5月投運(yùn)，其中35kV開關(guān)柜全部是新型的金屬鎧裝開關(guān)柜，即小型化
的開關(guān)柜。開關(guān)柜由幾個不同廠家的元件組裝而成，斷路器為真空斷路器，額定電壓40．5 kV，額定電
· 7 ·
安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 第十五卷第三期
流1250A，額定開斷電流25 kA；開關(guān)柜絕緣材質(zhì)為聚合物基復(fù)合絕緣物。事故發(fā)生時當(dāng)?shù)卣谙掠?，?
氣濕度85％。初步判斷事故為發(fā)生單相接地后，非接地相電壓升高，開關(guān)柜內(nèi)絕緣材料受潮等原因所
致。圖1為故障時的錄波圖。
從圖1可以看出：在錄波記時0秒處，線路B相上某點發(fā)生了接地。由于35kV為不接地系統(tǒng)，保
護(hù)設(shè)置沒有立即切除故障線路。由于接地，致使35kV母線中性點電位發(fā)生漂移，從理論上講，健全相
電壓升為：U =U。 = U (式中 是正常運(yùn)行時故障點對地的電壓)。但這只是針對故障相接地為
牢固穩(wěn)定接地的情況。
由圖1的故障錄波圖中我們可以看出，B相接地并不牢固，其為典型的間歇性弧光接地。由于不穩(wěn)
定的間歇性電弧多次不斷的熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感電容回路上引起高頻振蕩過電壓，
非故障相的過電壓幅值一般可達(dá)3．15倍～3．5倍相電壓。這種過電壓是由于系統(tǒng)對地電容上的電荷
多次不斷的積累和重新分配形成的，它是斷續(xù)的瞬間發(fā)生的幅值較高的過電壓，對電力系統(tǒng)的設(shè)備危害
極大?
仔細(xì)觀察故障錄波圖，我們還可以看出A相的電壓曲線比較光滑，而c相的電壓曲線卻有很大的
畸變。這說明從故障發(fā)生的時間22時28分25．414起到22時28分25．670，這段時間內(nèi)事故開關(guān)柜內(nèi)
C相觸頭盒內(nèi)發(fā)生了嚴(yán)重的電離放電甚至是先導(dǎo)放電過程。
2 原因分析
2．1 觸頭盒材質(zhì)的吸水性是一重要原因
根據(jù)事故時的天氣狀況，當(dāng)?shù)匾恢碧幱诟邷馗邿釙r期，空氣濕度達(dá)85％ 。潮濕的空氣加上對流不
好，35kV開關(guān)室室內(nèi)的空氣濕度可能更高，空氣中含有大量的水蒸汽。從事后有關(guān)人員在對高壓開關(guān)
柜做檢查時，在觸頭盒內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)大面積的水膜可以得到證明。
觸頭盒的材質(zhì)是聚合物基復(fù)合絕緣物，因為其化學(xué)結(jié)構(gòu)含有OH基，聚合物基復(fù)合絕緣物的分子具
有親水性。聚合物基復(fù)合絕緣物的吸水過程分兩個階段：在第一階段，由水分子的擴(kuò)散速率決定吸水速
率，因此稱為擴(kuò)散控制階段；在第二階段，基體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的松弛速率決定吸水速率，因此稱為松弛控制階
段。
聚合物基復(fù)合材料的吸水過程符合Fiek第二擴(kuò)散定律 ，根據(jù)C。Grave假設(shè) 和van’t Hof s方
程，并假設(shè)溫度恒定，且時間t為0時的吸水率脅為0，可求解得：
Mt=a( )(4t／h) +b( )(√ ／h)+c( )
在式中， 是溫度；h是試樣厚度；系數(shù)。和b不僅與溫度有關(guān)，而且隨吸水時間的延長，對吸水率的影響
也越大；c只受溫度影響，不隨吸水時間的變化而改變。。和b主要反映吸水的擴(kuò)散機(jī)理，c主要反映材
料的松弛吸水機(jī)理。
由公式可以得出，溫度越高，時間越長，吸水率越大。該變電站35kV I段母線內(nèi)的開關(guān)柜經(jīng)過連續(xù)
幾天的高溫高濕度浸泡，觸頭盒對水分的吸收已經(jīng)很充分了。事故開關(guān)柜放電先導(dǎo)通道的形成，對觸頭
盒內(nèi)的氣體介質(zhì)—— 空氣、水蒸汽持續(xù)加熱，溫度進(jìn)一步升高，更加促進(jìn)了其觸頭盒對水分子的吸收。
這就為下一步的絕緣擊穿埋下了伏筆。
同時這也能解釋，為什么2006年設(shè)備交接時，35kV I段母線下的開關(guān)柜能承受住95kV的交流耐
壓1rain的原因。
2．2 設(shè)計缺陷造成的窄氣隙放電是導(dǎo)致觸頭盒擊穿的直接誘因
經(jīng)過檢查，套管的引下線鋁排和觸頭盒內(nèi)壁之間存在距離為5～7mm的窄氣隙(這由圖5可以明顯
看出)，成為這次事故的直接原因。盡管引下線鋁排和觸頭盒內(nèi)壁之間有過電氣連接，但是它們之間的
電氣接觸面積只有3era 左右。估計設(shè)計之初的目的旨在與固定引下線鋁排，而沒有考慮到窄氣隙的存
在。以下分析模擬該缺陷事故產(chǎn)生過程。
對于兩種串聯(lián)的絕緣材料，交流電場中，電壓的分配與介電常數(shù)成反比。觸頭盒是由聚合物基復(fù)合
絕緣物構(gòu)成的固體介質(zhì)，其介電常數(shù)比空氣的介電常數(shù)大得多，故窄氣隙中分得了更高的電壓，氣隙附
近的場強(qiáng)是最大的。其放電過程可大致描述如下：隨著線路B相的接地，開關(guān)c相的電壓得以升高。
· 8 ·
王海冰，杜永平，曾 奕：一起小型化開關(guān)柜爆炸事故的分析及處理
在開關(guān)c相引下線鋁排與觸頭盒內(nèi)壁的窄氣隙中，電場的法線分量和切線分量都很強(qiáng)，此處氣體首先
電離，形成淺藍(lán)色的電子崩，放電進(jìn)一步發(fā)展，形成許多向四周輻射的細(xì)線狀流注放電。在強(qiáng)電場作用
下，引下線鋁排周圍空間電離出的帶點質(zhì)點，在強(qiáng)烈的法線分量電場的驅(qū)使下，撞擊固體介質(zhì)，將帶點質(zhì)
點的動能轉(zhuǎn)化為熱能，使該處氣體溫度升高到足以產(chǎn)生熱電離的程度，形成先導(dǎo)通道。熱電離通道中的
壓降很小，增強(qiáng)了通道外端的場強(qiáng)，使先導(dǎo)通道得以進(jìn)一步發(fā)展 。
先導(dǎo)通道進(jìn)一步發(fā)展，增強(qiáng)了通道外端的場強(qiáng)，即有強(qiáng)大的法線電場加在觸頭盒內(nèi)壁上。這就使得
原本就浸漬在觸頭盒內(nèi)部的水分子在交變電場作用下往復(fù)沖擊絕緣物，使其發(fā)生疲勞損壞和化學(xué)分解，
電解液隨之逐漸滲透，擴(kuò)散到絕緣層深處，形成近似樹枝或樹葉狀的泄痕，習(xí)慣上稱為水樹枝。水樹枝
的累積發(fā)展，將最終導(dǎo)致了絕緣層的擊穿。如下圖7、圖8是事后對35kV I段母線做檢查性交流耐壓試
驗，當(dāng)電壓加大到48 kV時在臨近的59#開關(guān)柜、63#開關(guān)柜觸頭盒上留下的的擊穿前兆點。
圖7 交流耐壓后59#觸頭盒 圖8 交流耐壓后63#觸頭盒
C相的脆化點(輕微) B相脆化點(嚴(yán)重)
2．3 窄氣隙放電的后果— — 對開關(guān)柜金屬外殼的放電
先導(dǎo)通道能量巨大，溫度以10 K記 ，高溫造成了周圍固體絕緣材料、導(dǎo)電材料的灼傷并氣化。
觸頭盒內(nèi)壁表面聚合物基復(fù)合絕緣物嚴(yán)重的局部過熱產(chǎn)生熱分解物，變成氣體。附近的金屬物也被融
為金屬蒸氣：動觸頭銅環(huán)被燒斷并氣化(銅的熔點是1083．4℃ ，沸點2595℃ )；引下線鋁排被燒毀并氣化
(鋁的熔點660．4℃ ，沸點2467 cI=)，如圖4、圖5。高溫的電弧進(jìn)一步導(dǎo)致了擊穿孔內(nèi)材料— — 聚合物基
復(fù)合絕緣物的燒焦碳化氣化，開關(guān)C相觸頭盒的擊穿孔已經(jīng)將高溫高壓的先導(dǎo)通道進(jìn)一步拉到觸頭盒
的外殼。此時柜內(nèi)氣體壓力升為：
P -P0=
式中：Z— — 電弧二點問距離
， —— 交流短路電弧電流
柜內(nèi)容積
— — 常數(shù)
據(jù)估計，柜最大壓力可達(dá)到0．12～0．18MPa。
高電離氣體，在高氣壓的推動下從穿孔點噴射而出。氣體攜帶的大密度電流射向開關(guān)柜金屬壁，完
成了C相的對地放電，留下了圖6中高壓開關(guān)柜柜壁上的放電穿孔。從線路B相短路到c相觸頭盒的
擊穿放電整個過程耗時約0．26s。
3 消除隱患的措施
通過以上現(xiàn)象的分析與判斷，可以確定該類設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選型上存在先天性缺陷，即：一
是觸頭盒材質(zhì)的吸水性問題；二是窄氣隙電場畸變的放電問題。因此消除隱患的措施主要針對這兩方
· q ．
安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 第十五卷第三期
面做。
3．1 消除材質(zhì)吸水性的措施
消除材質(zhì)吸水性的措施，主要就是對觸頭盒表面作憎水處理。例如，硅有機(jī)化合物具有高度的憎水
性和電氣絕緣性能，可用這類硅有機(jī)材料對介質(zhì)表面作憎水處理(浸漬、熏蒸或噴涂)。對纖維電介質(zhì)
憎水處理過后，纖維素分子被憎水劑分子所蓋沒，纖維素的空隙被憎水劑高分子物質(zhì)填滿，大大的降低
了纖維素物質(zhì)的親水性和吸水性，從而提高觸頭盒的沿面放電性能和擊穿電壓。
3．2 消除窄氣隙的措施
一般來說，窄氣隙時，氣隙附近的場強(qiáng)總是最大
的。由于固體介質(zhì)的介電常數(shù)比氣體介質(zhì)的大得多，
窄氣隙中的場強(qiáng)必然被大為強(qiáng)化，容易產(chǎn)生電離。形成
不同形式的局部放電，這當(dāng)然是不允許的。改進(jìn)的辦
法是：將電極附近的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計得避免窄氣隙的存
在。若不可避免的存在窄氣隙，那就設(shè)法使得氣隙兩
邊等電位，即消除窄氣隙中的電場。
最好的辦法是將絕緣體與電極澆注嵌裝在一起。
但是，如果沒有辦法澆注在一起，則可在絕緣體與電極
的接觸面上噴涂金屬(或涂半導(dǎo)體層)，并使之與引下
線鋁排作電氣連接，使縫隙兩側(cè)等電位，即可消除此氣
隙中的電場，如圖9。
4 結(jié)語
■量片
圖9 消除窄氣隙
實踐證明，以上的改進(jìn)措施效果是明顯的。在變電站準(zhǔn)用土地不斷削減的今天，高壓開關(guān)柜小型化
成為必然趨勢，但新設(shè)備、新技術(shù)從產(chǎn)生到成熟是一個漸進(jìn)的過程，這就需要電力企業(yè)和設(shè)備廠家不斷
地總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，強(qiáng)化設(shè)備運(yùn)行管理與維護(hù)，及時發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備隱患。同時也希望設(shè)備廠家對自己
的產(chǎn)品負(fù)起責(zé)任，及時改進(jìn)設(shè)備性能，確保自己的設(shè)備不留隱患，不出安全問題，實現(xiàn)雙方共贏的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)：
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[責(zé)任編輯：朱子】
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