開關故障引起主變燒毀原因探究

王東升

（利津縣供電公司，山東 利津 257400）

1 事故簡述

2010－09－21 T 06∶54∶35，110 kV城東變電站電廠并網線815開關“過流保護動作，Ic=12.8A”，并網線與電網解列。幾乎同時2號主變“中后備過流Ⅰ時限動作，Ib=38.970 A”，300開關跳閘；“Ⅱ時限動作，Ib=38.970 A”，301開關跳閘；2號主變“差動保護動作，Idb=25.790”，101、901開關跳閘。考慮到電廠并網815線解列后，電廠過高的蒸汽溫度、壓力對鍋爐及汽輪機可能造成大的設備損壞，17 min 10 s后，1號主變101開關手動合閘；14 s 53 ms后，中壓側開關301“偷合”，值班員發現后手動分閘；22 min 40 s 253 ms后，母聯300及301開關同時“偷合”，1號主變 “中后備I時限動作”，300保護跳閘。報文顯示，300開關每間隔約8 s儲能完成后 “偷合”，這樣連續跳合10次；301“偷合”4次，手動分閘4次。07∶36∶45 1號主變 “比率差動保護動作，Idb=6.05”，101、301、901保護 跳 閘 ；07∶36∶55顯 示“主變輕瓦斯動作”，該站一次接線如圖1所示。現場發現302開關柜已被大火完全燒毀，其后柜門2號主變母線進線室開關C相上靜觸頭金屬隔板處有短路燒蝕孔洞（圖2），手車開關室上端鄰接的儀表隔室端子排處也有一處短路燒蝕空洞，內部電纜全部燒毀。主變試驗及吊芯檢查，B相高、中線圈層間燒毀、扭曲，線圈托板、墊塊脫落，A、C相中壓線圈遭受短路電動力沖擊已嚴重錯位變形。該開關柜型號KYN61-40.5，內置ZN85真空開關，2004年3月生產，2005年7月變電站投入運行。

圖1 城東變一次接線圖

2 原因分析

2.1 保護動作分析

事故發生后，查看開關故障部位、分析SOE報文及微機保護動作信號，該故障首先由302開關C相上靜觸頭盒處絕緣擊穿引發，后貫通相鄰B、C相引起三相短路所致。因并網線815過流保護時限為0.3 s，

圖2 短路開關柜燒蝕孔洞

比主變低后備時限、中壓側中后備保護時限短，因此并網線815過流保護動作，使并網線與系統解列。此時故障繼續存在，進一步引起2號主變中后備保護動作，I時限跳開300開關。從SOE報文分析，當時保護啟動300開關跳閘時，0.3 s后開關沒有及時分閘，此時達到中后備動作Ⅱ時限，啟動2號主變跳302開關成功。由于開關三相短路產生的高溫電弧擊穿C相上靜觸頭金屬隔室擋板后，沖擊到后面主變進線銅母排（在主變中壓302開關CT主變側），引起主變差動保護動作，2號主變102、902開關跳閘。

2.2 開關“偷合”分析

本次事故300、301開關之所以能夠多次自動“偷合”，是合閘線圈HQ加上正電所致。從圖3中可以看出有三條途徑可以將正電加在HQ上：

（1）“五防閉鎖接點導通”→“就地手合”或“遙合”→通過裝置輸出正電到開關柜HQ上；

（2）從302開關柜引至300（或301）開關柜的“三取二”二次電纜加上正電到開關柜HQ上；

（3）控制回路兩點正接地。

從SOE報文和直流絕緣監視分析，可以排除（1）、（3）原因，下面對（2）進行分析。

302開關柜短路產生的高溫不但將柜內分支套管絕緣護套燃燒起火，同時造成了302開關柜儀表隔室端子排處短路擊穿，其短路產生的高溫將接至端子排上彼此絕緣的二次線引燃并造成相互間短接。因該隔室內存在彈簧儲能合閘直流電，因此該正電通過302開關柜“三取二”電纜（從302開關至母聯300開關柜電纜、從302開關至301開關柜電纜）加到300開關及301開關合閘線圈HQ上（圖3），合閘回路正電源→1QF及2QF常閉接點短接線（考慮變壓器并列方式，施工時去掉 “三取二”功能，將圖3中1QF、2QF常閉接點短接，二次電纜解開）→302開關至300開關柜“三取二”二次電纜及302開關至301開關柜二次電纜→300、301開關CK→300開關QF常閉接點及301開關常閉接點QF→300開關、301開關HQ→負電源。因301、300開關合閘線圈HQ從302開關柜二次電纜借到正電源，在運行人員合上1號主變101開關后，300、301開關自動合閘。當時302開關柜短路持續存在，引起1號主變中后備Ⅰ時限動作，跳300開關，開關8S彈簧儲能完成后，又重新自動“偷合”。當時運行人員發現301自動合閘后，迅速將301開關手動分閘，由于加在301、300開關合閘線圈正電持續存在，因此300、301開關自動合閘，保護啟動又跳閘，這樣300開關連續跳合10次；301開關手跳4次，自動“偷合”4次，連續短路電流沖擊，最終導致1號主變損壞。

2.3 開關燃火原因分析

由于302開關動靜插頭位于觸頭盒內，其通風性、散熱性差。若操作時存在動靜插頭接觸不良、插頭偏心等原因將導致接觸電阻增大→局部發熱→接觸電阻再增大→擴大發熱面積惡性循環，發熱越來越嚴重，持續高溫導致靜觸頭盒絕緣材料劣化，絕緣性能下降，最終造成開關柜崩燒。

該開關柜安裝了加熱除濕裝置，目前最常用的辦法是在電纜室、斷路器室各安裝一個梳狀鋁合金加熱板和濕度傳感器，自動或人工啟動加熱板利用空氣散熱，能否起作用是個問題。雨天時，溫度低且濕度大的空氣遇到開關母排及動靜觸頭接觸部位時，易發生凝露現象，引起放電發熱。設計技術角度上，由于考慮開關柜內部帶電導體電壓等級高、空間距離限制因素，為滿足帶電體間的絕緣要求，采取了對柜內導體表面包裹絕緣護套增強絕緣能力的方法。由于材料原因（國內產品與國外的差距）長期發熱，導致絕緣護套老化變硬，絕緣進一步下降，形成惡性循環，長期絕緣電老化、熱老化等累積效應觸發短路發生。故障前，該站存在35 kV開關設備放電現象懷疑由此引起。

302開關柜不滿足GB3906、DL/T404、DL/T593等技術標準要求，是直接導致本次事故的主要原因。按照技術要求，其開關柜內部護套等元件應具備阻燃、耐受短路產生熱效應的防火條件。由于302開關柜內絕緣護套起火蔓延，不但使鄰接的開關柜燒毀，而且引燃二次電纜將正電持續加到300、301開關，導致設備遭受多次短路沖擊，使事故進一步擴大和加劇。

圖3 300開關操作回路原理圖

2.4 開關柜缺陷分析

按照技術標準要求，內部短路故障產生的熱膨脹沖擊應使母線室、主變進線室壓力釋放擋板打開，后柜門觀察窗玻璃應具有與金屬柜門同等機械強度，保護人員安全。整個故障過程中，存在壓力釋放擋板沒有打開，后柜門觀察窗玻璃已嚴重擊碎缺陷。其原因為該開關柜存在后柜門制造結構及材料缺陷所致。事故統計資料表明，在其它變電站運行的該廠家開關先前已發生兩次因產品質量不合格導致的設備故障。為此，公司對該廠生產的入網開關進行了技術改造，并采取禁止該廠參加公司設備招標措施。

《繼電保護和安全自動裝置技術規程》規定：各級電壓的斷路器應盡量附有防止跳躍的回路。由于302開關柜缺少自身防跳躍繼電器，當短路故障時，300、301開關既有跳閘脈沖信號，又同時存在“三取二”二次電纜引來的合閘脈沖信號，是能夠多次跳合導致主變燒毀的主要原因。該站使用保護裝置的防跳躍功能，缺少開關柜自身防跳躍功能。保護裝置內部防跳躍繼電器（圖3中TBJI及TBJV）作用：當保護跳閘或手動/遙跳時，TBJI繼電器線圈啟動→TBJI常開接點閉合自保持→TBJV繼電器線圈啟動→如果同時有合閘脈沖，TBJV常開接點自保持、合閘回路中TBJV常閉接點斷開→合閘線圈HQ沒有正電不能合閘，保證了跳合閘脈沖同時存在時，僅分閘，不能合閘，避免了分合跳躍發生。以上分析可以看出，保護裝置自身防跳躍繼電器僅對裝置中存在合閘脈沖起作用，如遇到本次事故中“三取二”二次電纜正電直接加到開關柜HQ上不起作用。這也是省集團公司“反措”規定“保留開關柜防跳躍繼電器，去掉保護防跳躍繼電器”的根本原因。

2.5 保護裝置功能不完善分析

運行人員在控制盤手動分合中壓側控制二次開關時，SOE報文中僅有手跳信號，但缺少手合信號。圖3遙跳或手跳分閘回路中，有一個“STCDB”重動繼電器，有其發出“手跳”信號。因合閘回路中沒有相應繼電器，因此報文中缺少“手合”遙信。

301開關最后一次自動合閘時，運行人員曾將裝置二次控制開關手動拉開，使裝置失壓，但報文中沒有“裝置故障”遙信。《繼電保護和安全自動裝置技術規程》規定：對繼電保護和自動裝置，應有經常監視操作電源的裝置，監視裝置應通過自動化系統向遠方傳送信號。事后檢查發現，反映該信號的裝置硬接點“BSJ＋、BSJ-”由于沒有開出信號接線，導致報文中沒有該信號。

2.6 保護設置分析

由于故障點位于中壓母線處 （圖1），815開關承受短路電流達到了51.2 kA，比其額定短路開斷電流40 kA大許多，危害性大。從保護電網、開關及母線角度，應將定值0.3 s改為0 s為宜（表1）。當保護范圍內發生短路時，應迅速將并網線跳閘解列，切除小電源點，減少短路電流，“舍小保大”，優先保證電網、設備安全。

故障時，2號主變中后備保護動作Ⅰ時限1.3 s跳300開關，因短路點不在保護范圍內（圖1），然后Ⅱ時限1.6 s跳開302開關，將故障隔離。當時通過300、301開關短路電流為38.97 kA，持續時間達1.6 s，而開關額定短路開斷電流僅為31.5 kA。假如主變中壓側增加一套限時速斷保護，動作值與中壓饋線限時速斷動作值配合，時限比線路時限0.3 s高0.3 s，整定為0.6 s。這樣當中壓母線短路時，既滿足保護范圍的選擇性、快速性，同時與1.6 s相比縮短短路電流持續時間1.0 s，將可減輕短路對設備造成的損害。

表1 保護設置一覽表

3 采取的措施

對設備線夾、穿墻套管、主變套管、母線套管、開關柜觸頭盒易發熱部位安裝在線溫感器，根據設定溫度自動報警，實現在線監測并進行狀態檢修。

夏季時，開關柜存在負荷大、室內溫度高，內部通風散熱差，易造成護套老化、變硬、絕緣性能下降現象。特別雨季，發熱元件表面產生的凝露很容易造成開關內部元件放電。在高壓開關室內安裝空調、除濕機設備，降溫及降低空氣濕度。

開關柜招標技術協議中，要求柜內導體采用的絕緣護套材料應為通過型式試驗的合格產品，使用壽命應不少于20年，防止發熱變硬老化。進出線套管、機械活門、母排拐彎處等場強較為集中的部位，采取倒角打磨等措施，防止尖端放電發生。柜體觀察窗要求應使用機械強度與外殼相當的內有接地屏蔽網的鋼化玻璃遮板。玻璃遮板應安裝緊固，位置應滿足觀察需要等技術要求。

將“三取二”二次電纜從開關柜中抽出，防止產生寄生回路。

開關柜內安裝開關防跳躍繼電器（圖4中K0繼電器），其作用：當開關在合閘狀態時，開關常開輔助接點閉合，此時如同時出現手合/遙合、重合閘脈沖或通過二次控制電纜給開關柜合閘回路開入正電，將啟動K0線圈動作，與其線圈相連的K0常開輔助接點實現自保持，使得與合閘線圈HQ相連的常閉接點K0斷開，開關不能合閘，實現了防跳躍功能。同時在保護裝置操作板上將圖4中的TBJV常閉接點用連線焊接短接 （圖中TBJV常閉接點虛線部分），則保護裝置防跳躍失效。滿足了反措“保留開關柜防跳躍，去掉保護防跳躍功能”的要求。圖4中分閘“綠燈”回路若不進行相應改造，將存在開關在合閘時，合位“紅燈”、分位“綠燈”同時亮的現象。為此必須將保護裝置板上的TWJ線圈負端P4-5與合閘回路P4-4分開，單獨接開關的一副常閉接點，如圖4中“綠燈”虛線部分。圖3中“綠燈”亮，其作用是監視合閘回路的完好性及表明開關在 “分閘位置”；改造后，“綠燈”亮僅是表明開關在“分閘位置”。合閘回路中如果存在未儲能CK斷開、開關常閉接點QF斷開、手車試驗/工作位置不到位等，報文將顯示“控制回路斷線”告警及“運行燈”變色信號，這也是改造前后的主要區別。

為便于報告分析的真實完整性，積極與廠家進行技術溝通，要求裝置內增加“手合”重動繼電器，產生“手合”信號。同時對裝置硬接點“BSJ”用外部接線開入其他測控裝置，上傳“裝置故障”遙信告警信號，便于裝置失壓時引起值班人員注意。

圖4 300開關操作回路改造原理圖

4 結語

由于開關柜招標技術協議中引用的國標、電力行標較多，訂貨方往往對協議中應采用的最新標準、規范引不起足夠重視，一旦設備出現質量索賠，將使訂貨方處于不利位置。

開關柜內部涉及的元器件較多，同類型產品，不同的廠家價格懸殊較大。這就要求技術協議中不但應列細必做型式試驗的元件及對技術細節方面的特殊要求，而且也要對內部元件的具體生產廠家做出要求，防止廠家打擦邊球，鉆技術協議漏洞。目前，國標低于行標，生產廠家為節約成本，往往采用國標，這點應引起足夠重視。

二次回路與一次回路相比較而言，回路中元件點多面廣，接線錯綜復雜，設計及施工中存在的隱形缺陷很難發現，將對電網的安全可靠運行埋下事故隱患和難以預測的后果，也是運行管理中難點和重點所在。強化二次回路的施工工藝及交接試驗、驗收等環節的技術管理工作，顯得尤為突出。

目前，設備生產廠家良莠不齊，部分廠家實行內部元件外購拼裝而成，其產品在安全可靠、性能優劣方面，用戶很難控制和甄別。設備選購時，要綜合考慮市場占用率、品牌知名度、用戶滿意度，生產規模等因素，優先采用合格的廠家產品，確保電網、設備、人身安全。