石油化工企業中高壓開關柜的性能及常見故障研究

汪 維

（南京揚子石化橡膠有限公司，江蘇 南京 210048）

0 引 言

企業的生產發展離不開電力系統的作用。變配電設備是電力系統的重要組成部分，與電力系統的穩定運行密切相關。變電設備中，高壓開關柜占較大比重。因此，探究高壓開關柜的技術問題，對提高石油化工企業電力系統裝備水平和促進行業技術發展具有重要意義。高壓開關柜直接參與輸電環節、配電環節、發電環節及電能轉換環節等[1]。在日常運行中，元部件的質量不高、內部絕緣及發熱故障等問題普遍存在，影響整個高壓開關柜的管理和運行。在石油化工企業中，需加強對高壓開關柜常見故障的處理，提高電力系統的裝備水平。

1 石油化工企業電力系統運行特點

石油化工企業的電力系統運行周期長，安全性和可靠性要求高。石油化工企業的生產裝置用電負荷主要有大型整流裝置、大容量機泵、控制系統、氫或氨壓機大機組以及事故保安負荷等特殊用電負荷[2]。石油化工企業的電力系統復雜，故障易導致生產裝置重大事故，不僅給企業造成重大損失，而且影響生態環境和社會穩定。石油化工企業的供電和配電系統中，大部分使用的是電力電纜，接地過電壓事故發生率較高。在6 kV、10 kV及35 kV中性點非接地系統故障中，多出現單相接地問題，從而使系統接地過電壓，導致如刀開關、瓷絕緣子等一次絕緣薄弱環節出現弧光短路、崩燒、擊穿及放電等，發生干式PT鐵磁諧振，熔斷PT熔絲，致使生產裝置非計劃停產事故[3]。

石油化工企業環境特殊，變配電設備普遍處于惡劣的運行環境中，如氣體污染、腐蝕等。在生產裝置界區內，化工氣體的污染和腐蝕嚴重影響變電站的電氣設備。在惡劣的運行環境下，設備絕緣水平明顯下降，頻繁出現放電和閃絡，尤其是35 kV金屬鎧裝柜。因此，一次電氣設備的事故發生率明顯增加，易出現繼電保護裝置誤動、拒動等問題，降低了電力系統的安全性和可靠性。而部分沿海、沿江的企業受多重不利因素影響，問題更加突出[4]。

2 高壓開關柜結構和性能

本次以KYN28A-12型金屬鎧裝移開式全封閉開關柜為例，分析其結構和性能，如圖1所示。開關設備整體由中置式可抽出部件即手車和柜體兩大部分組成。柜體包括各種機構、電器元件、殼體、連線及二次端子等組成部分。開關設備具備母線聯絡、電纜進出線及架空進出線等功能。斷路器使用VS1系列真空斷路器，采用先進的微機綜合保護裝置，有遙調、遙信及遙控作用，并具備較好的靈活性和安全性。

開關設備包括繼電儀表室、電纜室、母線室及斷路器手車室4個獨立的隔室[5]。它們是主要的電氣元件。每個隔室間都有標準的防護等級，其中電纜室、母線室及斷路器手車室有泄壓通道。設備使用的形式是中置式，擴大了電纜室的空間，可接入多路電纜。

開關設備有聯鎖裝置，可防止誤操作，使用更加安全、可靠。儀表室門裝有提示性按鈕，通過提示防止誤操作斷路器。斷路器手車在工作或者實驗位置，斷路器開始合分工作。合閘后手車不能移動，防止帶負荷誤操作，推拉斷路器。當斷路器手車處于斷開和試驗的位置時，接地開關實施合閘操作。當接地開關處于閉合位置時，斷路器手車移動到工作位置，以有效防止帶電誤合接地開關，并防止關合斷路器。當接地開關處于分閘位置時，無法打開下門和后門，進而防止誤入帶電間隔。當沒有控制電壓且斷路器手車處于工作或試驗位置時，不能合閘，只能手動分閘。當斷路器手車處于工作位置時，二次插頭被鎖定。

圖1 結構圖

接地銅排是開關設備中安全、可靠的接地裝置，可用于直接接地[6]。在電纜室內，接地銅排可貫通相鄰的開關柜，并很好地聯系柜體。整個柜體使用覆鋁鋅板拼聯，處于良好的接地狀態，從而保證運行操作人員的安全。

3 高壓開關柜常見故障和處理

3.1 接地刀閘拒合

通常按不下主連鎖壓板時，會出現接地刀閘拒合故障。按不下主連鎖壓板時，操作人員會借助工具強行按下。雖然裝上了操作手柄，但無法合上接地刀閘。此外，強行合上易損壞機構部件，較常見的是鑄鋁的軸承座碎裂、電纜室前門連鎖桿變形等。處理這種故障的主要方法是修整連板端部，鋸掉多余部分。為避免連板和柜體頂撞，修整端部成圓弧形。避免主連鎖壓板操作和主軸接觸，調整接地刀閘操作的主軸的軸向串量。及時更換損壞的部件，并矯正變形的部件，若不能矯正需及時更換，避免擴大故障范圍，在恢復性能后再運行。

3.2 接地刀主連鎖壓板按不下的原因

實際處理中，接地刀主連鎖壓板按不下與電纜室有關。電纜室前門關閉不嚴，電纜室前門和主連鎖壓板的連鎖檔未被門上的鎖叉頂開。連鎖檔銷在鎖定位置阻擋了向下的路徑。向上的連板存在問題，端部多余部分頂箱體，無法用手的力量按下去，故操作手柄裝不上，無法進一步操作。這種故障的主要處理方法是調整好電纜室前門上的鎖叉，保持高度平行于主連鎖壓板的連鎖檔，從而關好電纜室的前門，頂開檔銷和連鎖檔，固定好前門固定螺絲，使主連鎖壓板能自由活動。

3.3 110 kV GIS組合配電裝置的問題

早期110 kV GIS組合配電裝置的問題主要是液壓操動機構泄壓和打壓頻繁，部分存在三相母線短路、盤式絕緣子爆炸、防爆膜爆裂、PT間隔振動以及開關連桿斷裂等問題。一些新建配電裝置在交接試驗中，電壓升高時發出金屬敲擊聲，隨即出現過流跳閘。部分裝置在改造中出現相關排列和現場不對應而導致返工的情況。這些問題的主要原因有制造工藝差、標準低、技術落后、材料性能差以及產品質量差等[7]。制造過程中，相關金屬部件的加工精度差，未處理好金屬毛刺，易在耐壓試驗中出現敲擊聲音。母線間隔內的金屬微粒未清理干凈或者清潔度不達標時，將埋下故障隱患。

3.4 6 kV、10 kV和35 kV金屬鎧裝柜存在的問題

6 kV、10 kV金屬鎧裝柜普遍存在的問題是，大電流回路開關動靜觸頭的嚴重發熱和額定容量下不能保障長期運行。由于開關柜崩燒，導致柜體發熱而出現較大振動，進而發生重大設備事故。35 kV金屬鎧裝柜的主要問題是開關開斷性能差、開斷電流小、放電嚴重、整體質量較差以及推拉操作困難等。近年來，使用硅橡膠絕緣套和真空斷路器，提高了35 kV金屬鎧裝柜的安全可靠性。對于6 kV、10 kV開關柜，柜內元件應具備良好的互換性。斷路器應采用真空斷路器，跳閘系統使用分勵系統且帶防跳裝置。開關柜的柜架需使用高質量的鍍鋅鋼板。所有部件的強度需能承受安裝、運輸及運行短路時引起的作用力。

3.5 機械故障

機械故障主要有操作機構故障和機械連鎖故障。操作機構故障通常發生在限位點偏移的位置，若未控制好設備中的脫口半軸和扇形輪嚙合量，將引起高壓開關柜故障。過大的嚙合量將增加脫扣阻力，導致卡死狀態。處理這種故障需調整分閘連桿的長度和限位螺栓的長度。機械連鎖主要是維持開關的正常使用性能，但在內部裝置機械連鎖會發生故障。因此，需結合機械傳動，做好故障診斷排查工作。

3.6 分閘、合閘及跳閘故障

分閘故障有電氣故障和機械故障兩種。電氣故障有線圈故障、開關故障及回路故障三種，需具體情況具體分析。其中，線圈故障是分閘線圈燒壞，導致焦味、冒煙；開關故障是紅燈處于熄滅狀態，無法實現分閘動作；回路開路故障主要是轉換開關和相關部位斷線，線圈不能得電。處理分閘故障時，先檢測診斷整個設備的電壓和電阻，然后處理故障。合閘故障主要是合閘線圈故障和防護故障。合閘線圈故障根本上是一種短路故障，會出現焦味和冒煙現象，可采取試送電的方式診斷，同時檢測是否存在限位開關和線路故障。許多高壓柜配備防護功能，合閘時經常出現位置開關不閉合的情況，導致電動合閘困難。處理時需適當調整開關手車，閉合限位開關得電。若保護動作不到位，可能出現跳閘問題。雖然高壓開關柜設置有溫度、瓦斯及過流等保護裝置，但實際運行中會受多方面因素影響出現跳閘。正常狀態為溫度和瓦斯實行后出現相應的信號指示，繼電器運行，紅色提示運行。故障處理時需先降低負荷，防止二次跳閘。若變壓器內部問題導致重瓦斯，需調整、修理變壓器或者清除內部氣體。

3.7 儲能故障

儲能機構的運行是通過電動機帶動齒輪機構，拉伸彈簧。它的主要故障是電氣故障。手動可以儲能，電動則無法儲能。電機發生故障易被發現，通常是繞組損壞、電機停止、出現焦味。處理這種故障需測量電機兩端的電壓和電阻，及時更換組件。行程開關發揮控制電機儲能位置限位開關的作用。電機儲能到位，斷開高壓柜的電源。處理故障時需先使用手動方法明確儲能的具體位置。高壓柜開關出現故障時，電路閉合困難，電機兩端電壓為零，設備將停止運轉。此時，可使用萬能表確定故障。

3.8 高壓柜故障檢測技術

機械故障是高壓開關柜最常見的故障，主要是因為機械操作涉及的元器件多且復雜，許多細小的結構對維持設備運行具有重要作用。電力設備易受外界溫度的影響，隨季節的變化而發生各種故障。在高溫、低溫季節，拒動故障的發生率較高，技術人員或者操作人員需定期檢查。導電回路故障的主要原因是接觸不良，并隨時間的推移，負面影響不斷加重。尤其是隔離插頭中裝置的禁錮彈簧，由于溫度高彈性下降，接觸電阻不斷升高而出現故障。檢測時需通過各種性能測試調整好升溫實驗項目，并結合額定電流下的升溫實驗。確定絕緣水平是一項重要的工作。電壓等級越高，絕緣水平越重要。因此，需適當提高絕緣水平，綜合考慮經濟消耗，促進設備的安全使用。檢測絕緣水平需嚴密觀察各個位置的運行狀況，綜合考慮運行狀態、環境因素、過電壓保護及絕緣性能等[8]。實際檢測中，需考慮到即使在不同地方使用相同絕緣水平的產品也會有運行上存在差異，要綜合考慮環境、過電壓保護及老化等因素。

4 石油化工企業高壓開關柜操作注意事項和預防措施

4.1 注意事項

每操作完一個步驟，需保證手車部件和開關柜處于正常狀態，然后進行下一步操作。若遇到阻礙，則不能強行操作。安裝和使用斷路器時，不能用堅硬的物體撞擊真空滅弧室的外殼。需定期維護斷路器，清除表面灰塵，并定期在摩擦部位涂潤滑油。不能隨意更換和原型不一致的電器元件。檢修時需檢查主回路觸頭的情況，擦除動靜觸頭上的陳舊油脂，檢查觸頭是否損傷，是否出現鍍層異常氧化的現象，同時檢查彈簧力是否變化，并及時處理異常。檢查各部分緊固件是否松動，并及時給予加固。檢查輔助回路觸頭是否出現異常，并及時修整。隨時巡查和記錄設備的運行情況，發現設備異常聲響或非正常發熱等情況，需及時停電檢修處理。另外，當斷路器出現頻繁跳閘時，經估算線路所帶負荷超過定值時，需重新依據負荷計算定值，促使設備正常運行。如果指示燈不亮，通常是原件損壞，需及時更換。

4.2 預防措施

管理上，石油化工企業需建立健全開關設備管理體系，加強對高壓開關柜的管理。實行全過程管理制度，總結高壓開關設備事故的經驗和教訓，防止在運行各環節出現問題。加強對運行檢修人員的培訓，提高檢修人員的技術水平，促使檢修人員熟練掌握高壓開關柜的性能和運行特點，以及檢修和安裝等技能。高壓開關柜在斷路器運行中出現操動機構異常、SF6斷路器氣體壓力異常及限位開關接點狀態異常等導致分合閘閉鎖時，需堅決杜絕野蠻操作斷路器。故障線路通過斷路器強送，不管是否成功，均需嚴格、仔細檢查。斷路器開斷故障電流后，需加強巡視檢查。在開關設備運行巡視時，需觀察部件連接處是否有過熱、變色現象，開關絕緣子是否有裂紋，是否有異響、異味等。當斷路器發生拒分時，需將斷路器脫離系統，檢查拒動原因并處理。當隔離開關倒閘操作時，觀察動作情況，卡澀則不能強行操作，需分析原因進行處理。

技術上，石油化工企業使用的高壓開關柜應符合國家相關標準，且設備的交接驗收也應符合國家和行業標準要求，嚴禁使用已明令停產、停用的設備。高壓開關柜在新裝和檢修設備后，均需根據國家規范要求和標準檢查和試驗。連續運行的高壓開關柜應定期按國家或行業標準進行檢查和預防性試驗。

5 結 論

高壓開關柜是變配電設備中的重要電器設備，在石油化工企業中應用廣泛。石油化工企業的電力系統運行環境特殊，要求高。技術人員和操作人員需根據規范、標準開展工作，采取全面的安全防護措施，定期檢修和維護保養，減少故障的發生。