一起干式負載柜絕緣擊穿故障的原因分析

洪 星

（南通中遠海運川崎船舶工程有限公司，江蘇 南通 226000）

干式負載柜常用于新造船過程中的發電機和配電板功能試驗，船上的發電機通過臨時放置的負載線連接到負載柜，進而完成發電機以及配電板的各種功能試驗。負載柜的狀態是否完好不僅影響到發電機和配電板的試驗效果，還影響到船舶發電、配電系統的安全。

1 故障現象

某船配備了中壓發電機和中壓配電板，在該船進行發電機和配電板功能試驗時，使用1 個4 500 kW 干式負載柜作為負載。在發電機負荷試驗時，該負載柜的實際功率達到4 000 kW 左右。試驗進展到0.5 h 左右時，負載柜三相母排和接觸器多處發生擊穿。擊穿處發黑，狀態如同經歷雷擊，負載柜內部擊穿圖如圖1所示。該干式負載柜的接觸器、斷路器等元件的最低耐壓為690 V，母排、負載電阻等大電流部件的最低耐壓為1 000 V。當時發電機電壓穩定，沒有發生高電壓報警和高電壓跳閘保護。

圖1 負載柜內部擊穿圖

2 系統說明

船上的發電機電壓是三相交流6 600 V，頻率60 Hz，通過一個6 600 V/440 V 變壓器連接到負載柜。負載柜內部通過接觸器控制各路負載接通或者斷開，來實現負載大小的調整。負載柜的負載是純電阻負載，功率因數為1。負載柜放置在船上與機艙相鄰的貨艙內。系統連接單線圖如圖2所示。

圖2 系統連接單線圖

3 絕緣擊穿的可能原因分析

一般來說，發生絕緣擊穿的原因主要是絕緣性能低，或者電壓過高。下面圍繞這2個可能原因展開分析。

3.1 絕緣性能低引起擊穿

該負載柜在前一天接線前測量過對地絕緣，絕緣值為1 MΩ 左右，能夠滿足440 V 的耐壓要求。查看機艙警報監控系統的報警記錄發現，在發電機負荷試驗過程中，發生過數次絕緣低報警。

另外，測量了船上的發電機、配電板以及負載線的絕緣值，結果顯示絕緣值均大于100 MΩ。而且脫開負載柜之后，船上自身系統的功能均正常。

因此，可以判定負載柜自身存在絕緣低問題，但單純的絕緣低擊穿不會產生雷擊狀損壞。

3.2 高電壓引起擊穿

雖然負載柜的供電電源只有440 V，但從以下現象可以判定發生過高壓擊穿：①多個接觸器、保險管三相銅排之間擊穿；②母排和箱體之間隔空擊穿；③該干式負載柜和變壓器的防雷保護電阻擊穿。

因此有必要從供給負載柜的440 V 電源之外尋找高電壓的來源，才能找到問題的根本原因。

4 高電壓的可能來源

4.1 雷擊產生的高電壓

如果在雷雨天氣，負載柜遭受雷擊，確實有可能產生多處絕緣擊穿、發黑的情況。但當時天氣晴朗，沒有打雷現象發生，且該干式負載柜及其連接電纜放置于貨艙中，即使在雷雨天氣也不可能被雷擊到。因此，可以排除雷擊造成的高電壓。

4.2 變壓器高壓側電壓加載到負載柜

本船是中壓發電機，如果6 600 V 電壓通過某個隱秘的漏電點施加到負載柜，足以擊穿負載柜的絕緣。

為了排除這個可能因素，首先測量發電機及電纜的對地絕緣，絕緣值均超過1 000 MΩ。測得變壓器高壓線圈的對地絕緣值超過1 000 MΩ；高壓線圈和低壓線圈之間的絕緣值也超過1 000 MΩ。

再觀察變壓器高壓線圈和低壓線圈的物理結構，發現十分清晰，高低壓線圈之間的絕緣紙、隔離條都完好。同時排查了6 600 V 電纜走線路徑和440 V 電纜走線路徑，兩者是完全分開的。綜合上述分析，可以排除是高壓側的電壓施加在負載柜形成的高電壓。

4.3 回路感抗和容抗產生的諧振導致高電壓

電氣回路中不可避免地存在一定的感抗和容抗，當電感和電容值恰巧使感抗和容抗相消的時候，就會產生諧振，繼而產生超過電源電壓數倍的電壓。等效電路示意圖如圖3所示。

圖3 等效電路示意圖

從變壓器廠家處獲得等效電路中的等效電感L0和等效電容值C0分別為0.015 mH、95 000 pF。由于負載柜到變壓器的臨時電纜很短，其對地電容值很小。因此，計算時總對地電容值取0.1μF。感抗XL0=jωL0=j5.68×10-3Ω，容抗XC0=1/jωC0=-j2.65×104Ω。其中j為虛數單位，等同于i；ω為交流電的角頻率。當XL0+XC0=0 時，諧振就會產生，但顯然空載時，兩者絕對值差距比較大，不會發生諧振。

當接入負載時，由于容抗較大，電流很小，所以流過電感和電阻的電流基本相等，且由于負載是純電阻，電流矢量的相位基本為0，這一點從功率因數表讀數接近1也可以看出來。因此，該情況也不會產生諧振，沒有發生諧振高電壓的可能。

4.4 間歇性接地導致高電壓

負載試驗過程中發生過數次絕緣低報警，而且是報警后自動復位的。該報警通道設有延時，所以并不是一發生對地絕緣低就馬上報警。因此，可以推斷在負荷試驗過程中應該發生過多次間歇性接地的情況，只是被報警通道的延時設置屏蔽了。

間歇性接地是導體（相線）某處與地之間形成似接觸非接觸的情況。在這種情況下，根據電壓情況，接地點可能會起弧和熄弧。

該系統是無中性線的三相對地絕緣系統，三相對地電路示意圖如圖4所示。三相和地之間的電阻很大，一般為兆歐級，對分析過程影響不大，因此沒有在圖4中畫出。

圖4 三相對地電路示意圖

在三相對地絕緣都良好的情況下，電容兩端電壓（即各相對地的電壓）即為電源的相電壓。假設相電壓為U，最大值為Umax= 2U。這種情況下不會形成類似雷擊的擊穿痕跡。

當某一相間歇性接地時，假設T 相發生接地，按時序分析各相的電壓變化，三相交流電的電壓-相位圖如圖5所示。

圖5 三相交流電的電壓-相位圖

當相位角為150°時，T相電壓為-Umax，接地點起弧。此時，R、S相和T相的電位差為+1.5Umax。

T相持續對地放電，當相位角為240°，即電壓為0時，由于電流相位角滯后90°，繼續保持放電。

直到相位角為310°、電流為0時，熄弧。因為熄弧前T 相電壓為+Umax，R、S 相電壓均為-0.5Umax，所以， 3 個電容兩端的充電電壓分別為：UC1= -1.5Umax，UC2=-1.5Umax，UC3=0。電 容C1和C2積累的電荷量都為Q=C×(-1.5Umax)，C為三相對地電路中各電容值，上極板為負電荷。熄弧后，由于三相對地絕緣，原來C1和C2積累的電荷無處泄放，平均分布到3 個對地電容上。所以，3 個對地電容上的直流分壓為UC1=UC2=UC3=-Umax。T 相上的直流分量恰好抵消了此時的工頻分量，電弧不會重新起弧。

再經過半個周期，R、S 相電壓為+0.5Umax，疊加直流分量后為-0.5Umax；T 相電壓為-Umax，疊加直流分量，結果T相對地為-2Umax。電弧可能重新起弧。這個瞬間，T 相電壓瞬間為0，而R、S 相瞬間被拉升為+1.5Umax。這個變化過程中，R、S 相最高可能產生的電壓為(+1.5Umax)+(+1.5Umax)-(-0.5Umax)=+3.5Umax[1]。

代入數值，再進一步計算得出：3.5Umax=3.5×440/1.732×1.414≈1 257 V。此時，電壓已經足夠擊穿負載柜的絕緣了。

5 原因查找

對負載柜進行調查，發現負載柜內部靠頂部的線槽底下有冷凝水存在，線槽底下冷凝水如圖6所示。

圖6 線槽底下冷凝水

由于線槽下面就是母排、保險管、接觸器等導電部件，當冷凝水滴下去時，就會破壞絕緣性能，導致導體和負載柜外殼（接地）導通。這種接通是不可靠的，報警記錄中絕緣時好時壞的現象與冷凝水隔一段時間滴下一滴的情況是吻合的。

進一步調查發現，在問題發生的前一天，該負載柜的門長時間打開過，且當時天氣濕度比較大，因此在晚上氣溫下降時形成了冷凝水。

6 后續對策

從上文的分析來看，造成本次干式負載柜擊穿的根本原因是冷凝水導致單相對地間歇接地，形成高電壓，擊穿負載柜。因此，相應的對策如下：①負載柜不用時關好門，保持密封，濕度大的時候加干燥劑；②每次使用前通風干燥，并檢查內部情況；③每次使用前測量對地絕緣，絕緣合格方能使用。采取以上管理措施之后，多條船上使用同樣的干式負載柜進行試驗，沒有再發生類似問題。有了本次經驗后，在使用其它電氣設備時也時刻注意避免間歇性接地的情況發生。

7 結束語

在三相對地絕緣的電氣系統中，經常發生濕氣造成的絕緣低故障，這種故障一般不會出現大面積的雷擊狀的現象。本文分析的案例中，負載柜由于冷凝水的作用，發生間歇性接地。由于三相對地的電容存在，電容上積累的直流電壓疊加線電壓的瞬態震蕩電壓后產生了高壓擊穿。在船舶的電氣系統中，要避免這種問題的發生，必須確保三相對地絕緣良好。