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【案例分析】开关柜、环网柜设备运行问题分析及对策

  发布日期:2016-6-22

12~40.5kV开关柜、环网柜设备是电网系统中运行数量最多的一次变电设备,近年来,开关柜、环网柜事故频发,造成了经济损失、人员伤亡等不好的社会影响。通过对在运开关柜、环网柜开展全面排查、治理,发现其事故隐患及固有缺陷主要集中在接线方式、内部电弧释放能力、内部绝缘、发热和防误闭锁等方面,通过制定针对性的对策,开关柜、环网柜事故数量大大减少,电网运行可靠性稳步提升。

引言

截止到2014年底,国家电网公司系统共计装用开关柜610097面、环网柜1199300面。其中,开关柜12kV占87.1%、24kV占1.2%、40.5kV占11.7%;开关柜中断路器柜与母线设备柜的比例约为5.7∶1,手车柜与固定柜的比例约为3.6∶1;绝大部分开关柜仍是空气绝缘,占总量的98.5%。详细数量及比例见图1。

图1 开关柜类型及数量

1、接线方式隐患

1.1隐患类型

1.1.1 TV柜内避雷器直接连接母线

根据典型设计规范要求,TV柜内避雷器须经隔离手车连接母线,而TV柜内仓位布置、接线方式多样,部分TV柜内避雷器未通过隔离手车连接至母线上,当对TV进行检修时,拉开隔离手车,避雷器仍带电,给进入仓内作业的工作人员带来触电风险。TV柜内避雷器主要有以下几种接线形式,如图2所示:

 

图2 开关柜接线方式隐患

1)接线方式一:TV柜内避雷器与TV安装于后仓,熔断器安装在手车上,避雷器直接与母线相连,TV通过隔离手车与母线相连;

2)接线方式二:TV柜内避雷器安装在母线室内,直接与母线相连,TV与熔断器安装在手车上;

3)接线方式三:TV柜内避雷器单独安装在后仓或前下仓,直接与母线相连,TV与熔断器安装在手车上。

4)接线方式四:TV与熔断器安装在XGN系列固定柜隔室内,避雷器单独安装在另一隔室,直接与母线相连;

5)接线方式五:避雷器、TV和熔断器都安装于后仓,避雷器直接与母线相连,TV通过隔离手车与母线相连;

6)接线方式六:避雷器、熔断器和TV安装于同台手车,避雷器接于熔断器后级。该布置方式属于错误接线,运行中一旦熔断器熔断,设备将失去避雷器保护。

1.1.2 开关柜下柜与后柜未完全隔离

部分KYN系列主变进线开关柜、母联开关柜、馈线开关柜等开关柜的下柜与后柜未完全隔离,工作人员进入下柜可能误碰母线或电缆头带电部位,造成触电。开关柜下柜与后柜未隔离隐患如图3所示。

图3 开关柜下柜与后柜未隔离隐患

1.2典型案例

2010年8月19日,江西某单位操作人员执行10kVI段母线电压互感器由运行转检修调令,按照工作票要求,拉出10kVI段母线设备间隔小车至检修位置,断开电压互感器二次空开,在I段母线电压互感器柜悬挂"在此工作"标示牌,在左右相邻柜门前后各挂红布幔和"止步,高压危险"警示牌,现场没有实施接地措施。电压互感器位置在开关柜后仓,操作人卸下柜后挡板,验明电压互感器确无电压,进入柜内拆除电压互感器时,触碰避雷器,发生柜内接地故障,3名操作人员触电死亡。事故现场照片及接线图如图4所示。

图4 事故现场照片及接线图

此次故障即为开关柜未按照国家电网公司典设以及设计图纸要求,将10kV母线避雷器接在间隔小车之后,而是直接接在10kV母线上,导致拉开10kV母线电压互感器隔离小车后,避雷器仍然带电,施工人员在拆除电压互感器过程中,触碰到带电的避雷器上部接线桩头,造成人员触电伤亡。

1.3

对策

对存在接线方式隐患的开关柜进行一次接线改造。开关柜接线方式改造示意图如图5所示。

图5 开关柜接线方式改造示意图

 

1.3.1 TV柜内避雷器接线方式技术改造方案

1)对于接线方式一,拆除隔室内部的避雷器,TV接线方式不变,封堵原母线室穿墙孔,将避雷器放在手车上改装成熔断器避雷器手车,且避雷器与熔断器、TV回路并联。

2)对于接线方式二,拆除母线隔室的避雷器,将避雷器移到手车上改装成熔断器和避雷器共手车,增加下触头盒安装板、触头盒挡板及活门机构,将TV安装在后仓,通过引线连接至隔离手车下触头。该方案可在原手车上实施,也可考虑更换新手车。

3)对于接线方式三,拆除原隔室的避雷器,将避雷器移到手车上改装成熔断器和避雷器共手车,封堵原母线室穿墙孔,增加手车下触头盒安装板、触头盒挡板及活门机构,将TV安装在后仓,通过引线连接至下触头上。该方案可在原手车上实施,也可考虑更换新手车。

4)对于接线方式四,拆除其它隔室内部的避雷器,把避雷器移到熔断器、TV隔室内,连接至隔离开关断口后,且与熔断器、TV回路并联。

5)对于接线方式五,避雷器,TV安装位置不变,将原避雷器引线直接连接到隔离手车下触头,封堵原母线室穿墙孔。

6)对于接线方式六,该布置方式属于错误接线,运行中一旦熔断器熔断,设备将失去避雷器保护。拆除原手车中的避雷器、熔断器,改变接线位置,使避雷器接于熔断器的上级,且与熔断器、TV回路并联。

1.3.2 开关柜下柜与后柜未完全隔离防范措施

由于此类开关柜产品结构定型,如在改造中加装隔板会改变其内部结构形式及空间分布,产品内部防护性能无法保证,因此在进入柜内作业时必须确认主变10kV侧转检修、主变开关转检修,方可进行工作。

2、内部电弧释放能力不足

2.1隐患类型

在实际运行中,金属封闭开关柜、环网柜本身有缺陷,加之运行条件恶劣导致的绝缘性能劣化或误操作等原因,都会造成内部发生电弧故障。短路产生的电弧温度高、能量大,电弧本身是质量极轻的等离子气体,在电动力和热气的作用下电弧会在柜内高速移动并造成故障范围迅速扩大。在此情况下,绝缘材料气化,金属融化,开关柜内部温度及压力骤升,如果未设计或安装合格的压力释放通道,巨大的压力会造成柜体隔板、门板、铰链、观察窗严重变形甚至断裂,电弧产生的高温气流喷出柜体,造成设备附近的运行维护人员严重灼伤,甚至危及生命安全。当前在运设备存在未设置泄压通道、泄压通道设置不合理、内部电弧释放能力未经试验验证以及试验时的考核不严格等问题。

2.2典型案例

2009年9月30日,湖北某单位进行10kV开关控制回路断线信号缺陷处理,工作票结束后,2名运行值班人员依据调度指令执行开关试送电操作时,高压室发出巨大声响,2人全身着火从高压室跑出,最终医治无效死亡。开关柜断路器操作机构底部固定螺栓因频繁震动而松动脱落,引起相间短路,由于未设置压力释放通道,高温高压气体将前柜门冲开,导致在开关柜外检查的运行人员烧伤。事故现场照片如图6所示。

图6 事故现场照片

 

2.3对策

选型:开关柜、环网柜内部故障电弧性能应为IAC级,内部电弧允许持续时间应不小于0.5s,试验电流为额定短时耐受电流。对于额定短路开断电流31.5kA以上产品可按照31.5kA进行内部故障电弧试验。

改造:加装或更改泄压通道,严格按照型式试验标准要求进行内部电弧试验验证。

保护:适当压缩主变压器各段保护级差,减少故障电弧的持续破坏时间。

3、内部绝缘问题

3.1隐患类型

近年来,开关柜、环网柜产品体积不断缩小,柜内绝缘性能发生缺陷、故障增多。主要表现在:爬距和空气间隙不够,特别是手车柜,现在很多厂家为了缩短柜体尺寸,大幅度地减小装于柜内的断路器、隔离插头的相间和对地距离,却未采取有效保证绝缘强度的措施;装配工艺不良,由于装配质量差,开关柜内的单一元件可以通过耐压试验,但组装后开关柜整体却无法通过;接点容量不足或接触不良,当接点容量不足或接触不良时,局部温度升高,绝缘性能下降,引起对地或相间闪络;凝露现象,自带加热器易损坏,无法正常工作,在开关柜内发生凝露现象,降低绝缘性能;配套附件绝缘性能差。部分制造厂为了降低成本,采用绝缘水平较低的配套附件,降低了开关柜的整体绝缘性能。

3.2典型案例

2006年11月8日,陕西某10kVI、II段母线TV二次电压大幅下降,线路电流I段保护动作,开关跳闸,重合闸动作,重合失败。现场检查发现,开关柜内避雷器上侧引线接点的三相螺杆对开关柜后门放电,避雷器、电缆头和电流互感器均严重烧损,开关柜后仓上盖被炸开。故障主要由于线路间隔存在绝缘缺陷,发生单相接地,电弧产生灼热烟气,空气电离,又由于该型式开关柜相间距离较小,绝缘强度裕度小,造成其它两相对后隔板放电,最终导致三相接地短路。事故现场照片如图7所示。

图7 事故现场照片

3.3对策

不能盲目追求开关柜、环网柜小型化,应根据工程情况、变电站内布置、运行维护和设备检修等因素综合考虑,采购合适的开关柜。

以空气或以空气/绝缘材料作为绝缘介质的设备应考虑绝缘材料的厚度、设计场强和老化问题,并要求制造厂按照标准要求进行凝露试验;对开关柜、环网柜内穿墙套管、机械活门、母排折弯处等部位,如空气绝缘净距离小于125mm(12kV)和300mm(40.5kV),应采取导体加装绝缘护套的包封措施;进出线套管、机械活门、母排拐弯处等场强较为集中的部位,应采取倒角打磨等措施,防止电场畸变;柜内母线支持瓷瓶等一些绝缘爬距不能满足防污条件的设备,喷涂RTV绝缘涂料,提升老旧设备运行的技术条件。

4、发热缺陷

4.1隐患类型

回路连接点接触不良,接触电阻增大,发热问题突出,如隔离触头接触不良;金属铠装式柜体通风口设计不合理,空气不对流,散热能力差,柜内发热问题较多;穿墙套管、电流互感器等安装结构形成电磁闭合回路从而产生涡流,造成部分隔离挡板材质发热现象严重;部分封闭开关柜内干式设备(浇注式电流互感器、浇注式电压互感器、干式变压器)选用的绕组线径不足、浇注工艺控制不严,极易发生过热损坏。

4.2典型案例

2009年7月19日,上海某站2号主变10kV段跳闸,10kVⅢ/Ⅳ段自切成功。经检查,2号主变12kV手车式隔离开关柜闸刀A相主变侧动触头与静触头接触不良,导致发热,致使2号主变12kV引线手车、开关柜上下触头盒及支持绝缘子烧损;同时,2号主变10kVⅢ段A相电流互感器由于紧邻引线A相触头盒,受热后外绝缘开裂。故障主要由于KYN4型开关柜所配手车体形较大,整体容易变形,鸭嘴式弹簧触头接触面小,易发生接触不良缺陷;该设备运行年限长达15年,部件老化,回路电阻增大,致使发热缺陷进一步恶化。

4.3对策

加强开关柜、环网柜的散热,加装送风机及引风机;结合停电机会,检查动静触头接触压力,必要时予以更换,同时更换疲劳的触头弹簧。加大柜体内部测温技术研究,应用无线测温等新技术解决测温难问题。

5、防误闭锁不完善

5.1隐患类型

大部分开关柜、环网柜都装配了防误闭锁装置,但其防误闭锁全面性、强制性并未达到要求。部分铠装式开关柜的后部上柜门为可开启方式,无防误闭锁,无双隔离挡板,打开后就可直接触及带电部位,且螺丝为普通内六角螺丝,易发生开启柜门误入带电柜内的触电事故;部分主变、母联、TV、所用变等无接地开关的开关柜,后部下柜门未与接地开关形成机械闭锁,可拆除螺丝直接打开后柜门,未关柜门的情况下也能合闸送电,易造成检修人员误开、误入带电间隔,发生人员触电事故;部分开关柜后柜门上、下两部分不能独立闭锁,上柜门依靠下柜门闭锁。当合上出线接地开关,下柜门闭锁解除,后上柜门也可打开,易造成触电事故。如KYN28型开关柜;部分开关柜手车拖出后,可以轻易的将绝缘隔离挡扳推上,没有防误闭锁,带电体暴露,工作人员易误开启开关静触头活门档板,造成触电事故。

5.2典型案例

2005年6月30日,湖南某工区进行开关柜周期性检修工作。操作过程中,10kV配电室内有大量浓烟冒出,两名操作人员均不同程度烧伤,事故后检查发现开关柜前后门都已打开,刀闸后柜门打开,隔离开关柜10kV母线、开关柜顶部、母线穿屏套管、隔离开关及支柱瓷瓶均已烧坏。故障原因为XGN9型固定式开关柜的防误功能不完善,在开关检修并且母线带电的情况下,后柜门上层失去强制闭锁,未有效防止工作人员误入带电区域。

5.3对策

针对开关柜、环网柜防误功能不完善,对于后部上柜门可开启,且打开后就可直接触及带电部位的高压开关柜加装机械挂锁,配置微机防误程序锁进行闭锁;在GG1A、XGN等开关柜上加装接地开关与后柜门的联锁,加装带电显示装置闭锁接地开关操作。定期检查防误装置可靠性,利用停电机会检查手车与接地开关,隔离开关与接地开关的机械闭锁装置。

6、结语

开关柜、环网柜设备是电网重要的一次变电设备,为保证其运行稳定,应从设计、材料、工艺、试验、选型、运维等各个环节加强管控。严格按照典型设计要求,结合国家、行业标准,提出设计技术要求,从根本上杜绝接线隐患;依据国家和行业标准、以及反事故措施,制定严要求的设备招标文件,防止不合格产品入网运行;加强驻厂监造力度,对生产关键点、出厂试验严格见证,对于不合格产品坚决不允许其出厂;积极开展开关柜缺陷治理,强化反事故措施执行;完善开关柜防误功能,加强防误闭锁装置的管理,装设带电显示装置,并与"五防"系统配合,保证防误闭锁的全面性和强制性。

作者简介

杨堃,男,硕士,中国电力科学研究院高级工程师,长期从事开关设备标准、科研、运行、维护、检修技术工作。

原标题:【故障分析】杨堃:开关柜、环网柜设备运行问题分析及对策

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