盧 旻

（江蘇省電力公司淮安供電公司，江蘇 淮安 223002）

作為電網(wǎng)中壓系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的電氣設(shè)備，手車式開關(guān)柜的運(yùn)行情況直接影響到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。據(jù)調(diào)查，在國(guó)內(nèi) 10kV手車式開關(guān)柜的爆炸事故中，絕緣擊穿是引發(fā)故障的根本原因。加之粉塵、潮濕環(huán)境運(yùn)行，使得絕緣劣化，最終形成絕緣缺陷[1-6]。

本文結(jié)合某110kV變電站10kV開關(guān)柜連續(xù)性爆炸事故，利用 ANSYS有限元仿真手段模擬正常工況環(huán)境下開關(guān)柜電場(chǎng)強(qiáng)度及電壓分布情況，在仿真數(shù)據(jù)引導(dǎo)下對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行絕緣改造，并在模擬實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行實(shí)踐中得到驗(yàn)證。

1 故障簡(jiǎn)述

5月9日16時(shí)11分05秒，10kV 261線開關(guān)柜爆炸，#1主變低后備保護(hù)動(dòng)作跳開101開關(guān)，切除10kVⅠ段母線所有負(fù)荷，二次側(cè) A、B、C三相故障電流分別為：20.17A、21.12A、20.45A，CT變比3000/5。

同日18時(shí)40分59秒，10kV 271線開關(guān)柜爆炸，#2主變低后備保護(hù)動(dòng)作跳開 102開關(guān)，切除10kVⅡ段母線所有負(fù)荷，二次側(cè) A、B、C三相故障電流分別為：20.12A、20.18A、19.96A，CT變比3000/5。

圖1為該站一次系統(tǒng)接線示意圖。110kVⅠ母、Ⅱ母并列運(yùn)行；10kVⅠ母、Ⅱ母分列運(yùn)行，#1、#2主變分供10kVⅠ、Ⅱ段母線。

圖1 一次系統(tǒng)接線示意圖

圖2為Ⅰ、Ⅱ段母線在261、271開關(guān)柜故障前后的三相電壓示意圖。

圖2 Ⅰ、Ⅱ段母線三相電壓示意圖

經(jīng)檢查，10kV 261、271線路保護(hù)測(cè)控裝置及#1、#2主變保護(hù)裝置無(wú)異常，二次回路接線正確，定值及壓板投退正確，故障前各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)正常，無(wú)任何檢修工作。

2 故障現(xiàn)場(chǎng)檢查

現(xiàn)場(chǎng)解體發(fā)現(xiàn)261開關(guān)柜斷路器嚴(yán)重?fù)p壞，拉出手車時(shí)斷路器滅弧室已與本體分離，如圖3所示。271開關(guān)柜母線后隔板被電弧灼熔呈洞狀，金屬中隔板下部存有電弧灼燒跡象，如圖4所示。

圖3 261開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 271開關(guān)柜現(xiàn)場(chǎng)圖

對(duì)多個(gè)未爆炸間隔進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)引發(fā)故障的共性產(chǎn)品缺陷，如圖5、圖6所示。從圖5中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)距離來(lái)看金屬中隔板到母?jìng)?cè)觸頭盒表面的距離大于100mm，而電纜側(cè)觸頭盒表面到金屬中隔板的空氣凈距離小于40mm。

圖5 上、下靜觸頭盒與金屬中隔板間距

由于電場(chǎng)強(qiáng)度分布與空氣間距存有直接關(guān)系，從而導(dǎo)致金屬中隔板兩側(cè)的空氣中場(chǎng)強(qiáng)有明顯差異，預(yù)判這就是連續(xù)爆炸事故的根本原因。

3 ANSYS仿真實(shí)驗(yàn)

為了證明證金屬中隔板安裝結(jié)構(gòu)造成的隱患，根據(jù)開關(guān)柜實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行 ANSYS有限元仿真建模分析。仿真模型如圖6所示。為了仿真精度較高，對(duì)仿真模型進(jìn)行了精細(xì)的剖分。圖7是仿真模型的邊界條件，邊界條件必須按照實(shí)際運(yùn)行的情況進(jìn)行設(shè)定，否則容易直接導(dǎo)致仿真結(jié)果失真。圖 8和圖9分別是仿真區(qū)域內(nèi)電勢(shì)與電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。

圖6 電場(chǎng)分布仿真模型示意圖

圖7 仿真模型邊界條件

圖8 仿真模型電壓分布圖

圖9 關(guān)鍵部位電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

從圖9中可見，出線側(cè)觸頭盒與金屬中隔板所夾區(qū)域內(nèi)的空氣電場(chǎng)強(qiáng)度與觸頭盒內(nèi)部空氣中的電場(chǎng)強(qiáng)度較大。

圖10 與仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)的實(shí)物放電圖片

由于觸臂上表面到金屬中隔板的空氣距離較小，導(dǎo)致場(chǎng)強(qiáng)較大，在粉塵、水分等因素促發(fā)下引起局部放電，最終導(dǎo)致拉弧而燒蝕電場(chǎng)集中處，如10圖所示，這種放電現(xiàn)象與圖9中仿真結(jié)果具有良好的一致性。

圖11 觸頭盒上側(cè)電弧灼傷痕跡

觸頭盒上內(nèi)壁黑色放電痕跡都與 ANSYS仿真結(jié)果具有良好的對(duì)應(yīng)性。從而證明了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部電場(chǎng)分布影響的重要性，也從原理上驗(yàn)證了前期分析的預(yù)判。

4 事故要因及絕緣改造

通過(guò)對(duì)爆炸開關(guān)柜故障痕跡以及未發(fā)生故障開關(guān)柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)勘查，及對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行了電場(chǎng)強(qiáng)度ANSYS仿真分析。

261、271開關(guān)柜因下觸頭盒、動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿端部電場(chǎng)強(qiáng)度較大，形成局部放電現(xiàn)象，長(zhǎng)時(shí)間的局放發(fā)熱最終致使觸頭盒及周邊絕緣失效，加之污穢粉塵、連續(xù)陰雨濕度上升形成絕緣組件絕緣性能下降，從而三相絕緣擊穿，引發(fā)三相短路事故。

針對(duì)結(jié)構(gòu)上的缺陷，為改善電纜出線側(cè)觸頭盒與金屬中隔板之間電場(chǎng)分布，采用加裝SMC絕緣板的辦法進(jìn)行改善，改造情況如圖12所示。絕緣板與金屬板之間的固定采用尼龍絕緣螺絲，避免金屬螺桿帶來(lái)的金屬尖端放電效應(yīng)。

對(duì)比圖9、圖13中電場(chǎng)分布可以看出，在金屬中隔板表面加裝絕緣板之后明顯改善了關(guān)鍵部位的電場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)降低絕緣失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 金屬中隔板下部加裝絕緣板

圖13 絕緣改造后電場(chǎng)分布圖

5 結(jié)論

針對(duì)同一站點(diǎn)連續(xù)兩起開關(guān)柜爆炸事故，通過(guò)ANSYS進(jìn)行仿真模擬，查明故障原因，對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行相應(yīng)絕緣改造，并通過(guò)仿真與實(shí)踐證明了改造的有效性。

作為粉塵污染、絕緣件表面凝露等間接因素也是促使本次絕緣失效的主要原因。層積在絕緣件表面的污穢在電壓的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷，形成懸浮電位；而濕度過(guò)大是導(dǎo)致絕緣件絕緣能力下降的重要因素，在絕緣能力的下降過(guò)程中，發(fā)生局部放電，從而加速了絕緣失效速度。因此開關(guān)柜防塵、防污、防潮也是以后絕緣防護(hù)研究的重點(diǎn)方向。

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