王模強(qiáng)

（山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司,山西太原 030200）

關(guān)于KYN28A-12高壓開關(guān)電源柜故障分析及改進(jìn)

王模強(qiáng)

（山西興能發(fā)電有限責(zé)任公司,山西太原 030200）

KYN 28A-12鎧裝型移開式交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱開關(guān)柜）系三相交流50Hz的戶內(nèi)成套配電裝置，用于接受和分配3.6～12 kV的網(wǎng)絡(luò)電能并對(duì)電路實(shí)行控制保護(hù)及監(jiān)測(cè)。某電廠運(yùn)行的開關(guān)柜故障率很低，維護(hù)工作量也很少，基本免維護(hù)。在分析處理一起電源開關(guān)柜故障時(shí)，發(fā)現(xiàn)很多問題，探討了該問題發(fā)生的原因及改進(jìn)辦法。

KYN 28A-12開關(guān)柜；網(wǎng)絡(luò)電能；斷路器

目前KYN28A-12應(yīng)用非常廣泛，該開關(guān)柜能滿足GB3906、DL404、IEC298等標(biāo)準(zhǔn)要求，并具有防止誤操作斷路器，防止帶負(fù)荷推拉手車，防止帶電關(guān)合接地開關(guān)，防止接地開關(guān)在接地位置送電和防止誤入帶電間隔，即簡(jiǎn)稱的“五防功能”。在古交電廠運(yùn)行的這種型號(hào)開關(guān)柜有300多臺(tái)，主要配置VD4真空斷路器。在古交電廠運(yùn)行的開關(guān)柜故障率很低，維護(hù)工作量也很少，基本免維護(hù)。最近發(fā)生了一起電源開關(guān)柜故障，在分析處理故障時(shí)，發(fā)現(xiàn)很多問題。本文主要是探討該問題發(fā)生的原因及改進(jìn)辦法。

1 故障情況及分析

1.1 發(fā)生故障開關(guān)柜及開關(guān)規(guī)范

1.1.1 開關(guān)柜

型號(hào)，KYN28A-12； 額定電壓，12 kV；額定電流，4 000 A； 防護(hù)等級(jí)，IP4X；制造日期，2014年6月；制造廠，江蘇億能電氣有限公司。

1.1.2 真空斷路器

型號(hào)，ABB VD4 1250-50M； 電壓，12 kV；電流，4 000 A；出廠年份，2014年；制造廠，廈門ABB有限責(zé)任公司。

1.2 故障情況

在2015年6月9日，古交電廠1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)中，1號(hào)給水泵啟動(dòng)上水時(shí)，3號(hào)啟備變因?yàn)榈蛪? kV側(cè)A分支短路故障，跳開3號(hào)啟備變高壓側(cè)開關(guān)。就地檢查開關(guān)柜，情況如下。

首先看到開關(guān)柜保護(hù)室內(nèi)部電纜著火后損壞嚴(yán)重，保護(hù)裝置損壞，內(nèi)部嚴(yán)重污染；開關(guān)柜頂?shù)拈_關(guān)風(fēng)煙蓋板頂走，母線室蓋板也頂離（母線未見明顯污染）；打開開關(guān)室的柜門，發(fā)現(xiàn)真空斷路器左上部明顯過熱燒損。拉出真空斷路器后檢查，真空斷路器絕緣部分污染嚴(yán)重，觸頭燒損，其中有些開關(guān)動(dòng)觸頭觸指已經(jīng)完全燒掉，彈簧脫落；滅弧室導(dǎo)電部分上部散熱器電弧燒傷嚴(yán)重，發(fā)生塌陷。

開關(guān)柜開關(guān)室觸頭處的門簾機(jī)構(gòu)損壞嚴(yán)重，靜觸頭過熱嚴(yán)重，拆出后檢查，和動(dòng)觸頭接觸部分有電弧燒傷。

間隔內(nèi)右側(cè)上部靠邊柜頂部有一直徑13 cm左右的故障孔洞，距該孔洞17 cm處是一個(gè)直徑19 cm的故障孔洞；再過19 cm，是一個(gè)直徑20 cm的故障孔洞。左側(cè)邊柜有一直徑超過22 cm的故障孔洞，該故障孔洞上部頂?shù)焦耥敚虏课挥?1.5 cm高度的位置。在開關(guān)柜左側(cè)有一直徑不小于6 cm的故障孔洞，其下部位置在高度76 cm的位置。開關(guān)間隔柜前上堵板左側(cè)，從左柜最邊開始有一長(zhǎng)度超過12 cm的故障孔洞，在過21 cm左右，有一長(zhǎng)12 cm的、最寬處3 cm的故障孔洞。該柜板長(zhǎng)約98 cm，寬為（7+5）cm（7 cm為垂直板，5 cm為經(jīng)過120°折彎后的傾斜板）。

1.3 原因分析

本次開關(guān)柜故障發(fā)生位置在斷路器室，保護(hù)室是由于斷路器室發(fā)生短路燒穿隔板起火損傷。從斷路器動(dòng)靜觸頭損壞情況來看，明顯動(dòng)靜觸頭接觸不到位。動(dòng)觸頭明顯壓接在靜觸頭導(dǎo)向斜面，未進(jìn)入到水平結(jié)合面位置。從斷路器室放電短路情況來看，斷路器極柱上部散熱器A、B、C三相分別對(duì)上部、側(cè)部放電并發(fā)生短路。從故障放電路徑及距離來看，斷路器散熱器對(duì)上部放電短路的路徑均大于170 mm，對(duì)側(cè)面放電距離110 mm。由于斷路器AB、BC相極柱散熱器之間最小距離為85 mm（距離雖小，但未檢查到放電痕跡），可以認(rèn)為開關(guān)上部空氣的絕緣性發(fā)生明顯下降，擊穿電壓大幅下降。從開關(guān)柜結(jié)構(gòu)來看，開關(guān)柜由保護(hù)室、開關(guān)室、母線室等相互隔離的部分組成。每個(gè)室的上部均有煙氣通道，而開關(guān)室存在設(shè)備（斷路器）占用空間很大，通往上部煙氣蓋板的空間很小，如開關(guān)電氣部分出現(xiàn)溫度升高情況，散熱器上部將集聚溫度越來越高的高溫空氣，其結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 開關(guān)柜結(jié)構(gòu)圖

1.4 理論分析

電介質(zhì)理論研究和實(shí)際應(yīng)用證明：空氣的絕緣性隨溫度變化而變化，空氣的絕緣電阻是隨溫度的升高而下降的。其原因一是溫度身高后加速了空氣內(nèi)部的電子和離子的熱運(yùn)動(dòng)；二是在低溫條件下，空氣中的水分是與空氣緊密結(jié)合的，當(dāng)溫度升高后，水分子就向電磁場(chǎng)兩級(jí)延伸，因而增加了絕緣介質(zhì)的電導(dǎo)性能，故絕緣性指數(shù)下降。由于絕緣介質(zhì)在材質(zhì)結(jié)構(gòu)等總的變化沒有一定的規(guī)律，目前尚無一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于空氣絕緣性與溫度之間的換算公式。

根據(jù)巴申定律，得到以下公式。

a）當(dāng)氣體成分和電極材料一定時(shí)，氣體間隙擊穿電壓Ud是氣壓P和極間距離d乘積的函數(shù)。

b）當(dāng)溫度變化時(shí)，氣體間隙擊穿電壓Ud＇是氣體密度δ和極間距離d乘積的函數(shù)。

其中式（2）中δ指氣體的相對(duì)密度，即氣體密度與標(biāo)準(zhǔn)大氣條件 (Ps=101.3 kPa，Ts=293 K)下密度之比，即

式（3） 中，P指擊穿時(shí)氣壓，kPa；T指擊穿時(shí)溫度，K。

開關(guān)柜中間隙長(zhǎng)度d=170 mm為常數(shù)，由式（2）可以看出，在很大范圍內(nèi)，擊穿電壓Ud＇可以看做是空氣密度δ的增函數(shù)，即當(dāng)溫度T增加時(shí)，空氣密度δ減小，隨之擊穿電壓Ud＇減少。

本次故障是由于觸頭嚴(yán)重過熱引起。觸頭嚴(yán)重過熱不僅造成附近絕緣材料高溫?fù)p壞、分解，產(chǎn)生導(dǎo)電顆粒擴(kuò)散到空氣中，也傳到到真空開關(guān)中。對(duì)于極柱固封且?guī)崞鞯恼婵臻_關(guān)，高溫也造成固體絕緣材料分解產(chǎn)生導(dǎo)電顆粒，散發(fā)在空氣中，造成空氣絕緣下降，這是本次開關(guān)放電故障的主因。

開關(guān)柜絕緣材料一般采用環(huán)氧樹脂，而真空開關(guān)固封極柱一般是內(nèi)襯硅橡膠，外封環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)，一般工作電流2 000 A以上的真空開關(guān)極柱上部加裝散熱器。電力系統(tǒng)中使用酚醛環(huán)氧樹脂較多，使用溫度-40～+240℃，分子結(jié)構(gòu)為(C11H12O3)n，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如下。

由分子式可以看出，環(huán)氧樹脂主要是碳?xì)浣Y(jié)構(gòu)，高溫分解物有具有一定導(dǎo)電性能的物質(zhì)，這些物體擴(kuò)散到空氣將造成空氣絕緣下降。

總結(jié)以上兩種情況，開關(guān)柜斷路器室觸頭接觸不到位而產(chǎn)生過熱。斷路器散熱器運(yùn)行中加熱上部的空氣，該部位的空氣隨著觸頭溫度的升高和運(yùn)行時(shí)間越來越熱，形成上部空氣絕緣下降。同時(shí)，溫度升高也造成開關(guān)柜觸頭部位的絕緣體裂化，產(chǎn)生具有一定導(dǎo)電性能物質(zhì)散發(fā)，同時(shí)該熱量傳導(dǎo)到真空開關(guān)導(dǎo)體，固封極柱絕緣材料也過熱裂化，產(chǎn)生具有一定導(dǎo)電性能的物質(zhì)。該物質(zhì)順著散發(fā)出來的熱空氣向上散發(fā)，真空開關(guān)固封極柱上部扇熱器和上部的開關(guān)柜金屬構(gòu)件絕緣水平出現(xiàn)較大幅度的下降。而且，由于1號(hào)機(jī)組給水泵啟動(dòng)產(chǎn)生合閘過電壓（國(guó)內(nèi)外資料顯示合閘過電壓最高可達(dá)到3.8倍），而此時(shí)系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)即故障開關(guān)柜開關(guān)室斷路器散熱器和上部柜板放電擊穿產(chǎn)生弧光接地?；」饨拥爻掷m(xù)發(fā)展為相間短路，直到高壓側(cè)的分支過流保護(hù)動(dòng)作切斷高壓側(cè)斷路器。

3 解決辦法及措施

a）由于本次開關(guān)柜故障是由于開關(guān)柜開關(guān)室動(dòng)靜觸頭接觸不到位產(chǎn)生觸頭過熱，所以，首先解決開關(guān)觸頭不到位問題?，F(xiàn)對(duì)開關(guān)進(jìn)行改造，接觸部分增加10～15 mm，并對(duì)開關(guān)合閘后回路接觸電阻測(cè)量良好。

b)對(duì)于類似ABB公司的VD4 1250-50M這種極柱上部加裝有散熱器的斷路器，開關(guān)柜的開關(guān)室上部將風(fēng)煙擋板加裝冷卻風(fēng)扇，用冷卻風(fēng)扇將斷路器極柱散熱器上部的熱空氣及時(shí)抽走。

c)根據(jù)《交流高壓電器在長(zhǎng)期工作時(shí)的發(fā)熱》 （GB 763—2001）規(guī)定，觸頭在空氣中最高運(yùn)行溫度75℃，最高溫升35℃。可是KYN28A-12鎧裝開關(guān)柜運(yùn)行中無法檢查柜內(nèi)情況。由于技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)有開關(guān)柜內(nèi)部加裝測(cè)溫探頭的技術(shù)，可以考慮采用。這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并在未發(fā)生故障前消除。另外也建議在開關(guān)室風(fēng)道加裝測(cè)溫裝置，監(jiān)視風(fēng)溫。

d)在檢修中，根據(jù)情況進(jìn)行對(duì)開關(guān)柜真空開關(guān)聯(lián)通觸頭的回路電阻測(cè)試，重點(diǎn)檢測(cè)觸頭接觸情況。

4 結(jié)語

a）KYN28A-12開關(guān)柜是一種制造精度要求非常高的開關(guān)柜，目前，古交電廠3號(hào)啟備變配備的開關(guān)柜制造精度未達(dá)到相應(yīng)的要求。

b）對(duì)于KYN28A-12開關(guān)柜配備帶有極柱散熱器的VD4 1250-50M真空斷路器這種配置，設(shè)計(jì)上未認(rèn)真考慮配置上存在的問題（如散熱問題、極柱上部空間問題等）。

c）對(duì)于新安裝開關(guān)柜（特別是大電流的電源柜），必須檢查開關(guān)進(jìn)車后，動(dòng)靜觸頭結(jié)合情況（如在動(dòng)觸頭上抹紅單粉，進(jìn)車后將開關(guān)在拉出，檢查靜觸頭紅單粉達(dá)到的位置等），如發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)進(jìn)行處理。

d）新安裝開關(guān)柜必須進(jìn)行開關(guān)聯(lián)通觸頭的回路電阻測(cè)試，重點(diǎn)檢測(cè)觸頭接觸情況。

Fault Analysis and Im provement of KYN28A-12 High-voltage Sw itchgear

WANG Moqiang

（Shanxi Xingneng Power Generation Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030200,China)

Metalclad removable ACmetal-enclosed switchgear is indoor power distribution device,which acts on receiving and distributing 3.6～12 kV network power quality,and realizing control protection and monitoring.In the past,the fault rates of switchgear operated in Gujiao power plantwas very low and lessmaintenance is needed,while recently,a switchgear fault occurred.In view of the fault,analysiswasdone and problemswere identified.Finally,measures for improvementwere put forward correspondingly.

KYN28A-12 switchgear;network powerquality;circuitbreaker

TM591

B

1671-0320（2016）05-0046-03

2016-05-17，

2016-08-15

王模強(qiáng)（1990），男，山西平遙人，2013年畢業(yè)于長(zhǎng)春理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化系，從事繼電保護(hù)檢修維護(hù)改造等工作。