文 | 靳現(xiàn)林，雷啟龍，周建國

風(fēng)電場35kV開關(guān)柜典型故障與防范措施

文 | 靳現(xiàn)林，雷啟龍，周建國

35kV開關(guān)柜是風(fēng)電場的重要設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、噪聲小等特點(diǎn)，但風(fēng)電場在設(shè)備選型、安裝和運(yùn)行過程中，受低價中標(biāo)、工藝不規(guī)范、運(yùn)維不到位等的影響，相關(guān)設(shè)備質(zhì)量常常得不到有效保證。在某些風(fēng)電場，其優(yōu)點(diǎn)不僅不能體現(xiàn)，反而成為故障頻發(fā)的主設(shè)備之一。35kV開關(guān)柜故障常常給風(fēng)電場帶來重大損失，影響惡劣。本文在分析多起典型故障的基礎(chǔ)上，對故障暴露的缺陷進(jìn)行了分類整理，指出在空氣絕緣距離檢測、輔助絕緣設(shè)置、工程驗(yàn)收和運(yùn)行管理等方面的工作重點(diǎn)。此外，本文還介紹了針對上述缺陷的整改方案。相關(guān)風(fēng)電場改造后開關(guān)柜的穩(wěn)定運(yùn)行證明這些措施和方案是可行和有效的。

圖1 故障后的電纜室

35kV開關(guān)柜典型故障

一、電纜室銅排相間短路

運(yùn)行中，某風(fēng)電場#2主變保護(hù)A柜縱聯(lián)差動保護(hù)動作，35kV母線差動保護(hù)動作，#2主變高壓側(cè)202開關(guān)、低壓側(cè)302開關(guān)跳閘。故障后檢查發(fā)現(xiàn)302開關(guān)柜有少量煙霧冒出，且后柜門被崩開。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)302開關(guān)下口與主變低壓側(cè)進(jìn)線CT之間的銅排發(fā)生了三相短路。該型開關(guān)柜在CT進(jìn)線銅排的相與相之間增設(shè)了輔助絕緣，設(shè)置的方式是在A、B相和B、C相之間增添豎向布置的SMC絕緣板；同時，為固定絕緣板，在垂直于絕緣板的方向安裝了一根橫截面為矩形的貫穿水平梁。水平梁的材質(zhì)是SMC，絕緣板通過直角絕緣件和塑料螺栓固定在水平梁上。故障中，距離短路點(diǎn)較近的絕緣隔板及水平支撐梁、CT及開關(guān)下口觸頭盒均被嚴(yán)重?zé)齻▓D1）。在圖1中輔助絕緣板已拆除，水平支撐梁未拆除。

通過查看故障波形文件和勘察故障設(shè)備，最終確定故障主要是由于輔助絕緣設(shè)置不合理，引發(fā)相間短路造成的。絕緣板在設(shè)計和安裝上存在以下缺陷：

（一）用于絕緣的SMC板，每塊均由2塊小板拼接而成，拼接采用打孔并螺栓連接的方式。這種方式的缺陷是，絕緣板打孔處積塵受潮后容易發(fā)生擊穿短路。

（二）貫穿的水平絕緣支撐梁為矩形，其上部水平面與裸導(dǎo)體之間的空氣絕緣凈距較?。s120mm），水平斷面在積灰后容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象，為發(fā)生短路創(chuàng)造了條件。

（三）絕緣板安裝采用現(xiàn)場切割加工的方式，切割形成的斷面未做清潔和保護(hù)處理，松散和吸潮導(dǎo)致性能嚴(yán)重下降。

二、柜內(nèi)母排對柜體放電

運(yùn)行中，某風(fēng)電場#8集電線328開關(guān)柜母線室內(nèi)發(fā)生短路故障。故障起始為C相接地，200ms后發(fā)展為三相短路；發(fā)生三相短路0.7s后主變低壓側(cè)后備保護(hù)動作，主變低壓側(cè)301開關(guān)斷開，故障被切除。故障造成35kVⅡ段母線停運(yùn)近兩天，損失嚴(yán)重。故障的直接原因是該開關(guān)柜母線室內(nèi)三相母排對柜體的距離過小，不滿足國家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中規(guī)定的最小距離（300mm），引起母線對開關(guān)柜柜體放電，導(dǎo)致故障發(fā)生。

發(fā)生故障的風(fēng)電場35kV系統(tǒng)中性點(diǎn)為接地變加小電阻型式，電阻10s耐受電流400A。在單相接地發(fā)生后，柜內(nèi)電弧容易穩(wěn)定燃燒，使單相故障迅速發(fā)展為相間故障。故障錄波數(shù)據(jù)顯示，在單相接地故障發(fā)生后，未及接地變零序保護(hù)動作，故障就直接發(fā)展為三相短路。由于該風(fēng)電場35kV母線保護(hù)尚未投入，最終由主變低壓側(cè)后備保護(hù)將故障切除。

本次故障暴露的缺陷主要有：

（一）為提高絕緣能力，該型開關(guān)柜在母線室內(nèi)安裝了水平布置的絕緣板，但絕緣板的安裝細(xì)節(jié)處理不夠規(guī)范。絕緣板與裸露帶電體之間的距離過?。ú蛔?0mm），而且絕緣板為水平布置，極易積灰，從而導(dǎo)致放電。故障后，現(xiàn)場排查時發(fā)現(xiàn)無故障開關(guān)柜內(nèi)積灰嚴(yán)重（圖2）；故障開關(guān)柜內(nèi)拆下的絕緣板有多處放電痕跡（圖3）。

（二）母排連接處的絕緣包盒安裝不規(guī)范。母排相與相之間包盒的開口方向正對，其加強(qiáng)輔助絕緣的作用被嚴(yán)重削弱；有些包盒的開口方向直接朝向柜體邊角等易發(fā)生尖端放電的位置，而包盒開口只是通過幾個暗扣閉合，存在內(nèi)外貫穿的氣隙，無法起到彌補(bǔ)空氣絕緣距離不足的作用。這些缺陷大大降低了包盒的使用效果，使之形同虛設(shè)。

（三）過高估計了包盒和熱縮套母排的絕緣能力，把輔助絕緣等同于絕緣件看待，未在輔助絕緣板和母排 熱縮套之間保留足夠的安全距離，導(dǎo) 致發(fā)生放電現(xiàn)象（圖4），在潮濕或鹽 霧天氣下，放電尤其嚴(yán)重。

圖2 母線室水平絕緣板積灰嚴(yán)重

圖3 絕緣板上放電痕跡

圖4 母線室放電點(diǎn)

（四）開關(guān)柜內(nèi)部空間利用不合理。該開關(guān)柜為標(biāo)準(zhǔn)1.4米柜體，但內(nèi)部空間劃分不合理，母線室整體偏小，加上母排規(guī)格較大，導(dǎo)致母排與柜體之間的空氣絕緣距離最小在275mm左右，而且距離偏小的點(diǎn)一般在母排螺栓、母排邊緣和柜體邊角、螺栓頂部之間，這些位置極易發(fā)生尖端放電。

圖5 故障后母線室

圖6 穿箱套管及屏蔽線

圖7 電暈放電

三、穿箱套管擊穿

某風(fēng)電場#2接地變332開關(guān)柜內(nèi)1只C相穿墻套管損壞，發(fā)生單相接地，持續(xù)6s后引發(fā)母線室內(nèi)相間短路，故障最后由35kV母線差動保護(hù)動作切除，造成#2主變和所帶風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)46小時，損失電量56萬千瓦時。事后檢查，確認(rèn)故障的直接原因是C相套管擊穿，之后發(fā)展為AC相短路（圖5）。

該風(fēng)電場35kV系統(tǒng)中性點(diǎn)為接地變加消弧線圈的型式，發(fā)生單相接地后，可以通過消弧線圈的投入降低故障點(diǎn)電流，使風(fēng)電場繼續(xù)運(yùn)行一段時間，為緊急處理故障贏得時間。而此次故障在短時間內(nèi)發(fā)展為三相短路的原因是非故障相電壓升高后，因母排對柜體的距離偏小，引起母線對柜體放電而直接發(fā)展為三相故障。

故障暴露的缺陷與第二部分所述故障暴露缺陷基本相同。除此以外，穿箱套管屏蔽線（圖6）未與母排連接是引起故障的主要原因。

四、斷路器靜觸頭放電

正常運(yùn)行中，巡視發(fā)現(xiàn)35kV配電室內(nèi)PT柜有明顯放電聲響，且聲音異常，偶爾有連續(xù)的吱吱聲。緊急停電后檢查PT柜，發(fā)現(xiàn)B、C相靜觸頭盒處有明顯的放電點(diǎn)。拆下觸頭盒后進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)因潮氣和鹽霧比較大，在觸頭盒內(nèi)部有多處生長有白色須發(fā)狀物質(zhì)。通過上述現(xiàn)象判斷此次放電主要是濕度較大造成觸頭盒絕緣性能下降導(dǎo)致。更換新觸頭盒后，放電聲音未立即消除，運(yùn)行一段時間后減弱直至消失。究其原因，主要是停電檢修期間，母線室濕度增大，運(yùn)行一段時間后導(dǎo)體發(fā)熱，相對濕度下降，放電聲音才最終消除。

此次缺陷暴露了開關(guān)柜的一個設(shè)計問題。開關(guān)柜的頂蓋板處只有網(wǎng)狀格柵，極易進(jìn)入灰塵，對長期運(yùn)行不利。整改措施是在頂蓋板處另覆一塊實(shí)心鋁板，以提高柜體的防護(hù)能力。

五、進(jìn)線電纜與過壓保護(hù)器產(chǎn)生表面電暈

風(fēng)電場運(yùn)行人員在進(jìn)行例行夜間巡視時發(fā)現(xiàn)無功補(bǔ)償裝置311開關(guān)柜后有電暈現(xiàn)象。經(jīng)檢查確認(rèn)，電暈發(fā)生位置在C相進(jìn)線電纜三指套位置與B相過電壓保護(hù)器之間，其產(chǎn)生原因主要是由于C相電纜與B相過電壓保護(hù)器距離較近造成的表面電暈?，F(xiàn)場采用在C相電纜處加裝35kV絕緣護(hù)套的方式臨時處理，電暈現(xiàn)象得以消除（圖7）。

除此以外，在例行安全檢查和驗(yàn)收中，曾多次發(fā)現(xiàn)避雷器或過壓保護(hù)器的接引線因固定不牢固或固定位置不對導(dǎo)致相間距離過近的缺陷。該類缺陷如不及時消除，在運(yùn)行中極易因過壓或長期放電等因素導(dǎo)致短路的發(fā)生。

缺陷整改與防范措施

針對上述故障暴露的各類缺陷，制訂了以下幾方面的缺陷整改方案和防范措施：

一、空氣絕緣距離

根據(jù)D L/T404-2007《3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》（以下簡稱為DL/T 404-2007），純以空氣作為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)和控制設(shè)備，相間和相對地的最小空氣間隙規(guī)定如下：相間和相對地不小于300mm，帶電體至門不小于330mm；當(dāng)使用地點(diǎn)海拔超過1000m，則每增加100m，空氣絕緣凈距增加1%。

對空氣絕緣距離不足這一類缺陷的防范，重點(diǎn)在設(shè)計制造和出廠驗(yàn)收環(huán)節(jié)，必須確保柜內(nèi)各相間和相對地的距離滿足上述要求。在測量和驗(yàn)收的過程中，尤其要注意導(dǎo)體端部和柜體螺絲端部、角鐵外沿等薄弱環(huán)節(jié)之間的距離。

對已經(jīng)運(yùn)行的不滿足空氣絕緣距離的設(shè)備，可通過設(shè)置輔助絕緣的方式解決。對不滿足要求而又不宜設(shè)置輔助絕緣的母線室，采取如下處理措施：（1）將各風(fēng)電場原開關(guān)柜內(nèi)所有母線上使用的35kV絕緣熱縮套管更換為瑞侃（BBIT max 36kV）絕緣熱縮套管；（2）母排搭接處（含緊固螺拴），拆除原有的35kV絕緣包盒，改用瑞侃熱縮膠帶（型號HVBT，單層耐壓17.5kV），手工纏三層后用噴燈對其加熱縮緊；（3）將母線銅排的剪切面打磨成圓角并去除毛邊。

二、輔助絕緣設(shè)置要求

從前文提及的幾次典型故障可以看出，輔助絕緣的設(shè)置不當(dāng)也是引發(fā)開關(guān)柜故障的主要因素。對40.5kV開關(guān)柜，DL/T 404-2007中規(guī)定：以空氣和絕緣板組成的復(fù)合絕緣作為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，帶電體與絕緣板之間的最小空氣間隙應(yīng)不小于60mm。結(jié)合故障的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對運(yùn)行條件比較惡劣的風(fēng)電場，尤其灰塵、濕度、鹽霧等比較嚴(yán)重的地區(qū)，針對輔助絕緣的設(shè)置，在缺陷整改的過程中重點(diǎn)明確了以下幾項(xiàng)要求：

（一）柜中絕緣板水平支撐架必須與導(dǎo)體包括有絕緣熱縮套的導(dǎo)體保持不小于300mm的空氣凈距，并滿足當(dāng)?shù)睾０我蟆?/p>

（二）對開關(guān)柜母線室和電纜室絕緣隔板的整改要求：將厚度為5mm的SMC 35kV絕緣隔板更換為8mm；取消水平布置的絕緣隔板；將貫穿ABC三相的水平支撐橫梁取消，直接從柜體上制作支架固定絕緣隔板；開關(guān)柜母線室內(nèi)空氣絕緣凈距不足300mm的，使用8mm厚的SMC絕緣隔板加強(qiáng)絕緣。

（三）原絕緣隔板采用兩塊拼接形式的，統(tǒng)一改為使用整塊絕緣板。

（四）所有的絕緣隔板均加工成圓角，并在切割面上浸漬H級絕緣漆（型號為ET-90N的改性耐熱不飽和聚酯樹脂），以防吸潮。

35kV開關(guān)柜內(nèi)均不同程度地存在輔助絕緣措施，為防止SMC絕緣板積塵受潮，引起爬電擊穿。在采購和驗(yàn)收環(huán)節(jié)，為防范缺陷的產(chǎn)生，還應(yīng)明確如下技術(shù)要求：

（一）豎立布置的絕緣板與裸導(dǎo)體空氣絕緣凈距應(yīng)大于60mm。

（二）絕緣板水平面與裸導(dǎo)體之間要有不小于300mm空氣絕緣凈距。

（三）固定絕緣板的SMC絕緣橫梁，與裸導(dǎo)體之間要有不小于300mm空氣絕緣凈距。如不能滿足300mm要求，需改為其他固定方式，例如在絕緣板上下部做固定支架。

（四）應(yīng)采用整張絕緣板。如采用兩塊絕緣板拼接，則與裸導(dǎo)體小于300mm范圍內(nèi)不得有接縫、螺栓孔、水平斷面等不利情況。

（五）不應(yīng)在裸導(dǎo)體下方及兩側(cè)小于300mm范圍內(nèi)布置水平或傾斜的絕緣板。

（六）絕緣板厚度應(yīng)滿足機(jī)械強(qiáng)度要求，一般不小于5mm。

三、其他要求

針對35kV開關(guān)柜故障暴露的問題，在其驗(yàn)收和運(yùn)行環(huán)節(jié)，還應(yīng)做好以下幾方面的檢查：

（一）關(guān)注接地刀閘軟銅線的固定限位方式及所用材料的耐用性，其限位方式和材質(zhì)不因接地刀閘的拉合而受到影響；接地刀閘在斷開后，軟銅線與帶電體應(yīng)有不小于300mm空氣絕緣凈距。

（二）手車開關(guān)室的上下靜觸頭插口活動擋板應(yīng)避免使用金屬材料，推薦使用滿足機(jī)械強(qiáng)度要求的SMC絕緣板，其目的主要是避免因金屬活動擋板與手車開關(guān)觸頭絕緣臂之間的局部放電引發(fā)故障。

（三）絕緣包盒安裝要規(guī)范，不同相包盒的開口方向應(yīng)朝向同一側(cè)，不能正對，并且不宜直接朝向螺栓、角鐵邊角等位置。

（四）避雷器接線固定要牢固，與絕緣擋板的距離不應(yīng)小于60mm，與其他相也需要保持足夠的安全距離。

（五）有條件的風(fēng)電場宜安裝除濕機(jī)，改善運(yùn)行環(huán)境。

（六）穿箱套管屏蔽線必須與母排可靠連接。

結(jié)語

35kV開關(guān)柜是風(fēng)電場的重要設(shè)備，為防范故障的發(fā)生，在制造和驗(yàn)收環(huán)節(jié)應(yīng)重點(diǎn)從空氣絕緣距離測量、輔助絕緣設(shè)置、活動部件各工作位安全距離是否滿足要求等易發(fā)生故障的位置進(jìn)行重點(diǎn)檢查。同時，還應(yīng)根據(jù)國家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》的相關(guān)規(guī)定，開展開關(guān)柜的局放檢測等工作，才能及時發(fā)現(xiàn)缺陷，提高運(yùn)行可靠性。

（作者單位：國華能源投資有限公司）