左 濤

一起化工廠10kV開(kāi)關(guān)柜過(guò)電壓保護(hù)器熱崩潰事故分析

左 濤

（樂(lè)山一拉得電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，四川 樂(lè)山 614000）

以某化工廠110kV變電站10kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)過(guò)電壓保護(hù)器熱崩潰引發(fā)斷路器跳閘、開(kāi)關(guān)柜電纜室爆炸的事故為例，從過(guò)電壓保護(hù)器結(jié)構(gòu)及工作原理入手，根據(jù)事故現(xiàn)象對(duì)事故發(fā)生原因進(jìn)行逐一排查和分析，綜合判斷造成這起事故的原因?yàn)?0kV系統(tǒng)B相反復(fù)間歇電弧接地引發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓，導(dǎo)致過(guò)電壓保護(hù)器內(nèi)氧化鋅電阻片熱崩潰，繼而引發(fā)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)AC相間短路故障和電纜室爆炸，分析結(jié)果表明該型過(guò)電壓保護(hù)器的三相四星形接線結(jié)構(gòu)缺陷是此次事故發(fā)生的根源。最后，為防止類似事故再次發(fā)生，提出消除和防范措施，為確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

開(kāi)關(guān)柜；過(guò)電壓保護(hù)器；間歇電弧接地；鐵磁諧振；熱崩潰

0 引言

過(guò)電壓保護(hù)器是一種保護(hù)電力設(shè)備絕緣免受過(guò)電壓危害的新型保護(hù)電器，主要用于限制外部雷擊（大氣）過(guò)電壓和由于電力系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化導(dǎo)致電磁能量產(chǎn)生振蕩和積聚而引起的內(nèi)部過(guò)電壓，其實(shí)質(zhì)是人為在系統(tǒng)中制造一個(gè)絕緣薄弱點(diǎn)，使系統(tǒng)中的過(guò)電壓能量從該薄弱點(diǎn)釋放，從而達(dá)到對(duì)電力系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備，特別是對(duì)高壓旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)等弱絕緣設(shè)備的相間、相地及匝間絕緣的保護(hù)作用，具有殘壓低、伏安特性平坦、動(dòng)作迅速等特點(diǎn)[1-2]。但是，當(dāng)過(guò)電壓保護(hù)器熱崩潰，甚至引發(fā)爆炸時(shí)，會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重大危害。

本文以某化工廠110kV變電站10kV出線開(kāi)關(guān)柜過(guò)電壓保護(hù)器熱崩潰擊穿，引發(fā)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)相間短路并發(fā)生電纜室爆炸的事故為例，從過(guò)電壓保護(hù)器的結(jié)構(gòu)及工作原理入手，根據(jù)事故現(xiàn)象對(duì)事故原因進(jìn)行逐一排查和分析，并提出防止類似事故再次發(fā)生的消除和應(yīng)對(duì)措施，從而確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 事故經(jīng)過(guò)

2022年1月24日11:03，某化工廠110kV變電站10kV開(kāi)關(guān)室I段母線10kV聯(lián)堿冷卻塔風(fēng)機(jī)出線開(kāi)關(guān)柜電纜室發(fā)生爆炸，事故現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)柜狀況如圖1所示，電纜室前后柜門被爆炸產(chǎn)生的高壓氣流沖開(kāi)，開(kāi)關(guān)柜門框及柜門變形（見(jiàn)圖1（a））。該柜出線開(kāi)關(guān)保護(hù)裝置顯示“AC速斷過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作”，保護(hù)動(dòng)作后11ms該柜斷路器跳閘，故障被切除。經(jīng)查看，開(kāi)關(guān)柜電纜室A相電流互感器損壞，連接母排脫落，接地開(kāi)關(guān)A相絕緣子破裂（見(jiàn)圖1（b）），柜內(nèi)過(guò)電壓保護(hù)器損壞最為嚴(yán)重，保護(hù)器A、C兩相復(fù)合樹(shù)脂外套被擊穿炸裂（見(jiàn)圖1（c）），與銅排搭接的A、C兩相高壓引線電纜熔斷，B相完好，電纜室兩側(cè)的金屬板有電弧燒灼痕跡（見(jiàn)圖1（d））。這次事故造成聯(lián)堿冷卻塔風(fēng)機(jī)停運(yùn)，影響了用戶的安全生產(chǎn)，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失。

2 事故原因排查與分析

根據(jù)以上事故現(xiàn)場(chǎng)情況，初步判斷造成此次故障的原因是該10kV出線開(kāi)關(guān)柜電纜室內(nèi)過(guò)電壓保護(hù)器A相和C相保護(hù)單元發(fā)生熱崩潰擊穿，引發(fā)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)AC相間短路，造成開(kāi)關(guān)柜電纜室發(fā)生爆炸。造成過(guò)電壓保護(hù)器熱崩潰的原因很多，需要從其結(jié)構(gòu)及工作原理入手，根據(jù)事故現(xiàn)象逐一排查和分析。

2.1 過(guò)電壓保護(hù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

與該10kV開(kāi)關(guān)柜配套的保護(hù)器是安徽某公司的某型三相四柱式無(wú)間隙過(guò)電壓保護(hù)器，其標(biāo)稱放電電流為2.5kA，保護(hù)對(duì)象為電動(dòng)機(jī)，允許施加在保護(hù)裝置端子間的最大工頻電壓有效值為13.5kV，2ms方波通流容量為400A。該過(guò)電壓保護(hù)器由4個(gè)保護(hù)單元組成，采用三相四星形接法，保護(hù)單元兩兩組合形成相-相、相-地保護(hù)。A、B、C三相的保護(hù)單元由脫離裝置TL、非線性金屬氧化鋅電阻片ZnO和相應(yīng)的零部件組成。過(guò)電壓保護(hù)器電氣原理如圖2所示。

圖2 過(guò)電壓保護(hù)器電氣原理

該過(guò)電壓保護(hù)器的工作原理是利用金屬氧化鋅電阻片良好的非線性伏安特性，氧化鋅電阻片的伏安特性曲線如圖3所示。在系統(tǒng)電壓正常時(shí)，過(guò)電壓保護(hù)器中的金屬氧化鋅電阻片工作在低電場(chǎng)區(qū)，呈現(xiàn)高電阻狀態(tài)，此時(shí)氧化鋅避雷器對(duì)地絕緣。在過(guò)電壓作用下，金屬氧化鋅電阻片工作在中電場(chǎng)區(qū)或高電場(chǎng)區(qū)，呈現(xiàn)低電阻狀態(tài)，將過(guò)電壓產(chǎn)生的電流泄入大地，使氧化鋅電阻片上的壓降（即殘壓）低于被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備保護(hù)。但是，如果過(guò)電壓保護(hù)器所承載的持續(xù)功率損耗超過(guò)外套和連接件的散熱能力而引起電阻片的溫度累積升高[3-4]，就會(huì)造成氧化鋅電阻片“不堪重負(fù)”而熱崩潰擊穿，繼而引發(fā)連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致相間短路并發(fā)生開(kāi)關(guān)柜爆炸。

圖3 氧化鋅電阻片的伏安特性曲線

2.2 事故原因排查

根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]，造成過(guò)電壓保護(hù)器熱崩潰的原因有以下幾種。

1）氧化鋅電阻片受潮老化

過(guò)電壓保護(hù)器受生產(chǎn)工藝影響，容易出現(xiàn)復(fù)合樹(shù)脂外套密封不良，內(nèi)部有空氣存在。當(dāng)發(fā)生過(guò)電壓時(shí)，氧化鋅電阻片導(dǎo)通，以自身發(fā)熱的形式消耗過(guò)電壓產(chǎn)生的能量，保護(hù)器內(nèi)部干燥空氣會(huì)通過(guò)密封薄弱處向外排出；過(guò)電壓消失后，由于氣壓差外部潮濕的氣體被吸入保護(hù)器內(nèi)部[7]。這種由于熱脹冷縮產(chǎn)生的“呼吸現(xiàn)象”，導(dǎo)致氧化鋅電阻受潮發(fā)生泄漏老化，絕緣電阻降低，當(dāng)發(fā)生過(guò)電壓時(shí)容易熱崩潰擊穿。但是，事故開(kāi)關(guān)柜位于室內(nèi)，通風(fēng)散熱條件良好，且運(yùn)行時(shí)間不到一年，因受潮導(dǎo)致過(guò)電壓保護(hù)器氧化鋅電阻片老化的可能性不大，同時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)收集的被擊穿的金屬氧化鋅電阻片，也并未發(fā)現(xiàn)受潮情況，因此排除由于受潮導(dǎo)致氧化鋅電阻片泄漏電流增大而老化的情況。被擊穿的金屬氧化鋅電阻片如圖4所示。

圖4 被擊穿的金屬氧化鋅電阻片

2）保護(hù)器表面污穢

外部污穢會(huì)引起過(guò)電壓保護(hù)器表面電壓分布不均勻，產(chǎn)生局部放電，局部放電所產(chǎn)生的電子、離子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，撞擊過(guò)電壓保護(hù)器的絕緣材料，使電介質(zhì)逐漸分解、破壞，放電產(chǎn)生的導(dǎo)電性和活性氣體也會(huì)氧化、腐蝕電介質(zhì)。同時(shí)，局部放電使該處的局部電場(chǎng)畸變加劇，進(jìn)一步增大了局部放電的強(qiáng)度。局部放電處產(chǎn)生局部的高溫，使絕緣產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷（脆化、炭化等），這些損傷在長(zhǎng)期運(yùn)行中不斷擴(kuò)大，加速了電介質(zhì)的老化和破壞，當(dāng)發(fā)展到一定程度時(shí)，有可能導(dǎo)致整個(gè)保護(hù)器絕緣在工作電壓或過(guò)電壓下發(fā)生擊穿或沿面閃絡(luò)[8]。但是，觀察本次故障損壞的過(guò)電壓保護(hù)器，A、C兩相電阻片被熱擊穿，復(fù)合樹(shù)脂套被擊穿炸裂，表面無(wú)明顯爬電或燒損跡象，保護(hù)器底座為絕緣材料且底座周圍外殼無(wú)放電燒蝕跡象，并且過(guò)電壓保護(hù)器所處的運(yùn)行環(huán)境良好，無(wú)粉塵、煙霧等易污染因素，因此可以判斷過(guò)電壓保護(hù)器內(nèi)部發(fā)生了爆炸，而非表面污穢局部放電引起，故排除過(guò)電壓保護(hù)器表面污穢引起相間短路的可能。

3）過(guò)電壓引起氧化鋅電阻片熱崩潰

過(guò)電壓分為外部過(guò)電壓、內(nèi)部過(guò)電壓，外部過(guò)電壓也稱雷擊過(guò)電壓，是由直接雷擊或雷電感應(yīng)而產(chǎn)生的過(guò)電壓。此次事故發(fā)生在1月份，時(shí)值冬季，當(dāng)?shù)貨](méi)有雷電現(xiàn)象，而且根據(jù)當(dāng)值廠站值班員介紹，事故發(fā)生當(dāng)天天氣情況良好，因此排除雷擊過(guò)電壓發(fā)生的可能。

內(nèi)部過(guò)電壓是電力系統(tǒng)中由于真空斷路器操作、系統(tǒng)故障（如接地）發(fā)生及消失、系統(tǒng)電感、電容在特定情況下的配合不當(dāng)或其他原因，使系統(tǒng)發(fā)生變化而產(chǎn)生的。內(nèi)部過(guò)電壓分為操作過(guò)電壓、暫時(shí)過(guò)電壓。切除空載變壓器、真空斷路器操作均會(huì)引起電壓升高，這類過(guò)電壓就是操作過(guò)電壓；暫時(shí)過(guò)電壓包括工頻過(guò)電壓、間歇電弧接地過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓。工頻過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)中正常絕緣的電氣設(shè)備一般不構(gòu)成威脅；間歇電弧接地過(guò)電壓是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，接地電弧反復(fù)間歇性熄滅和重燃引起電磁暫態(tài)振蕩過(guò)渡而形成的過(guò)電壓；諧振過(guò)電壓是由于電網(wǎng)系統(tǒng)中的電感元件和電容元件因操作、故障、負(fù)荷波動(dòng)等多種原因形成共振條件，激發(fā)持續(xù)諧振而導(dǎo)致的過(guò)電壓[8]。根據(jù)當(dāng)值廠站值班員介紹，事故發(fā)生時(shí)未進(jìn)行真空斷路器的分合閘操作，系統(tǒng)中也沒(méi)有空載變壓器，因此排除操作過(guò)電壓的可能，剩下的可能就是間歇電弧接地過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓。

間歇電弧接地過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓由于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)的危害最大，會(huì)造成電壓互感器（PT）燒毀、過(guò)電壓保護(hù)器爆炸、電氣設(shè)備絕緣損傷、電纜放炮等事故[9]。本次事故由間歇電弧接地過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓引發(fā)的可能性最大，應(yīng)予以重點(diǎn)研究和分析。

2.3 事故原因分析

根據(jù)后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)記錄的電壓波形顯示，主變低壓側(cè)ab在1月24日10:55發(fā)生電壓陡增，11:03達(dá)到最高峰值，即當(dāng)時(shí)10kV系統(tǒng)發(fā)生了過(guò)電壓。根據(jù)微機(jī)控制器的故障記錄，11:03系統(tǒng)發(fā)生B相接地，10kV系統(tǒng)三相電壓值分別為a=7.633kV，b=2.683kV，c=7.42kV，可見(jiàn)A相和C相的對(duì)地電壓由正常的5.77kV上升到7.633kV和7.42kV，而非單相金屬性接地時(shí)非故障相電壓升高到線電壓；故障相B相電壓降至2.683kV，而非單相金屬性接地時(shí)故障相電壓降至0，因此微機(jī)控制器故障記錄的“B相接地”，并不是真正的B相金屬性接地，而是“虛接地”，這種現(xiàn)象通常是由PT飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓造成的。

綜合事故現(xiàn)場(chǎng)情況，此次事故發(fā)生的過(guò)程應(yīng)該是10kV系統(tǒng)B相存在絕緣薄弱點(diǎn)，造成B相反復(fù)間歇電弧接地，這會(huì)造成當(dāng)接地電弧重燃時(shí)，故障點(diǎn)流過(guò)容性電流，未發(fā)生接地故障的A相、C相對(duì)地電壓瞬時(shí)升高；當(dāng)接地電弧熄滅時(shí)，未發(fā)生接地故障的A相和C相的相對(duì)地電壓突變回原來(lái)的相電壓，此時(shí)接地故障期間充的多余電荷需要釋放掉。該廠10kV系統(tǒng)是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，系統(tǒng)中只有通過(guò)PT的中性點(diǎn)才能構(gòu)成釋放回路，大量電荷短時(shí)間內(nèi)通過(guò)PT一次側(cè)中性點(diǎn)釋放會(huì)使電壓互感器電感快速飽和，飽和后電壓互感器A相勵(lì)磁電感1和C相勵(lì)磁電感3劇烈下降，流過(guò)1和3的電感電流增大，使A相的對(duì)地導(dǎo)納1和C相的對(duì)地導(dǎo)納3變成感性，故障相B相的對(duì)地阻抗仍為容性，即對(duì)地導(dǎo)納2為容性，當(dāng)對(duì)地導(dǎo)納滿足參數(shù)匹配時(shí)，容性導(dǎo)納與感性導(dǎo)納的抵消作用使1+2+3=0，從而激發(fā)了電磁暫態(tài)振蕩，中性點(diǎn)位移電壓急劇升高，三相導(dǎo)線的對(duì)地電壓等于各相電源電勢(shì)與中性點(diǎn)位移電壓的相量和[10-12]，中性點(diǎn)位移時(shí)三相電壓相量圖如圖5所示。相量疊加的結(jié)果使A相和C相的對(duì)地電壓升高，而B(niǎo)相的對(duì)地電壓降低，此時(shí)就出現(xiàn)了微機(jī)控制器故障記錄的結(jié)果，即A相、C相出現(xiàn)了鐵磁諧振過(guò)電壓，且時(shí)間長(zhǎng)、幅值高。

圖5 中性點(diǎn)位移時(shí)三相電壓相量圖

由于該型過(guò)電壓保護(hù)器采用三相四星形接線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中的氧化鋅電阻片單元兩兩組合形成相-相、相-地保護(hù)，存在人為制造的一個(gè)中性點(diǎn)，使相間氧化鋅電阻片長(zhǎng)期運(yùn)行荷電率過(guò)高、老化嚴(yán)重，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)間歇電弧接地過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓時(shí)，相地氧化鋅電阻片就會(huì)因溫度累積升高而發(fā)生熱崩潰擊穿，當(dāng)一個(gè)單元的電阻片熱擊穿后呈短路特性，使原來(lái)由兩個(gè)單元承受的持續(xù)運(yùn)行電壓變?yōu)橹挥梢粋€(gè)單元來(lái)承擔(dān)，氧化鋅電阻片的荷電率增加了約一倍，相間氧化鋅電阻片的伏安特性工作點(diǎn)大幅提高，但是電阻片的極限熱容量不足，這使剩下的氧化鋅電阻片單元迅速損壞并發(fā)生熱崩潰[13]，這種連鎖反應(yīng)導(dǎo)致過(guò)電壓保護(hù)器相間短路。因此，過(guò)電壓保護(hù)器A相和C相在鐵磁諧振過(guò)電壓作用下熱崩潰擊穿并發(fā)生內(nèi)部相間短路，短路電流急劇升高，導(dǎo)致過(guò)電壓保護(hù)器溫度急劇升高，造成本體結(jié)構(gòu)爆裂，形成A相與C相相間飛弧，并引發(fā)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)AC相間短路故障，短路電弧釋放的能量可高達(dá)3.06×107J[14]，使電纜室壓力急劇上升，并造成嚴(yán)重的熱效應(yīng)，在熱效應(yīng)與驟增壓力的雙重作用下，電纜室柜門被沖開(kāi)，開(kāi)關(guān)柜門框及柜門變形。同時(shí)，與銅排搭接的過(guò)電壓保護(hù)器A相和C相的高壓引線電纜熔斷脫落，脫落過(guò)程中受電弧牽引左右擺動(dòng)引發(fā)拉弧，形成弧光短路放電，柜體兩側(cè)的金屬板產(chǎn)生的電弧灼傷痕跡就是引線電纜擺動(dòng)拉弧放電所致。

綜上所述，此次事故是10kV系統(tǒng)B相反復(fù)間歇電弧接地引發(fā)鐵磁諧振過(guò)電壓，使過(guò)電壓保護(hù)器內(nèi)氧化鋅電阻片單元迅速熱崩潰擊穿，引發(fā)相間短路故障，其根源是該型過(guò)電壓保護(hù)器的三相四星形接線結(jié)構(gòu)缺陷。

3 消除和防范措施

要做好類似事故的防范應(yīng)對(duì)措施，應(yīng)該在產(chǎn)品原理結(jié)構(gòu)、參數(shù)選擇、日常監(jiān)測(cè)和維護(hù)等方面綜合施策。

3.1 更換成三相六柱式無(wú)間隙過(guò)電壓保護(hù)器

鑒于三相四星形過(guò)電壓保護(hù)器結(jié)構(gòu)的固有缺陷，建議采用三相六柱式無(wú)間隙過(guò)電壓保護(hù)器，其電氣等效圖如圖6所示。三組氧化鋅電阻片以三角形聯(lián)結(jié)進(jìn)行相間保護(hù)，三組星形聯(lián)結(jié)進(jìn)行對(duì)地保護(hù)，各組獨(dú)立運(yùn)行，不僅消除了三相四星形接線結(jié)構(gòu)的中性點(diǎn)，還可以根據(jù)不同的過(guò)電壓設(shè)置氧化鋅電阻片的參數(shù)，例如針對(duì)相間短路主要為操作過(guò)電壓、過(guò)電壓產(chǎn)生的電流較小的情況，可以將相間氧化鋅電阻片組直流參考電壓提高，降低荷電率，提高相間保護(hù)的可靠性；對(duì)于單相間歇電弧接地和鐵磁諧振引發(fā)的相地過(guò)電壓電流較大、能量較高的情況，可以提高相地氧化鋅電阻片組2ms方波通流容量，降低相地?fù)舸┑母怕蔥15-16]。此外，三相六柱式無(wú)間隙過(guò)電壓保護(hù)器具有陡波響應(yīng)特性好，無(wú)截波，無(wú)放電延時(shí)；真空環(huán)氧澆注，可適用于重污穢、高海拔環(huán)境[17]；便于在線監(jiān)測(cè)及預(yù)防性試驗(yàn)；配備防爆自動(dòng)脫離裝置，能夠及時(shí)切斷隔離過(guò)電壓，避免系統(tǒng)故障面擴(kuò)大等優(yōu)點(diǎn)。

圖6 三相六柱式無(wú)間隙過(guò)電壓保護(hù)器電氣等效圖

3.2 選擇合理的過(guò)電壓保護(hù)器參數(shù)

本次事故中的開(kāi)關(guān)柜和過(guò)電壓保護(hù)器的使用場(chǎng)景為化工廠，該廠的主要負(fù)荷是電動(dòng)機(jī)，該型過(guò)電壓保護(hù)器的保護(hù)對(duì)象也是一臺(tái)功率為200kW的聯(lián)堿冷卻塔風(fēng)機(jī)，因此可以通過(guò)計(jì)算電動(dòng)機(jī)相地和相相之間絕緣能承受的過(guò)電壓數(shù)值，選擇合適的過(guò)電壓保護(hù)器最大工頻電壓有效值。

對(duì)于10kV系統(tǒng)中運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，其相地和相相之間絕緣能承受的過(guò)電壓數(shù)值s，可用式（1）計(jì)算得到[18]。

式中：e為高壓電動(dòng)機(jī)的額定電壓（kV）；為沖擊系數(shù)（取1.15）；0.75為老化系數(shù)。

可見(jiàn)，之前選擇的13.5kV保護(hù)器的最大工頻電壓有效值偏低，選擇17.5kV的最大工頻電壓有效值較為合適。

此外，還有兩個(gè)衡量過(guò)電壓保護(hù)器保護(hù)能力的重要指標(biāo)，分別為體現(xiàn)抵抗大電流能力的大電流沖擊電流值（kA）和體現(xiàn)熱容量耐受能力的2ms方波沖擊電流值（A）[7]。根據(jù)過(guò)電壓保護(hù)器工放值選擇標(biāo)準(zhǔn)可知，過(guò)電壓保護(hù)器工頻放電電壓值為3.5倍相電壓，在66kV及以下系統(tǒng)發(fā)生單相間歇電弧接地和鐵磁諧振故障時(shí)，產(chǎn)生的過(guò)電壓可以達(dá)到3.5p.u.（相對(duì)地暫時(shí)過(guò)電壓和操作過(guò)電壓的標(biāo)幺值）[19]，因此只要發(fā)生單相間歇電弧接地和鐵磁諧振故障，過(guò)電壓保護(hù)器氧化鋅電阻片就會(huì)導(dǎo)通泄壓，如果過(guò)電壓能量超過(guò)電阻片的極限熱容量，就容易發(fā)生熱崩潰。此次事故中過(guò)電壓保護(hù)器的熱容量耐受能力為400A（2ms），不足以消耗故障時(shí)的過(guò)電壓能量，而且氧化鋅電阻片每動(dòng)作一次都是對(duì)保護(hù)器的一次損害，所以應(yīng)該在熱容量耐受能力參數(shù)方面選擇600A（2ms）以上通流能力的過(guò)電壓保護(hù)器。

3.3 加強(qiáng)日常監(jiān)測(cè)和維護(hù)

過(guò)電壓保護(hù)器投運(yùn)之后易被忽視，形成維護(hù)盲區(qū)，因此定期開(kāi)展預(yù)防性試驗(yàn)工作尤為重要。對(duì)于無(wú)間隙過(guò)電壓保護(hù)器，每年可以進(jìn)行一次直流1mA下直流參考電壓1mA試驗(yàn)（要求1mA不小于18.6kV）和0.75倍直流參考電壓下泄漏電流試驗(yàn)（要求泄漏電流不大于50mA）[20]，以判斷氧化鋅電阻片是否存在老化情況，如果發(fā)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)器存在性能下降的隱患，應(yīng)及時(shí)更換。此外，加強(qiáng)過(guò)電壓保護(hù)器運(yùn)行的巡檢監(jiān)測(cè)力度，利用紅外熱像儀、紅外測(cè)溫儀等對(duì)保護(hù)器進(jìn)行定期溫度測(cè)試，開(kāi)展超聲波局部放電檢測(cè)[21-22]，增加泄漏電流在線監(jiān)測(cè)裝置，都是保證過(guò)電壓保護(hù)器安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。

4 結(jié)論

我國(guó)電力系統(tǒng)10kV開(kāi)關(guān)柜易因過(guò)電壓保護(hù)器參數(shù)、型號(hào)和結(jié)構(gòu)形式等選擇不當(dāng)，引發(fā)電網(wǎng)安全事故。本文還原了一起化工廠10kV開(kāi)關(guān)柜由于柜內(nèi)過(guò)電壓保護(hù)器熱崩潰擊穿而引發(fā)的短路爆炸事故，并系統(tǒng)剖析了事故產(chǎn)生的原因。研究表明：過(guò)電壓保護(hù)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷是造成此類事故的根本原因，宜采用三相六柱式無(wú)間隙過(guò)電壓保護(hù)器進(jìn)行糾正。此外，本文提出了加強(qiáng)過(guò)電壓保護(hù)器日常監(jiān)測(cè)和維護(hù)的預(yù)防措施，對(duì)防止類似事故再次發(fā)生，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

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Accident analysis on thermal runaway of overvoltage protector in a chemical plant 10kV switchgear

ZUO Tao

(Leshan ELECT Electrified Wire Netting Automation Co., Ltd, Leshan, Sichuan 614000)

Taking the accident of circuit breaker tripping and switchgear cable room explosion caused by thermal runaway of the overvoltage protector in 10kV switchgear of a 110kV substation in a chemical plant as an example, starting from the structure and working principle of the overvoltage protector, the causes of this accident are investigated and analyzed according to the accident phenomenon. The comprehensive analysis show that the cause of this accident is the ferromagnetic resonance overvoltage caused by the reverse complex intermittent arc grounding of 10kV system B, which causes the thermal runaway of the zinc oxide resistance sheet in the overvoltage protector. This then causes the AC phase short circuit fault in the switchgear and the explosion of the cable room, indicating that the root cause of the accident is caused by the defect of the three-phase four-star wiring structure of the overvoltage protector. Finally, in order to prevent similar accidents from happening again, elimination and preventive measures are proposed, which provides reference for ensuring the safe and stable operation of the power system.

switchgear; overvoltage protector; intermittent arc grounding; ferromagnetic resonance; thermal runaway

2023-10-12

2023-12-14

左 濤（1977—），男，四川彭山人，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事220kV及以下電氣成套開(kāi)關(guān)設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造工作。