摘要：文章通过对某110kV变电站开关柜故障原因进行了分析，提出了相应防范及改造措施，并对最后改造情况进探讨。
关键词：110kV；变电站；开关柜；故障；改造
引言
10 kV开关柜是变电站内重要的一次设备，10 kV开关柜发生故障，会导致设备和线路受到破坏，严重时可能造成停电事故或人身伤害事故。而10 kV开关柜长期运行在高压、高温的环境中，其绝缘很容易老化或遭受破坏，因此，需对开关柜的绝缘进行带电检测，及时发现安全隐患，从而采取相应的预防措施。
１变电站概况
故障发生前，该变电站１１０ｋＶ母线分列运行，母联１００开关在分闸位置；３５ｋＶ母线分列运行，母联３００开关在分闸位置；１０ｋＶ母线分列运行，母联９００开关在分闸位置。系统简图如图１所 示。＃１主 变 接 线 方 式 为ＹＮｙｎ０ｄ１１，１１０ｋＶ侧中性点直接接地运行，３５ｋＶ侧中性点不接地，各侧负荷平均值见表１。
２故障情况
2016年3月4日17时59分0秒，该变电站＃１主变低压侧９０１开关Ａ相发生单相接地故障，故障持续约１８．５ｓ后发展为三相短路。当日１７时１９秒２３８毫秒，＃１主变保护低后备复压方向Ｉ段Ｉ、ＩＩ时限动作，跳开低压侧９０１开关；２６８７ｍｓ，再次发生ＡＢ相间短路，持续７０ｍｓ后发展为三相短路故障；４７１６ｍｓ，小电源解列装置动作，跳开35kV A线、35kV B线（无出线）、１０ｋＶ电站Ｉ线、１０ｋＶ电站ＩＩ线；５０６７ｍｓ后，＃１主变高后备复压方向Ｉ段ＩＩ时限（Ｉ时限整定退出）动作，跳开高压侧１０１开关，至此故障被切除，其余系统安全运行。
３故障原因分析
３.１保护动作分析
从保护录波图与现场信息分析可知，故障主要经历了以下阶段。
（１）故障初期为Ａ相单相接地故障，Ａ相接地后因绝缘击穿而发展为三相故障。
（２）三相故障后，故障电流最大达到１５．６Ａ，＃１主变低后备保护复压方向Ｉ段Ｉ时限出口跳分段９００开关，故障无法切除，低后备保护复压方向Ｉ段ＩＩ时限出口跳低压
侧９０１开关。
（３）９０１开关跳闸后，故障电流消失，９０１开关柜发生ＡＢ相间短路故障。由于１１０ｋＶ母线电压降低，小电源解列装置检测到１１０ｋＶ Ｉ母电压降低满足一轮、二轮动作要求，因此解列出口跳３35kV A线、１０ｋＶ电 站Ｉ线、１０ｋＶ电站ＩＩ线，动作与定值单描述相符。此时由于１０ｋＶ母线仍带有小电源，存在残余电压波动现象，因此
＃１主变高后备保护复压方向Ｉ段ＩＩ时限出口跳１０１开关，中后备保护无故障电流未动作出口。至此故障切除，＃１主变中后备保护因无故障电流未启动，其余保护装置及小电源
解列装置均动作正确。
３.２现场检查及试验情况
故障后，现场检查发现１０ｋＶ开关室现场９０１开关触头Ａ相已烧断，柜后板已烧穿，
Ｂ、Ｃ相触头已烧毁，整个柜子已被烧焦，附近的２面柜也受到不同程度的烧损。设备停电后，对１０１开关和３０１开关进行气体组分含量检测，发现１０１开关气体ＳＯ２组分含量为１．４μＬ／Ｌ，低于预试规程注意值（３μＬ／Ｌ），但设备内的ＳＯ２气体是切断故障电流时产生的，不影响设备投运；１０１开关和３０１开关各项常规电气试验合格；对＃１主变保护装置进行保护装置采样、逻辑功能、二次回路绝缘、开关传动检查，试验合格。但＃１主变油试验存在如下问题。
（１）设备自2015年10月进行滤油处理后，每月开展了一次 油色谱（ＤＧＡ）试验，结果显示油中总烃含量从２３μＬ／Ｌ增长至８２μＬ／Ｌ，呈现增长趋势，绝对产气速率为１１．５ｍｌ／ｄ，接近规程注意值（１２ｍｌ／ｄ），其它组分产气速率均低于规程注意值。监测数据中，乙烯、乙烷含量变化极大，需开展比对试验核实。
（２）自2015年1月安装ＤＧＡ在线检测装置后，经监测发现油中总烃含量呈现增长趋势，最近的总烃监测最高值为６５μＬ／Ｌ，其中主要以甲烷、乙烯为主（分别约占总烃的５０％、４０％），但与设备滤油前相比，两种组分占比变化不大（滤油前两种组分的占比均为４５％左右）。从故障特征气体分析，设备内部的故障性质为高温过热故障。
９０１开关解体情况显示真空开关内部无损坏，Ａ相上动触头触指烧毁严重，由此判断第一次故障后保护动作能可靠将９０１开关断开，其原因分析如下。
（１）１０ｋＶ ９０１开关在丰水期运行负荷较重，电流较大，柜体常处在发热状态，使柜内绝缘件老化，绝缘强度降低。电厂＃２机于事发当日１７时４３分开机，１２ｍｉｎ后９０１开关负荷突增接近４０ＭＷ，再次受到负荷冲击，引发开关柜再次过热，造成本已性能劣化的绝缘材料发生击穿，柜内发生三相短路，是导致本次事件的主要原因。９０１开关负荷变化如图２所示。
（２）在2010年至2015年期间，对１０ｋＶ ９０１开关柜采取过更换触头、加装空调、安装柜体散热风扇等措施，对设备进行重点维护和试验，虽然已使过热现象有所缓解，但仍未能彻底解决问题。长期的母线及开关柜发热使绝缘材料性能劣化是造成本次事件的次要原因。
４防范及改造措施
（１）对９０１开关柜及其它受损开关柜进行检修更换，为避免开关柜更换后运行中再次发热，考虑选择质量较好的合资断路器。
（２）水电厂＃３机组发电（2016年3月15日）后，必须加强对＃２主变９０２开关柜的测温和巡视，必要时采取控制９０２开关柜负荷的措施。
（３）对＃２主变９０２开关柜进行改造，选择质量较好的合资断路器。
（４）变电站１０ｋＶ母线异常发热，需加大母线截面积，以缓解开关柜发热现象，开展技改大修项目，在１０ｋＶ开关柜母线上加装１条（１０×１００）母线，并更换相关绝缘件和紧固件。
（５）主变自2012年6月发现总烃超标以来，一直采取测温、控制负荷、每月取油样分析、安装在线监测装置等手段进行跟踪监测，此次又受到低压侧短路冲击，因此根据变压器检修导则（ＤＬ／Ｔ５７３）应尽快对该主变进行吊罩检修，主要检查导电回路及夹件是否破损、各类紧固件及垫块是否松动等。
５改造情况
５．110kV母线发热改造
经分析，认为是开关柜主母排设计不合理、原母排载流量偏小、温升大造成变电站１０ｋＶ开关柜长期存在不同程度发热。为此进行了如下改造：一是将１０ｋＶ开关柜１０ｋＶ母排，９０１、９０２开关柜内母排及其母线桥由２×１００（或１２０）×１０规格铜排改为３×１００（或１２０）×１０规格铜排，并更换相关绝缘件、紧固件；二是将１０ｋＶ开关室的＃１、＃２主变１０ｋＶ侧进线两侧穿墙套管更换为４０００Ａ套管，并进行防涡流处理。
（１）改造前后直阻测试情况。改造前，９０１开关Ａ、Ｂ、Ｃ相直阻分别为５２．５９、
５６．４３、５４．５３μΩ，９０２开关Ａ、Ｂ、Ｃ相直阻分别为５２．８、５３．１９、
５５．４７μΩ。改造后，９０１开关Ａ、Ｂ、Ｃ相直阻分别为１１．５９、１２．４３、１１．９１μΩ，９０２开 关Ａ、Ｂ、Ｃ相直阻分别为１２．１、１１．６８、１１．４７μΩ。通过对比可知，改造后各相直阻已从５０μΩ降到１２μΩ，改造效果明显。
（２）负荷及测温情况。选取＃２主变１０ｋＶ侧９０２开关柜对改造前后测温情况进行对比。通过对比分析可知，改造后超３０℃的情况较改造前少，２０ＷＭ同等负荷情况下的最高温度也降低，但差距不大，有待进一步观察；枯水期（１１、１２月）负荷较小，改造后的测温效果不明显，待来年丰水期负荷大时再进行测量比较。
５.２ 主变吊罩大修
2015年3月＃１主变油样试验氢气、总烃含量严重超标，此次又受到低压侧短路冲击，于是怀疑＃１主变内部有高温过热现象。对该主变进行电气试验，介损、绝缘、变比正常，铁芯无多点接地；但在测试有载开关直流电阻时，发现有载开关９－１７档直流电阻不平衡率超过２％。为明确＃１主变存在的缺陷问题，需吊罩进行检查。
（１）＃１主变的色谱数据长期存在氢气和总烃超标，出现少量乙炔。初步判断变压器内部存在局部放电，导致变压器油高温过热。本次主变吊罩发现，铁芯油道连接片与油箱内顶部的加强铁距离太近，发生放电，导致铁芯两点接地形成环流，放电点处出现烧点黑斑。处理方法：拔出铁芯油道连接片与螺栓，平移１００ｍｍ后与油箱顶部加强铁错位，保持一定的安全距离。
（２）铁芯接地电流过大（达到２．７Ａ），远大于规程值（０．１Ａ）。初步判断铁芯存在多点接地，导致铁芯产生环流。本次主变吊罩发现，铁芯油道连接片与油箱内顶部的加强铁距离太近，发生放电，导致铁芯两点接地形成环流，放电点处出现烧点黑斑。处理方法同（１）。投运后测量铁芯接地电流仅为０．０２Ａ，满足规程要求。
（３）大修前测试铁芯对地的绝缘时，听见主变内部（初步判断在１０ｋＶ侧套管处）有异响。从放电声判断为铁芯对变压器外壳放电。本次主变吊罩发现，铁芯油道连接片与油箱内顶部的加强铁距离太近，导致测量绝缘电阻时铁芯对外壳放电。处理方法同（１）。大修后测量铁芯绝缘时无任何异响，绝缘合格。
（４）因１１０ｋＶ变压器的油箱内部没有安装磁屏蔽，使变压器的高压侧漏磁偏大，导致油箱上下连接片烧坏。处理方法：将油箱上下连接铜片加粗连接，并用螺栓紧固好。
（５）有载调压直阻超标问题分析及处理方法。上次预防性试验中，发现１－９档直流电阻三相不平衡率合格，但９－１７档直流电阻三相不平衡率超标（≥２％）。本次试验第４档、第５档的直流电阻不平衡率偏大可能是打磨不足，触头间存在氧化膜导致的。处理方法：对开关油室内部及外部连接线、开关芯子进行检查，打磨及清理开关内部动、静触头，更换开关油池内部油。大修后直流电阻三相均合格，三相不平衡率最大值仅为０．６５％。
６结束语
通过对变电站１０ｋＶ开关柜采取日常温度监视与负荷控制、开关柜加装风扇与透气孔、
１０ｋＶ开关柜改造母线桥、主变大修等措施，使得故障得以解决。这些改造措施可为变电站设计、安装、日常运维、技改大修等提供分析方法及处理方式，确保开关柜及变压器等设备的安全运行。
参考文献：
[1]张丽.10千伏开关柜故障及防范措施[J].科技与企业，2014（16）：378-379.
[2]李欢.基于开关柜故障电弧的检测和保护装置研究[J].中国电业（技术版），2014（5）：60-62.
[3]曾伟华，史非，姚晖.基于开关柜故障的继电保护动作分析及故障诊断[J].电工技术，2016（7）：67-69.
论文作者:郭建康
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/19
标签：开关柜论文; 故障论文; 母线论文; 变电站论文; 负荷论文; 铁芯论文; 测温论文; 《电力设备》2017年第17期论文;