0.4kV無功補償電容柜弧光短路事故原因詳細分析

1、Word資料一、引言2009年5月5日11時01分，市東城區(qū)某大廈B3南變配電室一臺0.4kV無功補償電容器柜突發(fā)弧光短路事故。在高低壓變配電系統(tǒng)中，無功補償電容器配電柜是一個事故的易發(fā)、多發(fā)環(huán)節(jié)。同時，這種設備的事故原因分析難度較大。從現象上看，弧光短路無非是過電壓或過電流造成的。但導致電容器過電壓或過電流的因素卻比電阻性或電感性電路復雜的多。這主要是由于：在容性負載電路發(fā)生短路故障瞬間（ms級）的狀態(tài)，往往是由多種因素聯(lián)合作用的結果。而其中有些因素是難以定量、難以測量、難以再現的。2000年11月9日9時42分，市海淀區(qū)某大廈B1變配電室變壓器二次側0.4kV無功補償電容器組在運行中突然爆

2、炸起火，大火燒毀了五面配電柜，但電容器組爆炸起火的原因終無定論。圖12是11.9”事故的現場照片。a/爆炸起火的電容器組圖2被大火燒毀的配電柜二、事故過程2009年5月5日10時35分，市東城區(qū)某大廈（以下簡稱大廈）B3南變配電室兩持證電工對3#變壓器二次側0.4kV無功補償電容器輔柜進行檢修：一人監(jiān)護，一人操作斷開輔柜總電源開關將輔柜7-12組300kvar電容器與主回路隔離。然后兩人對第八組電容器投切交流接觸器（檢查前運行人員發(fā)現其中相接觸不良）及其他5個投切交流接觸器的接線端子進行檢查。11時，檢查完畢，二人關好柜門。11時零1分，操作合上輔柜總電源Word資料開關。此時一聲巨響，在總電

3、源開關上口裸露接線端子根部之間突發(fā)三相弧光短路。幾乎與此同時，3#變壓器二次側出線403低壓斷路器和一次側進線212高壓斷路器的過電流脫扣器短路瞬時保護動作跳閘，3#變壓器停電。三、事故分析3.1操作問題（一）操作規(guī)程（1）關于電力電容器的操作規(guī)程按照市供電局頒布的地區(qū)電氣設備運行管理規(guī)程（2000版）和并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)（GB50227-2008）等規(guī)程的要求，在操作電力電容器時必須遵守以下規(guī)定：1）全站停電操作時，要先停電容器組，后停接于電容器組母線上的各出線2）全站恢復送電時，要先送接于電容器組母線上的各出線，再送電容器組。3）全站故障失去電源后，對失壓保護拒動的電容器組，必須將電容器

4、與電源斷開，以免電源重合閘時損壞電容器。4）電容器組保護熔絲熔斷后，未查明原因，不準更換熔絲送電。5）電容器因部故障掉閘后，在未拆除故障電容器前，禁止重新合閘送電。6）電容器分閘后至再次合閘的間隔時間不得少于3min。7）裝有功率因數自動補償控制器的電容器組，當自動裝置發(fā)生故障時，應立即退出運行。8）為防止鐵磁諧振過電流，嚴禁空載變壓器帶電容器組運行。9）當電源電壓高于電容器額定電壓1.1倍、運行電流超過電容器額定電流1.3倍、電容器環(huán)境溫度超過40C、電容器外殼溫度超過60C時，應將電容器退出運行。（2）關于只具有隔離功能的電器的操作規(guī)程按照市供電局頒布的地區(qū)電氣設備運行管理規(guī)程（2000版

5、）、低壓配電設計規(guī)（GB50054-95）、低壓開關設備和控制設備第三部分：開關、隔離器、隔離開關及熔斷器組合電器（GB14048.3-2002）等規(guī)程的要求，在操作只具有隔離功能的電器時必須遵守的規(guī)定是：1）嚴禁帶負荷分斷、接通電路。2）隔離電器不得作為操作電器使用。當隔離電器誤操作會造成嚴重事故時，因采取防止誤操作的措施。55”事故操作人員沒有違反第一類操作規(guī)程。但是否違反了第二類操作規(guī)程呢？在這里，問題的關鍵是要確認發(fā)生事故的SIWOH1系列開關究竟是只能起隔離電路作用的隔離電器，還是同時具備接通、分斷電路功能允許帶負荷操作的操作電器。開關的性質決定了操作的性質：1）類別：SIWOH1-

6、630開關，屬于GB14048.3-2002所定義電器中的第四大類一熔斷器組合電器中的第五小類一隔離開關熔斷器組。使用類別是AC-23B。2）性質：SIWOH1-630開關是可以帶負荷不頻繁分合電路的操作電器。當分合時的電壓條件為1.05時，可以安全接通6300A（10倍的額定電流），可以安全分斷5040A（8倍的額定電流）。3）基于本開關的類別和性質，55”事故時電工的操作，沒有違反電氣安全工作的基本規(guī)程，沒有違反電工安全作業(yè)的基本常識，是一次正常的操作。（二）正常操作與危險狀態(tài)違章操作必然與危險狀態(tài)相聯(lián)系，但正常操作卻并不必然與安全狀態(tài)相聯(lián)系。一次正常的操作可能引發(fā)多種危險的狀態(tài)。這就是電

7、氣行業(yè)工作的特殊性。對于電路分、合操作尤其是這樣。特別是無功補償電容器裝置，每次操作時，回路中各個電器元件的工況都是有差別的，電路中電壓、電流的相位波形都是不相同的，過電壓或過電流可能因各種因素誘導隨機產生。例如常見的操作過電壓有：(1)合閘瞬間電源電壓相位角最大過電壓。(2)合閘時觸頭彈跳過電壓。(3)分閘時電弧重擊穿過電壓。Word資料(4)合閘時高次諧振過電壓。(5)合閘時殘留電荷過電壓。(6)合閘時過量補償過電壓等。3.2開關故障分析(一) 故障問題(1) 瞬間電流在55”弧光短路的一瞬間，SIWOH1-630開關動靜觸頭接通的電流究竟有多大呢？根據當時開關負荷側3個gG630A熔斷器

8、(總保險)和12個gG160A熔斷器(分保險)一個都沒有熔斷的事實， 可以判定：當時開關在ms級時限接通的電流在630A以。這個數值遠遠低于開關的通斷能力。在正常條件下是不應該產生電弧的。因此，要考慮開關的接觸機構是否存在故障，導致它在較大電流下形成飛弧短路或熱擊穿短路。(2) 可能因素該開關動靜觸頭接觸方式為橫推插入式指夾雙面接觸，發(fā)生合閘彈跳重擊穿的概率很小。在這一點上遠優(yōu)于平面拍合式單面接觸方式。但是該開關動觸頭為雙斷點橋式壓簧片觸頭結構，有12組動靜接觸點，接觸點多、連接點多，有可能發(fā)生以下故障：動觸頭連接虛；靜觸頭連接虛；加速機構速度不夠；在動靜觸頭間已經形成很大的接觸電阻；合閘時1

9、2組動靜接觸點不同步。(3) 解體檢查我們對事故開關進行了解體檢查。檢查發(fā)現：1)12組動靜觸頭接觸面光滑干凈，顏色如初，觸頭上的導電膏依然如故。2)三相觸頭密封空間亦完好干凈。沒有發(fā)生強烈電弧所特有的燒熔、弧坑、炭化、變色、飛濺等痕跡。3)在動靜觸頭前端接觸面邊沿有微小的電火花灼蝕點，屬于正?，F象。4)前面考慮的五點故障因素，除加速機構速度無法測量外，其余可以排除。(4)結論1)事故發(fā)生瞬間開關接通的電流基本在額定工作電流圍(當然更在額定接通電流能力圍)。定量估算可能為i=(804)X2=320X2=640A2)開關動靜觸頭的電氣結構未發(fā)現異常，合閘同期性亦正常。3)開關動靜觸頭在接通電路時

10、沒有產生強烈電弧。因此，開關出現飛弧短路和熱擊穿短路的可能性較小。4)在動靜觸頭前端接觸面邊沿有微小的電火花灼蝕點，這說明在動靜觸頭接觸瞬間亦有微小電弧產生。但考慮到滿足本使用類別的接通和分斷條件當時可能已經破壞，出現微小的電弧亦屬正常。(二) 質量問題(1)瞬間電壓在55”弧光短路的一瞬間，SIWOH1-630開關相間絕緣承受的電壓究竟有多高呢？根據當時開關電源側配置的電壓保護水平為1.5kV的EC-40型浪涌保護器沒有動作的事實，可以判定：當時開關在ms級時限承受的電壓在1.5kV以。同時根據此電容器極間耐壓1130V(10S)和極對殼耐壓3000V(1min)的性能， 可判定1200V為

11、此電容器在ms級時限極間耐壓的上限。SIWOH1-630開關的額定沖擊耐受電壓雖然可達610kV,但它的額定絕緣電壓只有750V(在塑料外殼發(fā)熱溫度低于80C的條件下)。因此，若當時電路中有(1.52.0)Uj瞬間過電壓出現，也會對開關構成威脅。這里所說的質量問題，主要是看開關的額定沖擊耐受電壓、額定絕緣電壓、空氣中最小電氣間隙、最小爬電距離和絕緣表面溫升限值等技術指標是否合格。Word資料(2)閃絡短路憑經驗，直觀感覺：SIWOH1-630開關上口裸露出線端子相間在較高電壓下沿塑料外殼表面放電閃絡短路的概率最大。(3)低壓成套開關設備和控制設備第1部分：型式試驗和部分型式試驗成套設備(GB7

12、251.1-2005)對開關電氣間隙、爬電距離、溫升限值的規(guī)定：1)空氣中最小電氣間隙：在額定耐受沖擊電壓為612kV時(非均勻電場)，是5514mm。2)設備長期承受電壓的最小爬電距離：在實際承受電壓為8001250V時(污染等級4級，材料組別ma)，是2540mm。3)開關絕緣表面溫升限值是40C。(4)絕緣遙測開關額定耐受沖擊電壓為612kV,這個數值主要是指絕緣材料部永久性擊穿的指標。我們用500V、1000V、2500V兆歐表在冷態(tài)下進行了測試，沒有發(fā)現硬擊穿現象。(5)結論1)事故發(fā)生前瞬間開關承受的電壓在額定耐受沖擊電壓的圍。但極可能超過了開關的額定絕緣電壓。定量估算可能為U=7

13、50X1.52)=11251500V在這個過電壓值下雖然沒有發(fā)生絕緣材料硬擊穿短路，但并不能保證不發(fā)生放電閃絡短路。2)此開關的相間絕緣間距是30mm。符合GB7251.1-2005規(guī)定的空氣中最小電氣間隙。但GB7251.1-2005規(guī)定的一設備長期承受電壓的最小爬電距離表明：當工作電壓消250V時(污染等級4級，材料組別ma),最小爬電距離=40mm。放電的危險是存在的。3)GB7251.1-2005規(guī)定開關絕緣材料表面溫升限值是40Co經驗證明：當開關在較大電流沖擊下瞬間溫升是該數值的兩倍以上時，開關塑料外殼表面電阻會急劇下降，此時加上750V的高電壓，附著著灰塵的相間絕緣材料表面發(fā)生放

14、電閃絡短路是完全可能的。4)根據以上非常有限技術條件下的分析，筆者認為：開關的接觸機構和絕緣指標基本上沒有嚴重的問題。開關短路是由于當時電路里出現了超出開關技術指標的異常狀態(tài)。(三)安裝問題(1)使用說明書要求本開關安裝單位是國某儀表廠。2009年5月15日，該廠在為大廈更換新開關時隨機帶來一份SIWOH1-631250系列隔離開關熔斷器組使用說明書。說明書容共分八部分。其中第七部分-使用與維修-第2條要求：開關上的接線端子和接線裸母線應包扎絕緣物，防止開關相間短路?！?2)大廈現場安裝實況迄今為止，大廈南北變配電室18臺低壓無功補償柜上的18臺SIWOH1-630隔離開關熔斷器組都沒有按照該

15、使用說明書第七部分-使用與維修-第2條要求安裝。(3)可以說，這一條是開關制造廠家根據SIWOH1系列產品的技術特點提出的針對性安全要求。如果按照這一條做了，可以有效防止開關相間在此位置閃絡、爬電和飛弧短路。3.3電路問題大廈安裝的低壓無功補償電容器柜，是由國某建筑設計，由國某儀表廠組裝生產。這種設備自2008年8月正式投入運行以來，接連發(fā)生電容器組投切接觸器燒毀、分路熔斷器熔斷和串聯(lián)電抗器過熱等異?，F象。深入分析表明：這種設備在設計上存在缺陷。這種缺陷成為55”弧光短路事故的主要誘發(fā)因素。(一)因設計潛伏隱患Word資料(1)REGO型自動功率因數控制器接線方式1)REGO自動控制器不受總電

16、源開關控制。主輔柜兩個SIWOH1-630開關控制12組電容器總主回路，REGO自動控制器通過控制12個交流接觸器控制12組電容器分支回路。REGO的工作電源接在SIWOH1-630開關上口，不受總開關控制。當總開關斷開后，REGO仍在工作。原設計思想是：當主輔柜其中一個斷電檢修時，另一個仍然可以在自動補償狀態(tài)工作。2)這種接線方式可以造成智能誤判，使電路出現異常狀態(tài)。即：在總開關斷開而REGO仍在工作的情況下，造成REGO對補償需求發(fā)生誤判。REGO對補償需求發(fā)生誤判后，立即發(fā)出過補償投入指令。誤判發(fā)出的過補償投入指令會一直持續(xù)到將12組600kvar電容器投切接觸器全部吸合為止。3)圖14

17、極為清楚的顯示：盡管電容器主柜在運行、輔柜在檢修，盡管輔柜總電源開關已分斷，但REGO自動控制器仍然發(fā)出指令將輔柜的6組投切接觸器全部吸合。(2)串聯(lián)電抗器電抗率的選擇1)并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)(GB50227-2008)規(guī)定：串聯(lián)電抗器電抗率選擇，應根據電網條件與電容器參數經相關計算分析確定，電抗率取值圍應符合下列規(guī)定：僅用于限制涌流時，電抗率宜取0.1%H1%;用于抑制諧波時，電抗率應根據并聯(lián)電容器裝置接入電網處的背景諧波含量的測量值選擇。當諧波為5次及以上時，電抗率宜取4.5%H5.0%當諧波為3次及以上時，電抗率宜取12.0%;亦可采用4.5吩5.0購12.0%兩種電抗率混裝方式。2)低

18、壓調諧濾波器產品樣本(2007年10月版)提示：存在諧波的電網(應用非線性負載例如整流器、電焊等)選擇功率因數補償系統(tǒng)時，應特別注意產生諧波的影響。為了避免諧振這一危險現象，電容器一定要串聯(lián)合適的調諧濾波電抗器。這樣就可以得到諧振頻率低于諧波圍的振蕩回路。通過調諧濾波電抗器串聯(lián)電容器傳輸無功功率不同于依靠選擇普通電抗器用于無功補償的元件的傳輸，因為必須知道安裝補償設備的電網特性和應用的電抗器對電容器所產生的影響。3)在運行中發(fā)現：大廈3#變壓器電容器補償柜中的串聯(lián)電抗器工作溫度有時高達120Co3#、5#、6#變壓器電容器補償柜不斷出現投切接觸器燒毀和熔斷器熔斷的現象。55”事故后，筆者對其串

19、聯(lián)電抗器電抗率進行了計算，約為3%而大廈九臺變壓器帶有大量電力電子設備，3#、4#、5#、6#變壓器所帶負載尤其是這樣。屬于典型的諧波源污染負載。很明顯，3%這一電抗率選擇是不符合GB50227-2008要求的，是不符合大廈供用電負載諧波污染特點的，是難以避免高次諧振這一危險現象的。(3)結論因以上設計潛伏隱患，容易使過量補償過電壓、高次諧振過電壓等多種異常狀態(tài)發(fā)生的概率增大。(二)過量補償過電壓(1)并聯(lián)電容器過量補償無功功率的危害是非常明確的：其一，抬高系統(tǒng)電壓，損壞電氣絕緣。其二，無功反送電源，增加有功損耗。案例：某廠為一臺大型電動機供電的變壓器設置了分組投切的0.4kV無功補償電容器組

20、(三相容量600kvar)。調試時電動機還沒啟動，調試人員就誤將補償電容器組全部投入運行，立即造成接在這個供電系統(tǒng)上的部分照明燈、指示燈、繼電器線圈和部分補償電容器燒毀。(2)由于自動控制器接線設計”考慮不周，在55”事故中確定無疑造成了過量補償過電壓”。實際過程如下：1)3#變壓器主輔兩臺電容器柜正在運行中，REGO控制Word資料投入的是輔柜上第7、第8兩組電容器。2)此時，操作人員分斷輔柜SIWOH1-630開關，使輔柜由運行轉檢修。3)總開關分斷后，第7、第8兩組電容器被從母線上切除。但REGO并不理睬這一變化，繼續(xù)指令第7、第8號接觸器在吸合位置。4)此時，3#變壓器負荷側需要50X

21、2=100kvar的無功補償量，但由于總開關將兩組電容器切除，電路中出現了欠補償。這個欠補償信號由403主進開關A相上的TA(CT)測量信號傳給REGO。5)REGO接到欠補償信號后，以為兩組100kkar補償量不夠，于是它指令第9、第10號接觸器吸合，將第9、第10組接觸器投入。此時，REGO認為它根據電路需要已經投入了4組50X4=200kvar的無功補償量。但此時實際仍然是零補償。6)操作人員結束工作后，合上SIWOH1-630開關，使輔柜由檢修轉運行。SIWOH1-630開關接通電路的一瞬間，4組200kvar的無功補償量投入了系統(tǒng)，超出了此時電路實際需要補償量1倍，形成了過量補償無功

22、返送。7)過量補償無功返送使系統(tǒng)相間電壓瞬間升高。造成了過量補償過電壓。(3)在大廈0.4kV無功補償電容器柜弧光短路事故中，過量補償過電壓的存在是確定無疑的。這個過電壓”肯定對造成55”開關相間弧光短路起了作用。 但是經驗證明： 過量補償過電壓的數值很少2Ue。這個數量級恐怕還難以一手造成相間弧光短路。(三)高次諧振過電壓(1)在供用電系統(tǒng)中，產生諧波的根本原因是由于向具有非線性阻抗特性電氣設備供電的結果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波(基波頻率整倍數的正弦波分量)，導致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變。所有非線性負荷都能產生諧波，主要有：整流設備；視頻設備；辦公自動化設備：計算機、復

23、印機、打印機、傳真機等；UPS電源設備：智能照明設備；變頻調速設備；電梯設備：電弧設備等。(2)由于智能樓宇中安裝著大量電力電子設備，同時這些設備產生的諧波又具有較大的振幅，所以它們是目前智能樓宇供用電系統(tǒng)中的主要諧波源。其中：計算機產生的諧波以3、5、7次為主(筆記本便攜式計算機產生的諧波頻譜更加廣泛)。復印機產生的諧波以3、5、7、9、11、13次為主。可變頻驅動裝置產生的諧波以5、7次為主。三相六脈沖橋式可控硅整流的UPS電源產生的諧波以5、7次最為顯著(該大廈UPS屬于此種類型)。三相十二脈沖橋式可控硅整流的UPS電源產生的諧波以11、13次最為顯著。單相供電的UPS產生的諧波則以3次

24、為主。統(tǒng)計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%是最大的諧波源。(3)諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形，尖頂電壓波易在介質中誘發(fā)局部放電。高次諧波諧振時，一般電流不大，但過電壓很高，經常使設備絕緣損壞。甚至有諧振過電壓使母排之間空氣間隙擊穿導致補償柜燒毀的嚴重事故發(fā)生。(4)由于串聯(lián)電抗器電抗率設計”選擇有誤，在55”事故中極有可能造成了高次諧波過電壓”。理論計算如下：并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)(GB50227-2008)規(guī)定：當分組電容器按各種容量組合運行時，不得發(fā)生諧振。諧振電容器容量。(5)結論大廈3#變壓器0.4kV無功補償電容器柜55”事故發(fā)生高次諧波諧振的電容器容量為200kvar。正好落入5次諧波諧振區(qū)并與諧振點重合。經驗證明：高次