0.4kV 無功補償電容柜弧光短路事故原因詳細分析

0.4kV無功補償電容柜弧光短路事故原因詳細分析0.4kV無功補償電容柜弧光短路事故原因詳細分析0.4kV無功補償電容柜弧光短路事故原因詳細分析xxx公司0.4kV無功補償電容柜弧光短路事故原因詳細分析文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準審核制定方案設(shè)計，管理制度一、引言

2009年5月5日11時01分，北京市東城區(qū)某大廈B3南變配電室一臺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(shè)備的事故原因分析難度較大。從現(xiàn)象上看，弧光短路無非是過電壓或過電流造成的。但導(dǎo)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(fù)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(jié)果。而其中有些因素是難以定量、難以測量、難以再現(xiàn)的。

2000年11月9日9時42分，北京市海淀區(qū)某大廈B1變配電室變壓器二次側(cè)無功補償電容器組在運行中突然爆炸起火，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1～２是“”事故的現(xiàn)場照片。

二、事故過程

2009年5月5日10時35分，北京市東城區(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(cè)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(guān)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(xiàn)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(guān)好柜門。11時零1分，操作合上輔柜總電源開關(guān)。此時一聲巨響，在總電源開關(guān)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(cè)出線403低壓斷路器和一次側(cè)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

操作問題

（一）操作規(guī)程

（1）關(guān)于電力電容器的操作規(guī)程

按照北京市供電局頒布的《北京地區(qū)電氣設(shè)備運行管理規(guī)程》（2000版）和《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》（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(fù)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）電容器因內(nèi)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(shù)自動補償控制器的電容器組，當自動裝置發(fā)生故障時，應(yīng)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倍、運行電流超過電容器額定電流倍、電容器環(huán)境溫度超過40℃、電容器外殼溫度超過60℃時，應(yīng)將電容器退出運行。

（2）關(guān)于只具有隔離功能的電器的操作規(guī)程

按照北京市供電局頒布的《北京地區(qū)電氣設(shè)備運行管理規(guī)程》（2000版）、《低壓配電設(shè)計規(guī)范》（GB50054-95）、《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第三部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)及熔斷器組合電器》（）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。

“5·5”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(guān)鍵是要確認發(fā)生事故的SIWOH1系列開關(guān)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(guān)的性質(zhì)決定了操作的性質(zhì)：

1）類別：SIWOH1-630開關(guān)，屬于2002所定義電器中的第四大類—熔斷器組合電器中的第五小類—隔離開關(guān)熔斷器組。使用類別是AC-23B。

2）性質(zhì)：SIWOH1-630開關(guān)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(guān)的類別和性質(zhì)，“5·5”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(dǎo)隨機產(chǎn)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。

（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。

開關(guān)故障分析

（一）故障問題

（1）瞬間電流

在“5·5”弧光短路的一瞬間，SIWOH1-630開關(guān)動靜觸頭接通的電流究竟有多大呢根據(jù)當時開關(guān)負荷側(cè)3個gG630A熔斷器（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(guān)在ms級時限內(nèi)接通的電流在630A以內(nèi)。這個數(shù)值遠遠低于開關(guān)的通斷能力。在正常條件下是不應(yīng)該產(chǎn)生電弧的。因此，要考慮開關(guān)的接觸機構(gòu)是否存在故障，導(dǎo)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(guān)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(guān)動觸頭為雙斷點橋式壓簧片觸頭結(jié)構(gòu)，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：①動觸頭連接虛；②靜觸頭連接虛；③加速機構(gòu)速度不夠；④在動靜觸頭間已經(jīng)形成很大的接觸電阻；⑤合閘時12組動靜接觸點不同步。

（3）解體檢查

我們對事故開關(guān)進行了解體檢查。檢查發(fā)現(xiàn)：

1）12組動靜觸頭接觸面光滑干凈，顏色如初，觸頭上的導(dǎo)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(xiàn)象。

4）前面考慮的五點故障因素，除加速機構(gòu)速度無法測量外，其余可以排除。

（４）結(jié)論

1）事故發(fā)生瞬間開關(guān)接通的電流基本在額定工作電流范圍內(nèi)（當然更在額定接通電流能力范圍內(nèi)）。定量估算可能為ｉ＝(80×4)×2＝320×2＝640A

2）開關(guān)動靜觸頭的電氣結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)異常，合閘同期性亦正常。

3）開關(guān)動靜觸頭在接通電路時沒有產(chǎn)生強烈電弧。因此，開關(guān)出現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)破壞，出現(xiàn)微小的電弧亦屬正常。

（二）質(zhì)量問題

（1）瞬間電壓

在“5·5”弧光短路的一瞬間，SIWOH1-630開關(guān)相間絕緣承受的電壓究竟有多高呢根據(jù)當時開關(guān)電源側(cè)配置的電壓保護水平為的EC-40型浪涌保護器沒有動作的事實，可以判定：當時開關(guān)在ms級時限內(nèi)承受的電壓在以內(nèi)。同時根據(jù)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為此電容器在ms級時限內(nèi)極間耐壓的上限。SIWOH1-630開關(guān)的額定沖擊耐受電壓雖然可達6~10kV，但它的額定絕緣電壓只有750V（在塑料外殼發(fā)熱溫度低于80℃的條件下）。因此，若當時電路中有（～）Uj瞬間過電壓出現(xiàn)，也會對開關(guān)構(gòu)成威脅。這里所說的質(zhì)量問題，主要是看開關(guān)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(shù)指標是否合格。

（2）閃絡(luò)短路

憑經(jīng)驗，直觀感覺：SIWOH1-630開關(guān)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(luò)短路的概率最大。

（3）《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：型式試驗和部分型式試驗成套設(shè)備》（GB2005）對開關(guān)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6~12kV時（非均勻電場），是5·5~14mm。

2）設(shè)備長期承受電壓的最小爬電距離：在實際承受電壓為800~1250V時（污染等級4級，材料組別Ⅲa），是25~40mm。

3）開關(guān)絕緣表面溫升限值是40℃。

（4）絕緣遙測

開關(guān)額定耐受沖擊電壓為6~12kV，這個數(shù)值主要是指絕緣材料內(nèi)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(xiàn)硬擊穿現(xiàn)象。

（5）結(jié)論

1）事故發(fā)生前瞬間開關(guān)承受的電壓在額定耐受沖擊電壓的范圍內(nèi)。但極可能超過了開關(guān)的額定絕緣電壓。定量估算可能為U＝750×～2)＝1125～1500V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(luò)短路。

2）此開關(guān)的相間絕緣間距是30mm。符合GB規(guī)定的空氣中最小電氣間隙。但GB規(guī)定的—設(shè)備長期承受電壓的最小爬電距離表明：當工作電壓≥1250V時（污染等級4級，材料組別Ⅲa），最小爬電距離=40mm。放電的危險是存在的。

3）GB規(guī)定開關(guān)絕緣材料表面溫升限值是40℃。經(jīng)驗證明：當開關(guān)在較大電流沖擊下瞬間溫升是該數(shù)值的兩倍以上時，開關(guān)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)生放電閃絡(luò)短路是完全可能的。

4）根據(jù)以上非常有限技術(shù)條件下的分析，筆者認為：開關(guān)的接觸機構(gòu)和絕緣指標基本上沒有嚴重的問題。開關(guān)短路是由于當時電路里出現(xiàn)了超出開關(guān)技術(shù)指標的異常狀態(tài)。

（三）安裝問題

（1）使用說明書要求

本開關(guān)安裝單位是國內(nèi)某儀表廠。2009年5月15日，該廠在為大廈更換新開關(guān)時隨機帶來一份《SIWOH1-63～1250系列隔離開關(guān)熔斷器組使用說明書》。說明書內(nèi)容共分八部分。其中第七部分-使用與維修-第2條要求：“開關(guān)上的接線端子和接線裸母線應(yīng)包扎絕緣物，防止開關(guān)相間短路。”

（2）大廈現(xiàn)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(guān)熔斷器組都沒有按照該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(guān)制造廠家根據(jù)SIWOH1系列產(chǎn)品的技術(shù)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(guān)相間在此位置閃絡(luò)、爬電和飛弧短路。

電路問題

大廈安裝的低壓無功補償電容器柜，是由國內(nèi)某建筑設(shè)計院設(shè)計，由國內(nèi)某儀表廠組裝生產(chǎn)。這種設(shè)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)電抗器過熱等異常現(xiàn)象。深入分析表明：這種設(shè)備在設(shè)計上存在缺陷。這種缺陷成為“5·5”弧光短路事故的主要誘發(fā)因素。

（一）因設(shè)計潛伏隱患

（1）REGO型自動功率因數(shù)控制器接線方式

1）REGO自動控制器不受總電源開關(guān)控制。主輔柜兩個SIWOH1-630開關(guān)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(guān)上口，不受總開關(guān)控制。當總開關(guān)斷開后，REGO仍在工作。原設(shè)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(xiàn)異常狀態(tài)。即：在總開關(guān)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(guān)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(shè)計規(guī)范》（GB50227-2008）規(guī)定：串聯(lián)電抗器電抗率選擇，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)條件與電容器參數(shù)經(jīng)相關(guān)計算分析確定，電抗率取值范圍應(yīng)符合下列規(guī)定：①僅用于限制涌流時，電抗率宜取%～1%；②用于抑制諧波時，電抗率應(yīng)根據(jù)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)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%～%；當諧波為3次及以上時，電抗率宜取%；亦可采用%～%與%兩種電抗率混裝方式。

2）低壓調(diào)諧濾波器產(chǎn)品樣本（2007年10月版）提示：存在諧波的電網(wǎng)（應(yīng)用非線性負載例如整流器、電焊等）選擇功率因數(shù)補償系統(tǒng)時，應(yīng)特別注意產(chǎn)生諧波的影響。為了避免諧振這一危險現(xiàn)象，電容器一定要串聯(lián)合適的調(diào)諧濾波電抗器。這樣就可以得到諧振頻率低于諧波范圍的振蕩回路。通過調(diào)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?shù)脑膫鬏敚驗楸仨氈腊惭b補償設(shè)備的電網(wǎng)特性和應(yīng)用的電抗器對電容器所產(chǎn)生的影響。

3）在運行中發(fā)現(xiàn)：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120℃。3#、5#、6#變壓器電容器補償柜不斷出現(xiàn)投切接觸器燒毀和熔斷器熔斷的現(xiàn)象?！?·5”事故后，筆者對其串聯(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(shè)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(xiàn)象的。

（3）結(jié)論

因以上設(shè)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(shè)置了分組投切的無功補償電容器組（三相容量600kvar）。調(diào)試時電動機還沒啟動，調(diào)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(shè)計”考慮不周，在“5·5”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(guān)，使輔柜由運行轉(zhuǎn)檢修。

3）總開關(guān)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(cè)需要50×2=100kvar的無功補償量，但由于總開關(guān)將兩組電容器切除，電路中出現(xiàn)了欠補償。這個欠補償信號由403主進開關(guān)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(jù)電路需要已經(jīng)投入了4組50×4=200kvar的無功補償量。但此時實際仍然是零補償。

6）操作人員結(jié)束工作后，合上SIWOH1-630開關(guān)，使輔柜由檢修轉(zhuǎn)運行。SIWOH1-630開關(guān)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“5·5”開關(guān)相間弧光短路起了作用。但是經(jīng)驗證明：過量補償過電壓的數(shù)值很少>2Ue。這個數(shù)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(chǎn)生諧波的根本原因是由于向具有非線性阻抗特性電氣設(shè)備供電的結(jié)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(shù)的正弦波分量），導(dǎo)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(chǎn)生諧波，主要有：①整流設(shè)備；②視頻設(shè)備；③辦公自動化

設(shè)備：計算機、復(fù)印機、打印機、傳真機等；④UPS

電源設(shè)備：⑤智能照明設(shè)備；⑥變頻調(diào)速設(shè)備；⑦

電梯設(shè)備：⑧電弧設(shè)備等。

（2）由于智能樓宇中安裝著大量電力電子設(shè)備，同時這些設(shè)備產(chǎn)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(chǎn)生的諧波以3、5、7次為主（筆記本便攜式計算機產(chǎn)生的諧波頻譜更加廣泛）。復(fù)印機產(chǎn)生的諧波以3、5、7、9、11、13次為主?？勺冾l驅(qū)動裝置產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的諧波以11、13次最為顯著。單相供電的UPS產(chǎn)生的諧波則以3次為主。統(tǒng)計表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，