技术与应用 2010年第7期 730.4kV无功补偿电容柜弧光 短路事故原因深度分析 谭 永林 中国石油天然气集团公司北京 100083 摘要 在智能楼宇供配电系统中低压无 功功率补偿具有重要意义。但同时无功功率补偿装置也是供配电系统中一个事故易 发、多发的环节。本文通过一次具体事故分析捕捉这个环节中的不安全因素为及时 制定规避、预防和应急处理对策提供正确的依据。 关键词智能误判过量补偿高次谐 振弧光短路 With Regard to Reactive Power Compensation Capacitor Cabinet 0.4kV- Depth Analysis of Arc Short-Circuit Cause of the Accident Tan Yonglin China National Petroleum Corporation Beijing 100083 Abstract It is very important that low-voltage reactive power compensation of Electricity supply in the intelligent building systems. At the same time reactive power compensation devices for power system is also an accident- prone multiple links. In this paper a specific accident analysis capture this aspect of insecurity for the timely development of avoidance prevention and emergency response provides the correct basis. Key wordsintelligent misjudgmentexcessive compensationhigh-order harmonic short-circuit arc 1 引言 2009年5月5日11时01分北 京市东城区某大厦B3南变配电室一台0.4kV无功补偿电容器柜突发弧光短路事故。 在高低压变配电系统中无功补偿电容器柜是一个事故的易发、多发环节。同时这种 设备的事故原因分析难度较大。从现象上看弧光短路无非是过电压或过电流造成的。 但导致电容器过电压或过电流的因素却比电阻性或电感性电路复杂的多。这主要是 由于在容性负载电路发生短路故障瞬间ms级的状态往往是由多种因素联合作用的 结果。而其中有些因素是难以定量、难以测量、难以再现的。 2000年11月9日9时42 分北京市海淀区某大厦B1变配电室变压器二次侧0.4kV无功补偿电容器组在运行中 突然爆炸起火大火烧毁了五面配电柜但电容器组爆炸起火的原因终无定论。图14是 “11.9”事故的现场照片。 图1 爆炸起火的电容器组 图2 被大火烧毁的配电柜 技术 与应用 2010年第7期 74 图3 被大火烧毁的电容器柜 图4 被大火烧毁的电缆线 2 事故过程 2009年5月5日10时35分北京市东城区某大厦以下简称大厦B3南变配电室 两持证电工对3变压器二次侧0.4kV无功补偿电容器辅柜进行检修一人监护一人操作 断开辅柜总电源开关将辅柜7-12组300kvar电容器与主回路隔离。然后两人对第八组 电容器投切交流接触器检查前运行人员发现其中相接触不良及其他5个投切交流接 触器的接线端子进行检查。11时检查完毕二人关好柜门。11时零1分操作合上辅柜总 电源开关。此时一声巨响在总电源开关上口裸露接线端子根部之间突发三相弧光短 路。几乎与此同时3变压器二次侧出线403低压断路器和一次侧进线212高压断路器 的过电流脱扣器短路瞬时保护动作跳闸3变压器停电。 3 事故分析 3.1 操作问题 一操作规程 1关于电力电容器的操作规程 图5 发生事故的SIWOH1系列开关 图6 开关上口接线端子根部弧光短路 按照北京市供电局颁布的北京地区电气设备运行 管理规程2000版和并联电容器装置设计规范GB50227-2008等规程的要求在操作 电力电容器时必须遵守以下规定 1全站停电操作时要先停电容器组后停接于电容器 组母线上的各出线。 2全站恢复送电时要先送接于电容器组母线上的各出线再送电 容器组。 3全站故障失去电源后对失压保护拒动的电容器组必须将电容器与电源断 开以免电源重合闸时损坏电容器。 4电容器组保护熔丝熔断后未查明原因不准更换 熔丝送电。 5电容器因内部故障掉闸后在未拆除故障电容器前禁止重新合闸送电。 6电容器分闸后至再次合闸的间隔时间不得少于3min。 7装有功率因数自动补偿控 制器的电容器组当自动装置发生故障时应立即退出运行。 8为防止铁磁谐振过电流 严禁空载变压器带电容器组运行。 9当电源电压高于电容器额定电压1.1倍、运行电 流超过电容器额定电流1.3倍、电容器环境温度超过40、电容器外壳温度超过60 时应将电容器退出运行。 技术与应用 2010年第7期 752关于只具有隔离功能的电 器的操作规程 按照北京市供电局颁布的北京地区电气设备运行管理规程2000版、 低压配电设计规范GB50054-95、低压开关设备和控制设备第三部分开关、隔离 器、隔离开关及熔断器组合电器GB14048.3-2002等规程的要求在操作只具有隔离 功能的电器时必须遵守的规定是 1严禁带负荷分断、接通电路。 2隔离电器不得作 为操作电器使用。当隔离电器误操作会造成严重事故时因采取防止误操作的措施。 “55”事故操作人员没有违反第一类操作规程。但是否违反了第二类操作规程呢在这 里问题的关键是要确认发生事故的SIWOH1系列开关究竟是只能起隔离电路作用的 隔离电器还是同时具备接通、分断电路功能允许带负荷操作的操作电器。开关的性 质决定了操作的性质 1类别SIWOH1-630开关属于GB14048.3- 2002所定义电器中的 第四大类熔断器组合电器中的第五小类隔离开关熔断器组。使用类别是AC- 23B。 2性质SIWOH1-630开关是可以带负荷不频繁分合电路的操作电器。当分合时 的电压条件为1.05时可以安全接通6300A10倍的额定电流可以安全分断5040A8倍的 额定电流。 3基于本开关的类别和性质“55”事故时电工的操作没有违反电气安全工 作的基本规程没有违反电工安全作业的基本常识是一次正常的操作。 二正常操作 与危险状态 违章操作必然与危险状态相联系但正常操作却并不必然与安全状态相 联系。一次正常的操作可能引发多种危险的状态。这就是电气行业工作的特殊性。对 于电路分、合操作尤其是这样。 特别是无功补偿电容器装置每次操作时回路中各个 电器元件的工况都是有差别的电路中电压、电流的相位波形都是不相同的过电压或 过电流可能因各种因素诱导随机产生。例如常见的操作过电压有 1合闸瞬间电源电 压相位角最大过电压。 2合闸时触头弹跳过电压。 3分闸时电弧重击穿过电压。 4合 闸时高次谐振过电压。 5合闸时残留电荷过电压。 6合闸时过量补偿过电压等。 3.2 开关故障分析 一故障问题 1瞬间电流 在“55”弧光短路的一瞬间SIWOH1-630开关 动静触头接通的电流究竟有多大呢根据当时开关负荷侧3个gG630A熔断器总保险和 12个gG160A熔断器分保险一个都没有熔断的事实可以判定当时开关在ms级时限内 接通的电流在630A以内。这个数值远远低于开关的通断能力。在正常条件下是不应 该产生电弧的。因此要考虑开关的接触机构是否存在故障导致它在较大电流下形成 飞弧短路或热击穿短路。 2可能因素 该开关动静触头接触方式为横推插入式指夹 双面接触发生合闸弹跳重击穿的概率很小。在这一点上远优于平面拍合式单面接触 方式。但是该开关动触头为双断点桥式压簧片触头结构有12组动静接触点接触点多、 连接点多有可能发生以下故障动触头连接虚静触头连接虚加速机构速度不 够在动静触头间已经形成很大的接触电阻合闸时12组动静接触点不同步。 3 解体检查 我们对事故开关进行了解体检查。检查发现 112组动静触头接触面光滑 干净颜色如初触头上的导电膏依然如故。 2三相触头密封空间亦完好干净。没有发 生强烈电弧所特有的烧熔、弧坑、炭化、变色、飞溅等痕迹。 3在动静触头前端接触面边沿有微小的电火花灼蚀点属于正常现象。 4前面考虑的五点故障因素除加速机 构速度无法测量外其余可以排除。 图7 开关静触头上黑色导电膏清晰可见 技术与 应用 2010年第7期 76 图8 开关动触头光滑干净颜色如初 4结论 1事故发生瞬间开 关接通的电流基本在额定工作电流范围内当然更在额定接通电流能力范围内。定量 估算可能为 I80423202640A 2开关动静触头的电气结构未发现异常合闸同期性 亦正常。 3开关动静触头在接通电路时没有产生强烈电弧。因此开关出现飞弧短路 和热击穿短路的可能性较小。 4在动静触头前端接触面边沿有微小的电火花灼蚀点 这说明在动静触头接触瞬间亦有微小电弧产生。但考虑到满足本使用类别的接通和 分断条件当时可能已经破坏出现微小的电弧亦属正常。 二质量问题 1瞬间电压 在 “55”弧光短路的一瞬间SIWOH1-630开关相间绝缘承受的电压究竟有多高呢根据当 时开关电源侧配置的电压保护水平为1.5kV的EC-40型浪涌保护器没有动作的事实 可以判定当时开关在ms级时限内承受的电压在1.5kV以内。同时根据此电容器极间 耐压1130V10S和极对壳耐压3000V1min的性能可判定1200V为此电容器在ms级时限 内极间耐压的上限。SIWOH1-630开关的额定冲击耐受电压虽然可达610kV但它的额 定绝缘电压只有750V在塑料外壳发热温度低于80的条件下。因此若当时电路中有 1.52.0Uj瞬间过电压出现也会对开关构成威胁。这里所说的质量问题主要是看开关 的额定冲击耐受?缪埂疃档缪埂掌凶钚缙湎丁钚赖缇嗬牒途当砻 嫖律拗档燃际踔副晔欠窈细瘛?2闪络短路 凭经验直观感觉SIWOH1-630开关上口 裸露出线端子相间在较高电压下沿塑料外壳表面放电闪络短路的概率最大。 3低 压成套开关设备和控制设备第1部分型式试验和部分型式试验成套设备GB 7251.1- 2005对开关电气间隙、爬电距离、温升限值的规定 1空气中最小电气间隙在额定耐 受冲击电压为612kV时非均匀电场是5514mm。 2设备长期承受电压的最小爬电距 离在实际承受电压为8001250V时污染等级4级材料组别a是2540mm。 3开关绝缘 表面温升限值是40。 图9 开关上口裸露出线端子相间 在较高电压下闪络短路的 概率最大 4绝缘遥测 开关额定耐受冲击电压为612kV这个数值主要是指绝缘材料 内部永久性击穿的指标。我们用500V、1000V、2500V兆欧表在冷态下进行了测试没 有发现硬击穿现象。 5结论 1事故发生前瞬间开关承受的电压在额定耐受冲击电压 的范围内。但极可能超过了开关的额定绝缘电压。定量估算可能为 U7501.5211251500V 在这个过电压值下虽然没有发生绝缘材料硬击穿短路但并不 能保证不发生放电闪络短路。 2此开关的相间绝缘间距是30mm。符合GB 7251.1- 2005规定的空气中最小电气间隙。但GB 7251.1-2005规定的设备长期承受电压的 最小爬电距离表明当工作电压1250V时污染等级4级材料组别a最小爬电距离 40mm。放电的危险是存在的。 3GB 7251.1-2005规定开关绝缘材料表面温升限值是 40。经验证明当开关在较大电流冲击下瞬间温升是该数值的两倍以上时开关塑料 外壳表面电阻会急剧下降此时加上750V的高电压附 技术与应用 2010年第7期 77 着着灰尘的相间绝缘材料表面发生放电闪络短路是