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開關櫃以及環網櫃運行問題分析和對策

12~40.5kV開關櫃、環網櫃設備是電網係統中運行數量最多的一次變電設備,近年來,開關櫃、環網櫃事故頻發,造成了經濟損失、人員傷亡等不好的社會影響。通過對在運開關櫃、環網櫃開展全麵排查、治理,發現其事故隱患及固有缺陷主要集中在接線方式、內部電弧釋放能力、內部絕緣、發熱和防誤閉鎖等方麵,通過製定針對性的對策,開關櫃、環網櫃事故數量大大減少,電網運行可靠性穩步提升。截止到2014年底,國家電網公司係統共計裝用開關櫃610097麵、環網櫃1199300麵。其中,開關櫃12kV占87.1%、24kV占1.2%、40.5kV占11.7%;開關櫃中斷路器櫃與母線設備櫃的比例約為5.7∶1,手車櫃與固定櫃的比例約為3.6∶1;絕大部分開關櫃仍是空氣絕緣,占總量的98.5%。詳細數量及比例見圖1。

圖1開關櫃類型及數量

1.接線方式隱患

1.1隱患類型

1.1.1TV櫃內避雷器直接連接母線

根據典型設計規範要求,TV櫃內避雷器須經隔離手車連接母線,而TV櫃內倉位布置、接線方式多樣,部分TV櫃內避雷器未通過隔離手車連接至母線上,當對TV進行檢修時,拉開隔離手車,避雷器仍帶電,給進入倉內作業的工作人員帶來觸電風險。TV櫃內避雷器主要有以下幾種接線形式,如圖2所示:

圖2開關櫃接線方式隱患

1)接線方式一:TV櫃內避雷器與TV安裝於後倉,熔斷器安裝在手車上,避雷器直接與母線相連,TV通過隔離手車與母線相連;

2)接線方式二:TV櫃內避雷器安裝在母線室內,直接與母線相連,TV與熔斷器安裝在手車上;

3)接線方式三:TV櫃內避雷器單獨安裝在後倉或前下倉,直接與母線相連,TV與熔斷器安裝在手車上。

4)接線方式四:TV與熔斷器安裝在XGN係列固定櫃隔室內,避雷器單獨安裝在另一隔室,直接與母線相連;

5)接線方式五:避雷器、TV和熔斷器都安裝於後倉,避雷器直接與母線相連,TV通過隔離手車與母線相連;

6)接線方式六:避雷器、熔斷器和TV安裝於同台手車,避雷器接於熔斷器後級。該布置方式屬於錯誤接線,運行中一旦熔斷器熔斷,設備將失去避雷器保護。

1.1.2開關櫃下櫃與後櫃未完全隔離

部分KYN係列主變進線開關櫃、母聯開關櫃、饋線開關櫃等開關櫃的下櫃與後櫃未完全隔離,工作人員進入下櫃可能誤碰母線或電纜頭帶電部位,造成觸電。開關櫃下櫃與後櫃未隔離隱患如圖3所示。

圖3開關櫃下櫃與後櫃未隔離隱患

1.2典型案例

2010年8月19日,江西某單位操作人員執行10kVI段母線電壓互感器由運行轉檢修調令,按照工作票要求,拉出10kVI段母線設備間隔小車至檢修位置,斷開電壓互感器二次空開,在I段母線電壓互感器櫃懸掛“在此工作”標示牌,在左右相鄰櫃門前後各掛紅布幔和“止步,高壓危險”警示牌,現場沒有實施接地措施。電壓互感器位置在開關櫃後倉,操作人卸下櫃後擋板,驗明電壓互感器確無電壓,進入櫃內拆除電壓互感器時,觸碰避雷器,發生櫃內接地故障,3名操作人員觸電死亡。事故現場照片及接線圖如圖4所示。

圖4事故現場照片及接線圖

此次故障即為開關櫃未按照國家電網公司典設以及設計圖紙要求,將10kV母線避雷器接在間隔小車之後,而是直接接在10kV母線上,導致拉開10kV母線電壓互感器隔離小車後,避雷器仍然帶電,施工人員在拆除電壓互感器過程中,觸碰到帶電的避雷器上部接線樁頭,造成人員觸電傷亡。

1.3對策

對存在接線方式隱患的開關櫃進行一次接線改造。開關櫃接線方式改造示意圖如圖5所示。

圖5開關櫃接線方式改造示意圖

1.3.1TV櫃內避雷器接線方式技術改造方案

1)對於接線方式一,拆除隔室內部的避雷器,TV接線方式不變,封堵原母線室穿牆孔,將避雷器放在手車上改裝成熔斷器避雷器手車,且避雷器與熔斷器、TV回路並聯。

2)對於接線方式二,拆除母線隔室的避雷器,將避雷器移到手車上改裝成熔斷器和避雷器共手車,增加下觸頭盒安裝板、觸頭盒擋板及活門機構,將TV安裝在後倉,通過引線連接至隔離手車下觸頭。該方案可在原手車上實施,也可考慮更換新手車。

3)對於接線方式三,拆除原隔室的避雷器,將避雷器移到手車上改裝成熔斷器和避雷器共手車,封堵原母線室穿牆孔,增加手車下觸頭盒安裝板、觸頭盒擋板及活門機構,將TV安裝在後倉,通過引線連接至下觸頭上。該方案可在原手車上實施,也可考慮更換新手車。

4)對於接線方式四,拆除其它隔室內部的避雷器,把避雷器移到熔斷器、TV隔室內,連接至隔離開關斷口後,且與熔斷器、TV回路並聯。

5)對於接線方式五,避雷器,TV安裝位置不變,將原避雷器引線直接連接到隔離手車下觸頭,封堵原母線室穿牆孔。

6)對於接線方式六,該布置方式屬於錯誤接線,運行中一旦熔斷器熔斷,設備將失去避雷器保護。拆除原手車中的避雷器、熔斷器,改變接線位置,使避雷器接於熔斷器的上級,且與熔斷器、TV回路並聯。

1.3.2開關櫃下櫃與後櫃未完全隔離防範措施

由於此類開關櫃產品結構定型,如在改造中加裝隔板會改變其內部結構形式及空間分布,產品內部防護性能無法保證,因此在進入櫃內作業時必須確認主變10kV側轉檢修、主變開關轉檢修,方可進行工作。

2.內部電弧釋放能力不足

2.1隱患類型

在實際運行中,金屬封閉開關櫃、環網櫃本身有缺陷,加之運行條件惡劣導致的絕緣性能劣化或誤操作等原因,都會造成內部發生電弧故障。短路產生的電弧溫度高、能量大,電弧本身是質量極輕的等離子氣體,在電動力和熱氣的作用下電弧會在櫃內高速移動並造成故障範圍迅速擴大。在此情況下,絕緣材料氣化,金屬融化,開關櫃內部溫度及壓力驟升,如果未設計或安裝合格的壓力釋放通道,巨大的壓力會造成櫃體隔板、門板、鉸鏈、觀察窗嚴重變形甚至斷裂,電弧產生的高溫氣流噴出櫃體,造成設備附近的運行維護人員嚴重灼傷,甚至危及生命安全。當前在運設備存在未設置泄壓通道、泄壓通道設置不合理、內部電弧釋放能力未經試驗驗證以及試驗時的考核不嚴格等問題。

2.2典型案例

2009年9月30日,湖北某單位進行10kV開關控製回路斷線信號缺陷處理,工作票結束後,2名運行值班人員依據調度指令執行開關試送電操作時,高壓室發出巨大聲響,2人全身著火從高壓室跑出,最終醫治無效死亡。開關櫃斷路器操作機構底部固定螺栓因頻繁震動而鬆動脫落,引起相間短路,由於未設置壓力釋放通道,高溫高壓氣體將前櫃門衝開,導致在開關櫃外檢查的運行人員燒傷。事故現場照片如圖6所示。

圖6事故現場照片

2.3對策

選型:開關櫃、環網櫃內部故障電弧性能應為IAC級,內部電弧允許持續時間應不小於0.5s,試驗電流為額定短時耐受電流。對於額定短路開斷電流31.5kA以上產品可按照31.5kA進行內部故障電弧試驗。

改造:加裝或更改泄壓通道,嚴格按照型式試驗標準要求進行內部電弧試驗驗證。

保護:適當壓縮主變壓器各段保護級差,減少故障電弧的持續破壞時間。

3.內部絕緣問題

3.1隱患類型

近年來,開關櫃、環網櫃產品體積不斷縮小,櫃內絕緣性能發生缺陷、故障增多。主要表現在:爬距和空氣間隙不夠,特別是手車櫃,現在很多廠家為了縮短櫃體尺寸,大幅度地減小裝於櫃內的斷路器、隔離插頭的相間和對地距離,卻未采取有效保證絕緣強度的措施;裝配工藝不良,由於裝配質量差,開關櫃內的單一元件可以通過耐壓試驗,但組裝後開關櫃整體卻無法通過;接點容量不足或接觸不良,當接點容量不足或接觸不良時,局部溫度升高,絕緣性能下降,引起對地或相間閃絡;凝露現象,自帶加熱器易損壞,無法正常工作,在開關櫃內發生凝露現象,降低絕緣性能;配套附件絕緣性能差。部分製造廠為了降低成本,采用絕緣水平較低的配套附件,降低了開關櫃的整體絕緣性能。

3.2典型案例

2006年11月8日,陝西某10kVI、II段母線TV二次電壓大幅下降,線路電流I段保護動作,開關跳閘,重合閘動作,重合失敗。現場檢查發現,開關櫃內避雷器上側引線接點的三相螺杆對開關櫃後門放電,避雷器、電纜頭和電流互感器均嚴重燒損,開關櫃後倉上蓋被炸開。故障主要由於線路間隔存在絕緣缺陷,發生單相接地,電弧產生灼熱煙氣,空氣電離,又由於該型式開關櫃相間距離較小,絕緣強度裕度小,造成其它兩相對後隔板放電,最終導致三相接地短路。事故現場照片如圖7所示。

圖7事故現場照片

3.3對策

不能盲目追求開關櫃、環網櫃小型化,應根據工程情況、變電站內布置、運行維護和設備檢修等因素綜合考慮,采購合適的開關櫃。

以空氣或以空氣/絕緣材料作為絕緣介質的設備應考慮絕緣材料的厚度、設計場強和老化問題,並要求製造廠按照標準要求進行凝露試驗;對開關櫃、環網櫃內穿牆套管、機械活門、母排折彎處等部位,如空氣絕緣淨距離小於125mm(12kV)和300mm(40.5kV),應采取導體加裝絕緣護套的包封措施;進出線套管、機械活門、母排拐彎處等場強較為集中的部位,應采取倒角打磨等措施,防止電場畸變;櫃內母線支持瓷瓶等一些絕緣爬距不能滿足防汙條件的設備,噴塗RTV絕緣塗料,提升老舊設備運行的技術條件。

4.發熱缺陷

4.1隱患類型

回路連接點接觸不良,接觸電阻增大,發熱問題突出,如隔離觸頭接觸不良;金屬鎧裝式櫃體通風口設計不合理,空氣不對流,散熱能力差,櫃內發熱問題較多;穿牆套管、電流互感器等安裝結構形成電磁閉合回路從而產生渦流,造成部分隔離擋板材質發熱現象嚴重;部分封閉開關櫃內幹式設備(澆注式電流互感器、澆注式電壓互感器、幹式變壓器)選用的繞組線徑不足、澆注工藝控製不嚴,極易發生過熱損壞。

4.2典型案例

2009年7月19日,上海某站2號主變10kV段跳閘,10kVⅢ/Ⅳ段自切成功。經檢查,2號主變12kV手車式隔離開關櫃閘刀A相主變側動觸頭與靜觸頭接觸不良,導致發熱,致使2號主變12kV引線手車、開關櫃上下觸頭盒及支持絕緣子燒損;同時,2號主變10kVⅢ段A相電流互感器由於緊鄰引線A相觸頭盒,受熱後外絕緣開裂。故障主要由於KYN4型開關櫃所配手車體形較大,整體容易變形,鴨嘴式彈簧觸頭接觸麵小,易發生接觸不良缺陷;該設備運行年限長達15年,部件老化,回路電阻增大,致使發熱缺陷進一步惡化。

4.3對策

加強開關櫃、環網櫃的散熱,加裝送風機及引風機;結合停電機會,檢查動靜觸頭接觸壓力,必要時予以更換,同時更換疲勞的觸頭彈簧。加大櫃體內部測溫技術研究,應用無線測溫等新技術解決測溫難問題。

5.防誤閉鎖不完善

5.1隱患類型

大部分開關櫃、環網櫃都裝配了防誤閉鎖裝置,但其防誤閉鎖全麵性、強製性並未達到要求。部分鎧裝式開關櫃的後部上櫃門為可開啟方式,無防誤閉鎖,無雙隔離擋板,打開後就可直接觸及帶電部位,且螺絲為普通內六角螺絲,易發生開啟櫃門誤入帶電櫃內的觸電事故;部分主變、母聯、TV、所用變等無接地開關的開關櫃,後部下櫃門未與接地開關形成機械閉鎖,可拆除螺絲直接打開後櫃門,未關櫃門的情況下也能合閘送電,易造成檢修人員誤開、誤入帶電間隔,發生人員觸電事故;部分開關櫃後櫃門上、下兩部分不能獨立閉鎖,上櫃門依靠下櫃門閉鎖。當合上出線接地開關,下櫃門閉鎖解除,後上櫃門也可打開,易造成觸電事故。如KYN28型開關櫃;部分開關櫃手車拖出後,可以輕易的將絕緣隔離擋扳推上,沒有防誤閉鎖,帶電體暴露,工作人員易誤開啟開關靜觸頭活門檔板,造成觸電事故。

5.2典型案例

2005年6月30日,湖南某工區進行開關櫃周期性檢修工作。操作過程中,10kV配電室內有大量濃煙冒出,兩名操作人員均不同程度燒傷,事故後檢查發現開關櫃前後門都已打開,刀閘後櫃門打開,隔離開關櫃10kV母線、開關櫃頂部、母線穿屏套管、隔離開關及支柱瓷瓶均已燒壞。故障原因為XGN9型固定式開關櫃的防誤功能不完善,在開關檢修並且母線帶電的情況下,後櫃門上層失去強製閉鎖,未有效防止工作人員誤入帶電區域。

5.3對策

針對開關櫃、環網櫃防誤功能不完善,對於後部上櫃門可開啟,且打開後就可直接觸及帶電部位的高壓開關櫃加裝機械掛鎖,配置微機防誤程序鎖進行閉鎖;在GG1A、XGN等開關櫃上加裝接地開關與後櫃門的聯鎖,加裝帶電顯示裝置閉鎖接地開關操作。定期檢查防誤裝置可靠性,利用停電機會檢查手車與接地開關,隔離開關與接地開關的機械閉鎖裝置。

6.結語

開關櫃、環網櫃設備是電網重要的一次變電設備,為保證其運行穩定,應從設計、材料、工藝、試驗、選型、運維等各個環節加強管控。嚴格按照典型設計要求,結合國家、行業標準,提出設計技術要求,從根本上杜絕接線隱患;依據國家和行業標準、以及反事故措施,製定嚴要求的設備招標文件,防止不合格產品入網運行;加強駐廠監造力度,對生產關鍵點、出廠試驗嚴格見證,對於不合格產品堅決不允許其出廠;積極開展開關櫃缺陷治理,強化反事故措施執行;完善開關櫃防誤功能,加強防誤閉鎖裝置的管理,裝設帶電顯示裝置,並與“五防”係統配合,保證防誤閉鎖的全麵性和強製性。