一起化工廠10kV開關柜過電壓保護器熱崩潰事故分析

左 濤

一起化工廠10kV開關柜過電壓保護器熱崩潰事故分析

左 濤

（樂山一拉得電網自動化有限公司，四川 樂山 614000）

以某化工廠110kV變電站10kV開關柜內過電壓保護器熱崩潰引發斷路器跳閘、開關柜電纜室爆炸的事故為例，從過電壓保護器結構及工作原理入手，根據事故現象對事故發生原因進行逐一排查和分析，綜合判斷造成這起事故的原因為10kV系統B相反復間歇電弧接地引發鐵磁諧振過電壓，導致過電壓保護器內氧化鋅電阻片熱崩潰，繼而引發開關柜內AC相間短路故障和電纜室爆炸，分析結果表明該型過電壓保護器的三相四星形接線結構缺陷是此次事故發生的根源。最后，為防止類似事故再次發生，提出消除和防范措施，為確保電力系統安全穩定運行提供參考。

開關柜；過電壓保護器；間歇電弧接地；鐵磁諧振；熱崩潰

0 引言

過電壓保護器是一種保護電力設備絕緣免受過電壓危害的新型保護電器，主要用于限制外部雷擊（大氣）過電壓和由于電力系統參數發生變化導致電磁能量產生振蕩和積聚而引起的內部過電壓，其實質是人為在系統中制造一個絕緣薄弱點，使系統中的過電壓能量從該薄弱點釋放，從而達到對電力系統中各種電氣設備，特別是對高壓旋轉電動機等弱絕緣設備的相間、相地及匝間絕緣的保護作用，具有殘壓低、伏安特性平坦、動作迅速等特點[1-2]。但是，當過電壓保護器熱崩潰，甚至引發爆炸時，會對電氣設備的安全穩定運行產生重大危害。

本文以某化工廠110kV變電站10kV出線開關柜過電壓保護器熱崩潰擊穿，引發開關柜內相間短路并發生電纜室爆炸的事故為例，從過電壓保護器的結構及工作原理入手，根據事故現象對事故原因進行逐一排查和分析，并提出防止類似事故再次發生的消除和應對措施，從而確保電力系統的安全穩定運行。

1 事故經過

2022年1月24日11:03，某化工廠110kV變電站10kV開關室I段母線10kV聯堿冷卻塔風機出線開關柜電纜室發生爆炸，事故現場開關柜狀況如圖1所示，電纜室前后柜門被爆炸產生的高壓氣流沖開，開關柜門框及柜門變形（見圖1（a））。該柜出線開關保護裝置顯示“AC速斷過電流保護動作”，保護動作后11ms該柜斷路器跳閘，故障被切除。經查看，開關柜電纜室A相電流互感器損壞，連接母排脫落，接地開關A相絕緣子破裂（見圖1（b）），柜內過電壓保護器損壞最為嚴重，保護器A、C兩相復合樹脂外套被擊穿炸裂（見圖1（c）），與銅排搭接的A、C兩相高壓引線電纜熔斷，B相完好，電纜室兩側的金屬板有電弧燒灼痕跡（見圖1（d））。這次事故造成聯堿冷卻塔風機停運，影響了用戶的安全生產，造成了一定的經濟損失。

2 事故原因排查與分析

根據以上事故現場情況，初步判斷造成此次故障的原因是該10kV出線開關柜電纜室內過電壓保護器A相和C相保護單元發生熱崩潰擊穿，引發開關柜內AC相間短路，造成開關柜電纜室發生爆炸。造成過電壓保護器熱崩潰的原因很多，需要從其結構及工作原理入手，根據事故現象逐一排查和分析。

2.1 過電壓保護器結構簡述

與該10kV開關柜配套的保護器是安徽某公司的某型三相四柱式無間隙過電壓保護器，其標稱放電電流為2.5kA，保護對象為電動機，允許施加在保護裝置端子間的最大工頻電壓有效值為13.5kV，2ms方波通流容量為400A。該過電壓保護器由4個保護單元組成，采用三相四星形接法，保護單元兩兩組合形成相-相、相-地保護。A、B、C三相的保護單元由脫離裝置TL、非線性金屬氧化鋅電阻片ZnO和相應的零部件組成。過電壓保護器電氣原理如圖2所示。

圖2 過電壓保護器電氣原理

該過電壓保護器的工作原理是利用金屬氧化鋅電阻片良好的非線性伏安特性，氧化鋅電阻片的伏安特性曲線如圖3所示。在系統電壓正常時，過電壓保護器中的金屬氧化鋅電阻片工作在低電場區，呈現高電阻狀態，此時氧化鋅避雷器對地絕緣。在過電壓作用下，金屬氧化鋅電阻片工作在中電場區或高電場區，呈現低電阻狀態，將過電壓產生的電流泄入大地，使氧化鋅電阻片上的壓降（即殘壓）低于被保護設備的絕緣水平，從而實現設備保護。但是，如果過電壓保護器所承載的持續功率損耗超過外套和連接件的散熱能力而引起電阻片的溫度累積升高[3-4]，就會造成氧化鋅電阻片“不堪重負”而熱崩潰擊穿，繼而引發連鎖反應，最終導致相間短路并發生開關柜爆炸。

圖3 氧化鋅電阻片的伏安特性曲線

2.2 事故原因排查

根據文獻[5-6]，造成過電壓保護器熱崩潰的原因有以下幾種。

1）氧化鋅電阻片受潮老化

過電壓保護器受生產工藝影響，容易出現復合樹脂外套密封不良，內部有空氣存在。當發生過電壓時，氧化鋅電阻片導通，以自身發熱的形式消耗過電壓產生的能量，保護器內部干燥空氣會通過密封薄弱處向外排出；過電壓消失后，由于氣壓差外部潮濕的氣體被吸入保護器內部[7]。這種由于熱脹冷縮產生的“呼吸現象”，導致氧化鋅電阻受潮發生泄漏老化，絕緣電阻降低，當發生過電壓時容易熱崩潰擊穿。但是，事故開關柜位于室內，通風散熱條件良好，且運行時間不到一年，因受潮導致過電壓保護器氧化鋅電阻片老化的可能性不大，同時觀察現場收集的被擊穿的金屬氧化鋅電阻片，也并未發現受潮情況，因此排除由于受潮導致氧化鋅電阻片泄漏電流增大而老化的情況。被擊穿的金屬氧化鋅電阻片如圖4所示。

圖4 被擊穿的金屬氧化鋅電阻片

2）保護器表面污穢

外部污穢會引起過電壓保護器表面電壓分布不均勻，產生局部放電，局部放電所產生的電子、離子在電場作用下運動，撞擊過電壓保護器的絕緣材料，使電介質逐漸分解、破壞，放電產生的導電性和活性氣體也會氧化、腐蝕電介質。同時，局部放電使該處的局部電場畸變加劇，進一步增大了局部放電的強度。局部放電處產生局部的高溫，使絕緣產生不可恢復的損傷（脆化、炭化等），這些損傷在長期運行中不斷擴大，加速了電介質的老化和破壞，當發展到一定程度時，有可能導致整個保護器絕緣在工作電壓或過電壓下發生擊穿或沿面閃絡[8]。但是，觀察本次故障損壞的過電壓保護器，A、C兩相電阻片被熱擊穿，復合樹脂套被擊穿炸裂，表面無明顯爬電或燒損跡象，保護器底座為絕緣材料且底座周圍外殼無放電燒蝕跡象，并且過電壓保護器所處的運行環境良好，無粉塵、煙霧等易污染因素，因此可以判斷過電壓保護器內部發生了爆炸，而非表面污穢局部放電引起，故排除過電壓保護器表面污穢引起相間短路的可能。

3）過電壓引起氧化鋅電阻片熱崩潰

過電壓分為外部過電壓、內部過電壓，外部過電壓也稱雷擊過電壓，是由直接雷擊或雷電感應而產生的過電壓。此次事故發生在1月份，時值冬季，當地沒有雷電現象，而且根據當值廠站值班員介紹，事故發生當天天氣情況良好，因此排除雷擊過電壓發生的可能。

內部過電壓是電力系統中由于真空斷路器操作、系統故障（如接地）發生及消失、系統電感、電容在特定情況下的配合不當或其他原因，使系統發生變化而產生的。內部過電壓分為操作過電壓、暫時過電壓。切除空載變壓器、真空斷路器操作均會引起電壓升高，這類過電壓就是操作過電壓；暫時過電壓包括工頻過電壓、間歇電弧接地過電壓和諧振過電壓。工頻過電壓對系統中正常絕緣的電氣設備一般不構成威脅；間歇電弧接地過電壓是中性點不接地系統單相接地時，接地電弧反復間歇性熄滅和重燃引起電磁暫態振蕩過渡而形成的過電壓；諧振過電壓是由于電網系統中的電感元件和電容元件因操作、故障、負荷波動等多種原因形成共振條件，激發持續諧振而導致的過電壓[8]。根據當值廠站值班員介紹，事故發生時未進行真空斷路器的分合閘操作，系統中也沒有空載變壓器，因此排除操作過電壓的可能，剩下的可能就是間歇電弧接地過電壓和諧振過電壓。

間歇電弧接地過電壓和諧振過電壓由于持續時間長，對系統的危害最大，會造成電壓互感器（PT）燒毀、過電壓保護器爆炸、電氣設備絕緣損傷、電纜放炮等事故[9]。本次事故由間歇電弧接地過電壓和諧振過電壓引發的可能性最大，應予以重點研究和分析。

2.3 事故原因分析

根據后臺監控系統記錄的電壓波形顯示，主變低壓側ab在1月24日10:55發生電壓陡增，11:03達到最高峰值，即當時10kV系統發生了過電壓。根據微機控制器的故障記錄，11:03系統發生B相接地，10kV系統三相電壓值分別為a=7.633kV，b=2.683kV，c=7.42kV，可見A相和C相的對地電壓由正常的5.77kV上升到7.633kV和7.42kV，而非單相金屬性接地時非故障相電壓升高到線電壓；故障相B相電壓降至2.683kV，而非單相金屬性接地時故障相電壓降至0，因此微機控制器故障記錄的“B相接地”，并不是真正的B相金屬性接地，而是“虛接地”，這種現象通常是由PT飽和引起的鐵磁諧振過電壓造成的。

綜合事故現場情況，此次事故發生的過程應該是10kV系統B相存在絕緣薄弱點，造成B相反復間歇電弧接地，這會造成當接地電弧重燃時，故障點流過容性電流，未發生接地故障的A相、C相對地電壓瞬時升高；當接地電弧熄滅時，未發生接地故障的A相和C相的相對地電壓突變回原來的相電壓，此時接地故障期間充的多余電荷需要釋放掉。該廠10kV系統是中性點不接地系統，系統中只有通過PT的中性點才能構成釋放回路，大量電荷短時間內通過PT一次側中性點釋放會使電壓互感器電感快速飽和，飽和后電壓互感器A相勵磁電感1和C相勵磁電感3劇烈下降，流過1和3的電感電流增大，使A相的對地導納1和C相的對地導納3變成感性，故障相B相的對地阻抗仍為容性，即對地導納2為容性，當對地導納滿足參數匹配時，容性導納與感性導納的抵消作用使1+2+3=0，從而激發了電磁暫態振蕩，中性點位移電壓急劇升高，三相導線的對地電壓等于各相電源電勢與中性點位移電壓的相量和[10-12]，中性點位移時三相電壓相量圖如圖5所示。相量疊加的結果使A相和C相的對地電壓升高，而B相的對地電壓降低，此時就出現了微機控制器故障記錄的結果，即A相、C相出現了鐵磁諧振過電壓，且時間長、幅值高。

圖5 中性點位移時三相電壓相量圖

由于該型過電壓保護器采用三相四星形接線結構，該結構中的氧化鋅電阻片單元兩兩組合形成相-相、相-地保護，存在人為制造的一個中性點，使相間氧化鋅電阻片長期運行荷電率過高、老化嚴重，當系統出現間歇電弧接地過電壓和諧振過電壓時，相地氧化鋅電阻片就會因溫度累積升高而發生熱崩潰擊穿，當一個單元的電阻片熱擊穿后呈短路特性，使原來由兩個單元承受的持續運行電壓變為只由一個單元來承擔，氧化鋅電阻片的荷電率增加了約一倍，相間氧化鋅電阻片的伏安特性工作點大幅提高，但是電阻片的極限熱容量不足，這使剩下的氧化鋅電阻片單元迅速損壞并發生熱崩潰[13]，這種連鎖反應導致過電壓保護器相間短路。因此，過電壓保護器A相和C相在鐵磁諧振過電壓作用下熱崩潰擊穿并發生內部相間短路，短路電流急劇升高，導致過電壓保護器溫度急劇升高，造成本體結構爆裂，形成A相與C相相間飛弧，并引發開關柜內AC相間短路故障，短路電弧釋放的能量可高達3.06×107J[14]，使電纜室壓力急劇上升，并造成嚴重的熱效應，在熱效應與驟增壓力的雙重作用下，電纜室柜門被沖開，開關柜門框及柜門變形。同時，與銅排搭接的過電壓保護器A相和C相的高壓引線電纜熔斷脫落，脫落過程中受電弧牽引左右擺動引發拉弧，形成弧光短路放電，柜體兩側的金屬板產生的電弧灼傷痕跡就是引線電纜擺動拉弧放電所致。

綜上所述，此次事故是10kV系統B相反復間歇電弧接地引發鐵磁諧振過電壓，使過電壓保護器內氧化鋅電阻片單元迅速熱崩潰擊穿，引發相間短路故障，其根源是該型過電壓保護器的三相四星形接線結構缺陷。

3 消除和防范措施

要做好類似事故的防范應對措施，應該在產品原理結構、參數選擇、日常監測和維護等方面綜合施策。

3.1 更換成三相六柱式無間隙過電壓保護器

鑒于三相四星形過電壓保護器結構的固有缺陷，建議采用三相六柱式無間隙過電壓保護器，其電氣等效圖如圖6所示。三組氧化鋅電阻片以三角形聯結進行相間保護，三組星形聯結進行對地保護，各組獨立運行，不僅消除了三相四星形接線結構的中性點，還可以根據不同的過電壓設置氧化鋅電阻片的參數，例如針對相間短路主要為操作過電壓、過電壓產生的電流較小的情況，可以將相間氧化鋅電阻片組直流參考電壓提高，降低荷電率，提高相間保護的可靠性；對于單相間歇電弧接地和鐵磁諧振引發的相地過電壓電流較大、能量較高的情況，可以提高相地氧化鋅電阻片組2ms方波通流容量，降低相地擊穿的概率[15-16]。此外，三相六柱式無間隙過電壓保護器具有陡波響應特性好，無截波，無放電延時；真空環氧澆注，可適用于重污穢、高海拔環境[17]；便于在線監測及預防性試驗；配備防爆自動脫離裝置，能夠及時切斷隔離過電壓，避免系統故障面擴大等優點。

圖6 三相六柱式無間隙過電壓保護器電氣等效圖

3.2 選擇合理的過電壓保護器參數

本次事故中的開關柜和過電壓保護器的使用場景為化工廠，該廠的主要負荷是電動機，該型過電壓保護器的保護對象也是一臺功率為200kW的聯堿冷卻塔風機，因此可以通過計算電動機相地和相相之間絕緣能承受的過電壓數值，選擇合適的過電壓保護器最大工頻電壓有效值。

對于10kV系統中運行的電動機，其相地和相相之間絕緣能承受的過電壓數值s，可用式（1）計算得到[18]。

式中：e為高壓電動機的額定電壓（kV）；為沖擊系數（取1.15）；0.75為老化系數。

可見，之前選擇的13.5kV保護器的最大工頻電壓有效值偏低，選擇17.5kV的最大工頻電壓有效值較為合適。

此外，還有兩個衡量過電壓保護器保護能力的重要指標，分別為體現抵抗大電流能力的大電流沖擊電流值（kA）和體現熱容量耐受能力的2ms方波沖擊電流值（A）[7]。根據過電壓保護器工放值選擇標準可知，過電壓保護器工頻放電電壓值為3.5倍相電壓，在66kV及以下系統發生單相間歇電弧接地和鐵磁諧振故障時，產生的過電壓可以達到3.5p.u.（相對地暫時過電壓和操作過電壓的標幺值）[19]，因此只要發生單相間歇電弧接地和鐵磁諧振故障，過電壓保護器氧化鋅電阻片就會導通泄壓，如果過電壓能量超過電阻片的極限熱容量，就容易發生熱崩潰。此次事故中過電壓保護器的熱容量耐受能力為400A（2ms），不足以消耗故障時的過電壓能量，而且氧化鋅電阻片每動作一次都是對保護器的一次損害，所以應該在熱容量耐受能力參數方面選擇600A（2ms）以上通流能力的過電壓保護器。

3.3 加強日常監測和維護

過電壓保護器投運之后易被忽視，形成維護盲區，因此定期開展預防性試驗工作尤為重要。對于無間隙過電壓保護器，每年可以進行一次直流1mA下直流參考電壓1mA試驗（要求1mA不小于18.6kV）和0.75倍直流參考電壓下泄漏電流試驗（要求泄漏電流不大于50mA）[20]，以判斷氧化鋅電阻片是否存在老化情況，如果發現過電壓保護器存在性能下降的隱患，應及時更換。此外，加強過電壓保護器運行的巡檢監測力度，利用紅外熱像儀、紅外測溫儀等對保護器進行定期溫度測試，開展超聲波局部放電檢測[21-22]，增加泄漏電流在線監測裝置，都是保證過電壓保護器安全穩定運行的重要手段。

4 結論

我國電力系統10kV開關柜易因過電壓保護器參數、型號和結構形式等選擇不當，引發電網安全事故。本文還原了一起化工廠10kV開關柜由于柜內過電壓保護器熱崩潰擊穿而引發的短路爆炸事故，并系統剖析了事故產生的原因。研究表明：過電壓保護器的結構設計缺陷是造成此類事故的根本原因，宜采用三相六柱式無間隙過電壓保護器進行糾正。此外，本文提出了加強過電壓保護器日常監測和維護的預防措施，對防止類似事故再次發生，確保電力系統安全穩定運行具有重要意義。

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Accident analysis on thermal runaway of overvoltage protector in a chemical plant 10kV switchgear

ZUO Tao

(Leshan ELECT Electrified Wire Netting Automation Co., Ltd, Leshan, Sichuan 614000)

Taking the accident of circuit breaker tripping and switchgear cable room explosion caused by thermal runaway of the overvoltage protector in 10kV switchgear of a 110kV substation in a chemical plant as an example, starting from the structure and working principle of the overvoltage protector, the causes of this accident are investigated and analyzed according to the accident phenomenon. The comprehensive analysis show that the cause of this accident is the ferromagnetic resonance overvoltage caused by the reverse complex intermittent arc grounding of 10kV system B, which causes the thermal runaway of the zinc oxide resistance sheet in the overvoltage protector. This then causes the AC phase short circuit fault in the switchgear and the explosion of the cable room, indicating that the root cause of the accident is caused by the defect of the three-phase four-star wiring structure of the overvoltage protector. Finally, in order to prevent similar accidents from happening again, elimination and preventive measures are proposed, which provides reference for ensuring the safe and stable operation of the power system.

switchgear; overvoltage protector; intermittent arc grounding; ferromagnetic resonance; thermal runaway

2023-10-12

2023-12-14

左 濤（1977—），男，四川彭山人，碩士，教授級高級工程師，主要從事220kV及以下電氣成套開關設備的研發設計和生產制造工作。