论文部分内容阅读
【摘 要】文章介绍了高压开关柜过热事故对电力系统的危害，根据实践经验分析了高压开关柜发热故障的形成原因，并提出了预防控制措施。
【关键词】高压开关柜；发热故障；原因；措施
1.高压开关柜过热事故对电力系统的危害
在电能的生产、输送、供配以及使用的过程中均离不开高压开关柜，它是对电能进行调度与输送的关键电气设备之一，尤其是高压开关柜内部的电磁交融环境的稳定性更是直接决定了自身功能发挥的有效性。因此，一旦高压开关柜出现发热故障，并且没有能够得到及时有效的处理和解决时，便会大幅度增加高压开关柜的故障发生率，同时对供电可靠性产生影响。多年的工作经验显示：高压开关柜最容易出现发热故障的部位是其手车触头。一旦发生发热故障，不仅会严重损害设备自身的性能，而且需要比较长的检修周期，由此导致的经济损失也比较巨大。导致高压开关柜发热故障形成的过程不是一蹴而就的，而是一个“循序渐进”的过程。即处于不良工作环境当中或者自身出现异常情况时的高压开关柜接触面温度升高，同时电流发热效应的持续作用会促使触头温度逐渐提高。一旦这种温度升高趋势过快，致使触头温度高于高压开关柜内部电流互感器的额定耐热标准或者高于绝缘套管的耐热标准，便会导致电流互感器和绝缘套管的损坏，造成单相或两相间短路，最终使得该发热故障的破坏力被放大，波及到其他附属设备，最终供配电系统或者电力变压器的稳定性受到影响，甚至出现火灾，乃至爆炸。
几乎所有的高压开关柜手车触头的连接均利用铜排，但是金属铜不仅具有良好的导电性能，更具有优秀的导热性能。高压开关柜在工作状态中形成的热量会使铜排快速加热，导致高压开关柜内部对应触头的开闭性能受到严重影响。一旦高压开关柜手车触头出现发热事故，如果要对高压开关柜进行全面系统地检修和修护时不仅过程麻烦，而且比较困难。即便经过检修维护处理，开关的电气性能也基本上得不到完全的恢复。
2.高压开关柜的过热故障成因
一般开关柜选型都会根据系统容量及设备的使用标准进行动稳定、热稳定校验，但在实际运行中，仍有较多复杂因素导致开关柜的过热故障。根据笔者积累的开关柜运行管理经验，分析开关柜过热故障的主要原因有几个方面。
2.1柜内设备异常发热
不管用哪种材料进行电力传输，都有材料阻值存在。在电流和电压的作用下，设备会产生正常的热损耗，但是，当电流回路某一接头的阻值过大，该部位空隙会发生放电，发热量将急剧增大，当开关柜正常散热无法使热量快速消散，就会使本部位的温度异常升高，开关柜易形成过热故障的部位如下：①10kV侧的母排、刀闸都是设置于开关柜狭小的空间内，母排为增加绝缘往往使用绝缘热缩套管，如母排铜质不过关或连接点不紧固会造成接触电阻增大；②开关柜隔离刀闸的静、动触头咬合不紧、接触不良形成相应的空隙，电流在此处形成形成局部放电，剧烈发热升温，运行中发生此类热故障的概率较高；③柜内电流互感器（CT）普遍采用全密封环氧树脂浇注式结构，该结构一次绕组及铁芯散热效果均较差，且在大电流回路中一般会增加两个连接接头发热源，导致大电流运行时内部CT发热问题严重。
2.2防护等级因素造成的散热不畅
为防止人体意外接触开关柜的高压带电部分和异物进入开关柜引起设备短路，目前，开关柜基本采用金属全封闭外壳，通用标准要求金属外壳达到IP4X防护等级，即能阻挡直径大于1.0mm的金属丝或厚度大于1.0mm的窄条等物体进入的防护标准，这大大约束了开关柜热量排出效率。假如，柜内设备发生异常过热，那仅靠柜体_内部的自然通风系统或强制排风系统是达不到散热要求的，这将导致柜内元件绝缘性能在散热不畅的较高温度环境下逐渐劣化，埋下开关柜过热事故隐患。
2.3柜体涡流发热
高压开关柜内部结构设计及材料组合选择不当，大电流柜涡流发热会导致严重的异常升温。汕头供电局在负荷高峰期对各站重要设备进行红外热成像缺陷普查，曾发现辖内220kV站主变变低开关柜B-C相和A-B相柜内隔板发热达85℃左右，并致使该开关柜柜体温度达90℃，后经确认，主母线是通过大电流在普通钢隔板上产生较大涡流而发热，再加上该早期开关柜产品的自然及强制排风系统设计不合理，导致了该开门异常发热。
2.4运行维护因素
目前，成套开关柜按标准均通过1.1倍的温升及热稳定校验合格才能投运，但在用电高峰季节或检修方式下，受电网结线和片区供电能力限制，迫使有些变电站主变长期处于满负荷甚至过载状态，往往造成主变低压进线柜和馈线柜通过较大的电流，造成柜内元器件发热量增大。另外，开关柜的定检、预试及维护质量也直接关系到开关柜的异常温升，如，日常检修清扫忽略了对柜内灰尘及蜘蛛网等的清除，使设备的绝缘能力降低，狭小的散热空间更降低了柜内散热的效率。
2.5环境条件因素
国内气候报告显示，我国南方夏季室外温度维持在35℃～40℃，少数地区超过40℃，叠加设备本身散发的热量，将导致配电室内环境温度过高，如开关柜采用传统散热方式，加上通风设施欠缺，则会间接增大室内的灰尘、湿气的进入量，使开关柜处于较恶劣的运行环境，这将加剧开关柜内一次元件的发热，形成开关柜的异常发热。
3.高压开关柜的发热处理与防控措施
发热故障对高压开关柜设备及供电系统的运行危害甚大，处理不及时会烧坏系统连接的大小设备，导致严重的安全事故。从安全角度考虑，电力企业应建立全面的防控高压开关柜过热措施。
3.1设备选型和准入把关
国家标准或IEC标准规范了开关柜设备设计、制造、试验、安装以及安全环保技术要求，目前很多开关柜生产厂家一般会按照通用标准进行制造，但由于地域运行条件不同、维护管理要求不同，使用单位有必要结合实际进一步规范厂家的制造标准、工艺和质量，严格选型和准入条件，从源头上保证开关柜适应“本土化运行”。在高温、潮湿、设备容载率较高的经济较发达地区，开关柜出现过热故障概率较高，故企业有必要结合实际，对设备的动热稳定校验、温升试验、设备温、湿度控制及排风系统等方面提出相应的制造标准和要求。如，要求在开关柜内设智能数显温湿度控制器和功率不超过100W的加热器，用于自动控制柜内湿度；对3150A、4000A的大电流柜采用额定电流为4000A真空断路器，配置使用寿命连续运行不低于2年的优质风扇，风扇能在母线不停电情况下进行维护，且方便更换，严禁采用风扇直接吹真空断路器的形式进行散热；对采用热缩绝缘包封，要求热缩绝缘厚度不小于2mm并满足温升试验要求（提供温升试验报告）；对于额定电流2000A及以上的柜内CT，在保证内部安全距离的前提下，尽量选用穿芯式结构CT，改善CT散热条件等。 3.2设备更换和改造
早期的一些开关柜产品，其技术及结构上还存在不尽完善之处，导致开关柜温升异常，给运行留下很大的隐患。对该类设备，如投运年限过长、改造成本过大，则应立足于设备更换，如果局部改造就能满足运行要求的，则要立项改造，彻底消除开关柜过度温升缺陷。我局曾处理过变低3150A开关柜因涡流影响及通风散热系统原因造成局部发热偏重的缺陷，实际运行经验证明效果良好。具体做法是：柜体停电，把主母线所产生的涡流区更换为最小涡流环境的材料组合，柜体内部加装最佳的通风系统，在配电室内加装室内空调，减低系统工作环境温度，取得很好的效果。
3.3运行维护到位
结合开关柜可能导致异常温升的主要原因和实际运行易发热部位，综合落实各项运维防控过热措施，是保证开关柜安全运行的必要条件。具体如下：
①负荷控制。控制电流荷载，降低过载运行的次数以防过热问题。当前社会用电需求量持续增多，使大部分变电站长时间处于满负荷运行状态，特别是主变压器低压进线开关柜承担的电流值经常超标，荷载过重造成元器件发热次数增多进而导致异常温升。故运行管理上应做好负荷预测，合理安排运行方式和负荷割接，尽量避免开关柜满载或超载运行。
②触头维护。开关柜断路器手车的触头未正常接触，尤其是动静触头之间的咬合状态不理想，是导致开关柜发热事故的主要原因。检修人员应特别关注对触头的维护。重点观察刀闸螺丝的紧固状况，必要时更换新的螺丝、弹簧等构件，防止弹簧经隔离触头多次分合后老化导致触头衔接过松，同时对隔离触头涂抹导电膏、凡士林以降低接触电阻。
③定检预试。定期检查、试验开关柜内设备，按照试验步骤逐一验证，发现异常数据应结合历史数据进行对比分析，判断开关柜内设备绝缘能力，及时更换柜内的绝缘劣化或失效元器件，杜绝人为失误给开关设备带来的巨大安全隐患。
④加装在线监测。在开关柜内装设在线温度测量装置，实时监测开关柜内触头、铜排、附属元件等运行设备的运行情况，测量装置同时与电流继电器相配合启动风机，当柜内温度或继电器中电流达到定值便启动风机降温，若温度继续升高到另一整定值，则发告警信号，通知值班员及时处理，也方便检修人员直观判断发热故障情况，锁定开关柜的过热位置，实施针对性的检修处理。
⑤改善运行环境。一般是考虑改善配电室通风排气系统和设置空调，整体控制配电室环境的温湿度，避免开关柜运行过程中的累积温升。
4.结束语
高压开关柜具有防护性能好、“五防”闭锁功能可靠、维护方便、操作简单、运行可靠性高等优点，被广泛应用于开断重要负荷和频繁操作的场所。文章结合笔者对开关柜安全运行的体会，分析了导致开关柜发热故障的主要原因主要是由开关柜的封闭结构、紧凑设备安装、柜内设备异常温升、运行维护失当、运行环境恶劣等原因造成的，提出了从设备选型准入、更换改造、运行管理及采用快速保护的综合防控措施，避免和减少开关柜发热故障的发生和扩大，提高供电系统的安全性、可靠性、经济性。 [科]
【参考文献】
[1]马保军，吴传红.高压开关柜内接头发热事故的分析及解决[J].河南科技，2010，（19）.
[2]王春生，杨志淳，漆璇.一种基于气体传感的新型中高压开关柜过温监测系统的研制[J].高压电器，2011，（2）.
[3]李毅，周飞，汤峻等.一起10kV开关柜起火故障分析[J].江苏电机工程，2011，（1）.
【关键词】高压开关柜；发热故障；原因；措施
1.高压开关柜过热事故对电力系统的危害
在电能的生产、输送、供配以及使用的过程中均离不开高压开关柜，它是对电能进行调度与输送的关键电气设备之一，尤其是高压开关柜内部的电磁交融环境的稳定性更是直接决定了自身功能发挥的有效性。因此，一旦高压开关柜出现发热故障，并且没有能够得到及时有效的处理和解决时，便会大幅度增加高压开关柜的故障发生率，同时对供电可靠性产生影响。多年的工作经验显示：高压开关柜最容易出现发热故障的部位是其手车触头。一旦发生发热故障，不仅会严重损害设备自身的性能，而且需要比较长的检修周期，由此导致的经济损失也比较巨大。导致高压开关柜发热故障形成的过程不是一蹴而就的，而是一个“循序渐进”的过程。即处于不良工作环境当中或者自身出现异常情况时的高压开关柜接触面温度升高，同时电流发热效应的持续作用会促使触头温度逐渐提高。一旦这种温度升高趋势过快，致使触头温度高于高压开关柜内部电流互感器的额定耐热标准或者高于绝缘套管的耐热标准，便会导致电流互感器和绝缘套管的损坏，造成单相或两相间短路，最终使得该发热故障的破坏力被放大，波及到其他附属设备，最终供配电系统或者电力变压器的稳定性受到影响，甚至出现火灾，乃至爆炸。
几乎所有的高压开关柜手车触头的连接均利用铜排，但是金属铜不仅具有良好的导电性能，更具有优秀的导热性能。高压开关柜在工作状态中形成的热量会使铜排快速加热，导致高压开关柜内部对应触头的开闭性能受到严重影响。一旦高压开关柜手车触头出现发热事故，如果要对高压开关柜进行全面系统地检修和修护时不仅过程麻烦，而且比较困难。即便经过检修维护处理，开关的电气性能也基本上得不到完全的恢复。
2.高压开关柜的过热故障成因
一般开关柜选型都会根据系统容量及设备的使用标准进行动稳定、热稳定校验，但在实际运行中，仍有较多复杂因素导致开关柜的过热故障。根据笔者积累的开关柜运行管理经验，分析开关柜过热故障的主要原因有几个方面。
2.1柜内设备异常发热
不管用哪种材料进行电力传输，都有材料阻值存在。在电流和电压的作用下，设备会产生正常的热损耗，但是，当电流回路某一接头的阻值过大，该部位空隙会发生放电，发热量将急剧增大，当开关柜正常散热无法使热量快速消散，就会使本部位的温度异常升高，开关柜易形成过热故障的部位如下：①10kV侧的母排、刀闸都是设置于开关柜狭小的空间内，母排为增加绝缘往往使用绝缘热缩套管，如母排铜质不过关或连接点不紧固会造成接触电阻增大；②开关柜隔离刀闸的静、动触头咬合不紧、接触不良形成相应的空隙，电流在此处形成形成局部放电，剧烈发热升温，运行中发生此类热故障的概率较高；③柜内电流互感器（CT）普遍采用全密封环氧树脂浇注式结构，该结构一次绕组及铁芯散热效果均较差，且在大电流回路中一般会增加两个连接接头发热源，导致大电流运行时内部CT发热问题严重。
2.2防护等级因素造成的散热不畅
为防止人体意外接触开关柜的高压带电部分和异物进入开关柜引起设备短路，目前，开关柜基本采用金属全封闭外壳，通用标准要求金属外壳达到IP4X防护等级，即能阻挡直径大于1.0mm的金属丝或厚度大于1.0mm的窄条等物体进入的防护标准，这大大约束了开关柜热量排出效率。假如，柜内设备发生异常过热，那仅靠柜体_内部的自然通风系统或强制排风系统是达不到散热要求的，这将导致柜内元件绝缘性能在散热不畅的较高温度环境下逐渐劣化，埋下开关柜过热事故隐患。
2.3柜体涡流发热
高压开关柜内部结构设计及材料组合选择不当，大电流柜涡流发热会导致严重的异常升温。汕头供电局在负荷高峰期对各站重要设备进行红外热成像缺陷普查，曾发现辖内220kV站主变变低开关柜B-C相和A-B相柜内隔板发热达85℃左右，并致使该开关柜柜体温度达90℃，后经确认，主母线是通过大电流在普通钢隔板上产生较大涡流而发热，再加上该早期开关柜产品的自然及强制排风系统设计不合理，导致了该开门异常发热。
2.4运行维护因素
目前，成套开关柜按标准均通过1.1倍的温升及热稳定校验合格才能投运，但在用电高峰季节或检修方式下，受电网结线和片区供电能力限制，迫使有些变电站主变长期处于满负荷甚至过载状态，往往造成主变低压进线柜和馈线柜通过较大的电流，造成柜内元器件发热量增大。另外，开关柜的定检、预试及维护质量也直接关系到开关柜的异常温升，如，日常检修清扫忽略了对柜内灰尘及蜘蛛网等的清除，使设备的绝缘能力降低，狭小的散热空间更降低了柜内散热的效率。
2.5环境条件因素
国内气候报告显示，我国南方夏季室外温度维持在35℃～40℃，少数地区超过40℃，叠加设备本身散发的热量，将导致配电室内环境温度过高，如开关柜采用传统散热方式，加上通风设施欠缺，则会间接增大室内的灰尘、湿气的进入量，使开关柜处于较恶劣的运行环境，这将加剧开关柜内一次元件的发热，形成开关柜的异常发热。
3.高压开关柜的发热处理与防控措施
发热故障对高压开关柜设备及供电系统的运行危害甚大，处理不及时会烧坏系统连接的大小设备，导致严重的安全事故。从安全角度考虑，电力企业应建立全面的防控高压开关柜过热措施。
3.1设备选型和准入把关
国家标准或IEC标准规范了开关柜设备设计、制造、试验、安装以及安全环保技术要求，目前很多开关柜生产厂家一般会按照通用标准进行制造，但由于地域运行条件不同、维护管理要求不同，使用单位有必要结合实际进一步规范厂家的制造标准、工艺和质量，严格选型和准入条件，从源头上保证开关柜适应“本土化运行”。在高温、潮湿、设备容载率较高的经济较发达地区，开关柜出现过热故障概率较高，故企业有必要结合实际，对设备的动热稳定校验、温升试验、设备温、湿度控制及排风系统等方面提出相应的制造标准和要求。如，要求在开关柜内设智能数显温湿度控制器和功率不超过100W的加热器，用于自动控制柜内湿度；对3150A、4000A的大电流柜采用额定电流为4000A真空断路器，配置使用寿命连续运行不低于2年的优质风扇，风扇能在母线不停电情况下进行维护，且方便更换，严禁采用风扇直接吹真空断路器的形式进行散热；对采用热缩绝缘包封，要求热缩绝缘厚度不小于2mm并满足温升试验要求（提供温升试验报告）；对于额定电流2000A及以上的柜内CT，在保证内部安全距离的前提下，尽量选用穿芯式结构CT，改善CT散热条件等。 3.2设备更换和改造
早期的一些开关柜产品，其技术及结构上还存在不尽完善之处，导致开关柜温升异常，给运行留下很大的隐患。对该类设备，如投运年限过长、改造成本过大，则应立足于设备更换，如果局部改造就能满足运行要求的，则要立项改造，彻底消除开关柜过度温升缺陷。我局曾处理过变低3150A开关柜因涡流影响及通风散热系统原因造成局部发热偏重的缺陷，实际运行经验证明效果良好。具体做法是：柜体停电，把主母线所产生的涡流区更换为最小涡流环境的材料组合，柜体内部加装最佳的通风系统，在配电室内加装室内空调，减低系统工作环境温度，取得很好的效果。
3.3运行维护到位
结合开关柜可能导致异常温升的主要原因和实际运行易发热部位，综合落实各项运维防控过热措施，是保证开关柜安全运行的必要条件。具体如下：
①负荷控制。控制电流荷载，降低过载运行的次数以防过热问题。当前社会用电需求量持续增多，使大部分变电站长时间处于满负荷运行状态，特别是主变压器低压进线开关柜承担的电流值经常超标，荷载过重造成元器件发热次数增多进而导致异常温升。故运行管理上应做好负荷预测，合理安排运行方式和负荷割接，尽量避免开关柜满载或超载运行。
②触头维护。开关柜断路器手车的触头未正常接触，尤其是动静触头之间的咬合状态不理想，是导致开关柜发热事故的主要原因。检修人员应特别关注对触头的维护。重点观察刀闸螺丝的紧固状况，必要时更换新的螺丝、弹簧等构件，防止弹簧经隔离触头多次分合后老化导致触头衔接过松，同时对隔离触头涂抹导电膏、凡士林以降低接触电阻。
③定检预试。定期检查、试验开关柜内设备，按照试验步骤逐一验证，发现异常数据应结合历史数据进行对比分析，判断开关柜内设备绝缘能力，及时更换柜内的绝缘劣化或失效元器件，杜绝人为失误给开关设备带来的巨大安全隐患。
④加装在线监测。在开关柜内装设在线温度测量装置，实时监测开关柜内触头、铜排、附属元件等运行设备的运行情况，测量装置同时与电流继电器相配合启动风机，当柜内温度或继电器中电流达到定值便启动风机降温，若温度继续升高到另一整定值，则发告警信号，通知值班员及时处理，也方便检修人员直观判断发热故障情况，锁定开关柜的过热位置，实施针对性的检修处理。
⑤改善运行环境。一般是考虑改善配电室通风排气系统和设置空调，整体控制配电室环境的温湿度，避免开关柜运行过程中的累积温升。
4.结束语
高压开关柜具有防护性能好、“五防”闭锁功能可靠、维护方便、操作简单、运行可靠性高等优点，被广泛应用于开断重要负荷和频繁操作的场所。文章结合笔者对开关柜安全运行的体会，分析了导致开关柜发热故障的主要原因主要是由开关柜的封闭结构、紧凑设备安装、柜内设备异常温升、运行维护失当、运行环境恶劣等原因造成的，提出了从设备选型准入、更换改造、运行管理及采用快速保护的综合防控措施，避免和减少开关柜发热故障的发生和扩大，提高供电系统的安全性、可靠性、经济性。 [科]
【参考文献】
[1]马保军，吴传红.高压开关柜内接头发热事故的分析及解决[J].河南科技，2010，（19）.
[2]王春生，杨志淳，漆璇.一种基于气体传感的新型中高压开关柜过温监测系统的研制[J].高压电器，2011，（2）.
[3]李毅，周飞，汤峻等.一起10kV开关柜起火故障分析[J].江苏电机工程，2011，（1）.