10 kV高压开关设备典型故障分析

陈一明，谢佳益

(辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳 110179)

1 交流耐压试验

开关类设备出厂前和投运前都需要进行交流耐压试验。交流耐压试验的施加电压是高于设备的额定运行电压一定倍数的工频高压，更加符合设备的实际运行情况，能够有效发现设备的绝缘弱点、集中性缺陷，还可考核鉴定设备的绝缘水平。

1.1 试验标准

开关类设备的交流耐压试验不同于变压器等线圈类设备，具体依据有国家电网有限公司《物资采购标准》、GB 1984—2014《高压交流断路器》、GB/T 3906—2020《3.6 kV～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备》、DL/T 402《高压交流断路器》、DL/T 404《3.6 kV～40.5 kV交流金属封闭开关设备和控制设备》、DL/T 593《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》等。

开关类设备的交流耐压试验要求对地、相间1 min工频耐受电压42 kV，断口 1 min工频耐受电压48 kV，被试回路无击穿或闪络现象发生[1]。

1.2 试验方法

对于10 kV电压等级的高压开关设备，应考核相对地、相间和断口间的交流耐压情况，如表1的试验条件施加试验电压。

表1 相对地、相间和断口间的交流耐压试验的试验条件

高压开关设备的断路器手车摇到试验位置时，会在柜内形成隔离断口，应对隔离断口考核耐压能力，按表2的试验条件施加电压。

表2 隔离断口考核耐压能力的试验条件

试验时，施加试验电压持续60 s，电压不出现突然下降判定试验合格。

2 案例分析

2.1 案例1

a.故障设备情况

KYN28A-12型户内金属铠装移动开式开关设备如图1所示。其额定电压为12 kV，该开关设备为目前国内比较常见的一种高压开关柜，主要应用于发电厂、变电站等，实现系统送电、配电等过程的控制、保护、检测等功能，其工频耐受电压等级：相对地42 kV、断口48 kV。

图1 KYN28A-12型户内金属铠装移动开式开关设备

b.故障描述

在抽检试验过程中，某高压开关设备在开展交流耐压试验时，相-地耐压试验项目不合格。经过分析发现，当施加电压达到26 kV时，发生了放电击穿。

c.故障排查

在试验过程中试验人员发现，设备击穿时的电压明显低于标准要求试验电压，并且试验过程中有明显放电“噼啪”击穿声响。现场检查发现，该设备A相下母排接地开关的接地触刀与静触头空气绝缘净距离较近，如图2所示。接地开关机械结构异常，三相接地触刀不同步，无法达到同步分闸，如图3所示。

图2 接地开关与下母排位置情况

图3 接地开关与下母排位置情况

为了验证以上判断，试验人员进行了排查分析。首先将断路器小车摇出，使其到达试验位，单独对设备上母排进行试验，A、B、C三相均未发现异常。

将断路器小车摇入，使其到达工作位，断路器分闸，单独对三相分别进行试验，也未见异常，该操作是为了排除活门拉板等机械结构对本试验的影响。

将断路器合闸，先分别进行B、C两相试验，发现B、C相无异常，再次进行A相试验，仍出现试验击穿现象，可判定出现击穿位置为A相下母排与接地触刀，通过实际测量绝缘距离，发现静触头与接地触刀的空气绝缘净距离仅为75 mm。

根据文献[2]规定：空气绝缘净距离≥125 mm。通过故障排查可以确认发生放电击穿的直接原因是由于柜体本身的空气绝缘净距离不达标。

d.故障原因分析

经过故障排查，发现接地开关机械机构异常，拐臂与柜体有明显接触变形，如图2、图3所示。

e.接地开关的主要作用、结构及其机械结构

该高压开关柜内的接地开关主要是用于设备在检修过程中的安全保护，防止在检修设备过程中误送电。检修工作开展时，必须将接地开关接地，保证检修人员的人身安全，接地开关必须保证分合闸操作正常，所以接地开关的机械结构运行顺畅是保障现场安全的基本要求。发生故障的接地开关结构如图4所示。

图4 发生故障的接地开关结构

接地开关的主要结构为接地开关支架、接地触刀、静触头、传动器、轴、拐臂、弹簧、导电套管、软连接、绝缘子/带电显示器。

经研究分析，该设备接地开关拐臂装反，当旋转操作手柄使接地开关合闸时，操作手柄带动旋杆作为力矩使主轴克服阻力矩，同时带动拐臂沿着合闸方向进行旋动，此时拐臂已经发生机械变形，但仍能使接地开关上的操作杆通过压簧的死点使弹簧释放能量，从而带动接地开关快速合闸。此时并没有机械卡顿现象，操作正常，说明装反的拐臂并不影响接地开关合闸操作，在合闸位时，接地开关的蝶形弹簧和静触头的凸缘部位可靠、牢固接触。但当分闸操作时，同样操作手柄使主轴克服主力矩和弹簧力，带动拐臂沿分闸方向转动，但操作过程中拐臂与柜体接触卡死，使接地开关压簧不能通过压簧死点，压簧的储能不能完成，接地开关不能完成完整的分闸操作，导致绝缘距离不足，造成放电击穿。

2.2 案例2

a.故障设备情况

KYN28A-12型高压开关柜如图5所示。该设备额定电压12 kV，其工频耐受电压等级：相对地42 kV、断口48 kV。

图5 KYN28A-12型高压开关柜

b.故障描述

试验人员在进行高压开关柜交流耐压试验过程中发现，该高压开关柜A相和B相断口耐压试验均合格，C相断口耐压试验发生放电击穿，相对地的工频耐压试验也出现放电击穿现象。

c.故障排查

试验人员检查了高压开关柜的柜体，该设备外观整洁无脏污，可以排除由于柜体脏污或受潮等引起的绝缘不良[3]。

试验人员将断路器手车从高压开关柜内拉出，使高压开关柜断路器室形成隔离断口，再次对没有安装断路器手车的高压开关柜进行工频耐压试验，试验结果合格，说明柜体不存在质量问题。

试验人员对断路器单独进行交流耐压试验，试验结果合格，说明断路器不存在质量问题。

根据以上排查，可以确定该高压开关柜的故障位置在C相上母排与断路器C相触头之间。再次将断路器手车摇到工作位，通过柜体侧面的圆孔，可以看到活门拉板呈倾斜状态。试验人员再将断路器手车拉出后仔细检查断路器室，手动操作活门拉板上下分合时会出现卡顿情况，同时发现活门拉板左右不平衡，滑道已经明显损坏，如图6所示。

图6 高压开关柜活门拉板滑道损坏

根据文献[2]规定：带电体空气绝缘净距离≥125 mm。该高压开关柜的活门拉板装备工艺不够精良，滑道损坏后间接缩短了空气绝缘净距离，导致工频耐压试验不合格。

d．故障原因分析

活门机构是高压开关柜重要的机械部件，对开关柜的安全性能起到关键作用。本案例中的故障开关柜活门机构滑道损坏，机械结构异常，无法正常上下移动。在断路器手车由试验位切换到工作位的过程中出现卡顿，活门拉板卡斜，间接缩短了空气绝缘净距离，导致断路器手车中的静触臂对活门放电，造成上述试验中的绝缘故障。为了验证这一判断，试验人员进行以下排查分析：试验人员将该滑道修复，然后再次进行工频耐压试验，试验合格。

综上所述，本案例中的高压开关柜不合格的原因是活门滑道损坏，导致断路器的静触头与活门机构的绝缘距离缩短，耐压试验不合格。

e.活门机构的结构和作用

活门机构的主要作用是将开关柜的动触头和静触头隔离开。当断路器处于试验位时遮住固定触头，防止由于上端带电造成人身触及高压带电体发生触电伤亡，属于五防联锁范畴。当断路器手车从试验位置移动到工作位置时，活门开启；当断路器手车从工作位置移动到试验位置时，活门关闭。活门机构中的活门盖板有金属材料，也有非金属(复合绝缘)材料。活门结构如图7所示。

(a)活门位置

(b)活门部件图7 高压开关柜活门结构

3 结论

配电物资抽检工作开展以来，发现了大量不合格产品。开关设备绝缘不良问题尤为严重。其中，高压开关柜绝缘试验不合格比例较高。

通过本文中2个案例可知，开关设备机械结构故障是造成绝缘试验不合格的重要因素。近年来，开关设备的尺寸不断减小，使部分设备厂商一味追求柜体尺寸的大小，而忽略了设备性能的提高，造成很多设备出现质量问题[4]。如活门机构设计余量不足，缩短了其上下移动的距离，造成断路器手车推进过程中与活门拉板挤压形成机械卡顿，无法动作[5]；又如设备厂商为了减小柜体尺寸，将断路器的动、静触头、活门拉板、地刀和下母排之间的绝缘距离大幅减小，但没有采取措施保证绝缘性能，导致了柜内配件之间的绝缘强度不够[6]。

通过对不合格设备的分析，归纳总结出造成设备不合格的几种因素。

a.如果高压开关柜柜体的爬距和空气间隙设计上存在余量不足的情况[7]，会导致手车柜、接地触刀等空气绝缘净距离不达标[8]。设备厂商应严格执行相关绝缘标准，严格控制活门机构对静触头的空气绝缘净距离，满足文献[1]的要求。

b.镀银触头接触点容量不足或接触不良会影响柜体绝缘性能。当接触点容量不足或接触不良时，柜体在长期运行后，由于局部温度过高，绝缘性能下降，容易出现闪络或击穿等现象。

c.装配工艺会严重影响配件本身质量，造成检测试验不合格。设备出厂前应反复测试断路器手车的滑轮以及轨道是否运行良好，避免出现断路器手车在推进或摇出过程中出现左右不平衡造成活门两侧不统一或者偏斜卡顿等情况。拐臂、连杆等机械部件应按照图纸正确装配，避免装配失误造成绝缘故障[9]。

d.设备厂家要严格控制活门机构材料的选用和零部件配置，避免出现由于断路器手车反复操作造成机械部件变形损坏等[10]情况。

e.设备厂家要提高设备的装配工艺水平。如柜体在组装时，有些设备组装绝缘件的扭矩过大，导致绝缘件在搬运以及运输过程中出现裂痕，影响试验结果。

f.建议设备厂家在出厂前进行一次整柜的局放试验。局放试验能有效发现设备在装配过程中存在的问题。

综上总结和建议，可为设备厂家提高设备质量提供一定参考依据。