一起合闸弹跳时间超标引起的10 kV开关柜起火故障分析

孙志宇 王皓

摘要：针对一起10 kV开关柜起火故障，通过故障现场情况调查，结合同一环境下运行的断路器耐压、机械特性等综合性测试以及厂家对同批次产品合闸弹跳性能的测试，得出断路器合闸弹跳时间超标是导致故障的根本原因。结合故障经验教训，从工艺改良、设备调试、驱动更换等角度提出了改进方案和防范措施，提高了开关柜运行的可靠性。

关键词：开关柜；断路器；合闸弹跳；燃烧；故障分析

中图分类号：TM591    文獻标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）17-0059-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.016

0    引言

真空断路器由瑞典佛加公司研发，自1920年面世以来得到了广泛关注，其因体积小、重量轻、可多次重合闸操作等优势，在电力系统中得到了广泛应用[1]。目前，我国10 kV电压等级的真空断路器已经基本取代油断路器，其利用率已超过96%[2]。随着技术的进步和发展，真空断路器的可靠性和质量都得到了极大的提升。但是，伴随着真空断路器的大范围应用和电网规模的日益复杂，产品瑕疵、安装工艺、运行环境等复杂因素导致的故障时有发生。本文针对一起10 kV开关柜起火故障进行分析，通过现场情况调查，结合同批次产品的耐压、机械特性等综合性测试，得出断路器合闸弹跳时间超标是导致本次事故的根本原因，并制定了相应的应对措施和解决方案。

1    故障描述

1.1    现场概况

11月21日凌晨00：29，运行人员接到监控电话，220 kV某变电站1号主变101A开关后备保护动作，跳开1号主变101A开关，故障电流：A相25.41 A，B相24.66 A，C相25.45 A（二次值），变比600/1，10 kV Ⅰ段母线失电，负荷损失3.7 MVA（损失负荷于03：00全部转供结束）。运行人员于01：30左右到达现场，未贸然进入，随即联系检修人员。检修人员于03：30到达现场，开关室内有黑烟冒出，无法进入。故障发生时天气为小雨，气温5 ℃，现场无相关工作。

开关室内部烟雾基本排出后，检修人员进入开关室进行检查，发现烧蚀迹象主要集中在2号电容器112间隔柜体中部及上部。112断路器已完全变形无法抽出，打开112后柜门及上方挡板，断路器下导电杆动触头已完全烧毁（图1）。相邻间隔1号电容器111、3号电容器113间隔继电器仪表室二次电缆均有不同程度烧蚀迹象（图2）。

1.2    缺陷设备信息

2号电容器112开关柜，型号：KYN28-2；生产日期：2012年12月1日；投运日期：2013年9月30日；上次检修日期：2019年11月20日。柜内智能选相断路器型号：IR1-12/1250-31.5；生产日期：2019年7月；投运日期：2020年1月；投运以来累计自动投切次数：247次。

因现场112开关柜断路器导轨已变形，无法整体抽出，现场对开关柜从后柜门进行拆解。打开后检查发现112断路器下导电臂有疑似放电点，三相动触头已粉化（图3）。

检查112开关投切信息，11月20日19：45：40，10 kV Ⅰ段母线无功缺失，自动合112开关，投入2号电容器。11月21日凌晨00：27，开关室监控显示112开关柜有明火，开关室火灾报警信号发出。

检查故障录波器（图4）发现，11月21日00：27：02.822，主变保护故障录波器启动，显示B相单相接地，10 kV Ⅰ段母线电压频繁波动12 s后，B、C相相间短路，10 ms后发展成为三相短路，主变低后备过流2时限保护经1.2 s延时动作，跳开101A开关。三相二次侧故障电流25.3 A（一次侧电流15 180 A，主变低压侧允许出口短路电流41 878.32 A）。

从现场开关柜后柜门解体情况及现场的故障电压波形分析，疑似断路器下导电杆外绝缘性能不足，造成B相发生单相接地，10 kV Ⅰ段母线电压频繁波动后最终导致三相短路，主变后备保护经1.2 s的延时跳开101A开关。

2    原因分析

2.1    损毁设备解体检查

待断路器设备厂家及检修室人员至现场后进行设备解体。现场解体时故障断路器大部分已经烧融，切割拖出断路器手车后，发现开关柜断路器室隔板已经被放电烧灼洞穿，如图5所示。

进一步检查断路器情况，发现B相断路器本体真空泡已经炸裂成碎片，C相真空泡破裂，A相真空泡相对完好，如图6所示。

初步判断由于断路器B相真空泡出现绝缘问题，断路器在运行过程中出现对柜体放电现象，故障持续发展，导致本次故障。

2.2    同一批次断路器停电检测

由于112断路器损毁严重，无法进行进一步的性能检测，故对同一站点并列运行的10 kV 4号至8号电容器开关进行停电检修，按计划开展了断路器本体的耐压试验、回路电阻试验以及现场合闸选相延时时间校验等工作，以此作为对照分析依据。使用的仪器设备如下：TEKtronix DPO5104B示波器、SWT-VB开关机械特性测试仪。

本次检查的5台开关主回路电阻数据合格，与出厂值无明显变化；耐压测试通过，无放电现象；各相断路器固有动作时间稳定，与出厂值最大偏差0.3 ms，小于偏差范围；但在开关机械特性测试的试验过程中发现，部分断路器合闸弹跳时间超过了2 ms标准，并且数据相对于出厂值普遍高出很多（详细数据如表1所示），其中5号电容器122开关测试C相合闸弹跳2.375 ms，7号电容器138开关断路器特性测试C相合闸弹跳2.025 ms。Q/CSG 114002—2011《电力设备预防性试验规程》中规定：合闸时触头的弹跳时间不应大于2 ms[3]，测试结果显然超过了标准的2 ms。

经现场机械特性测试发现，同一批次运行的断路器确实存在合闸弹跳时间超标的问题。合闸弹跳在国家标准中并没有明确的定义，通常情况下认为是开关在合闸时触头刚接触直至触头稳定接触瞬间为止的时间。在合闸弹跳过程中，触头断开距离小，电弧不會熄灭，将导致触头电磨损加重，从而影响真空泡的电寿命[4]。合闸弹跳时间越长，对真空泡的绝缘性能破坏就越大。这也验证了上一节中的猜想，真空泡的绝缘破坏是导致本次故障的直接原因，而断路器的合闸弹跳时间超标是造成本次故障的根本原因。

3    对策及建议

为了进一步研究开关合闸弹跳时间超标的原因，避免再次发生此类故障，后续和厂家开展合作，进行更深入的测试验证，得出了以下主要原因和相应对策：

原因一：触臂安装工艺不规范，导致合闸过程中导电面接触不良，引起合闸弹跳。

测试方法：不安装触臂进行测试，合闸弹跳时间为0 ms；安装触臂后进行测试，合闸弹跳时间为1.9～2.3 ms。

结论：触臂安装工艺不规范，导致合闸过程中导电面接触不良，引起合闸弹跳时间超标。

采取措施：打磨断路器触臂接触面，并涂抹导电膏，调整触臂安装螺栓。

复测结论：处理后，再次测试合闸弹跳时间为0 ms。

原因二：断路器超程过小，超出正常范围1.8～2.2 mm。

采取措施：现场对断路器进行超程测试并做调整。

原因三：驱动器不匹配，造成断路器合闸速度过大，弹跳超标。目前堆港变断路器永磁机构驱动器为CM-15型，存在与单相断路器动作不匹配的隐患，且由于输出功较大，无法调整，可能导致断路器合闸速度过大，合闸弹跳超标。目前国外厂家已有永磁机构单相动作匹配驱动器，可对超标的断路器驱动器进行更换。

4    结论

本文对某变电站10 kV真空断路器起火故障进行了分析验证，通过现场调查，结合同批次产品的耐压、机械特性等综合性测试，得出真空泡绝缘破坏是导致本次故障的直接原因，而断路器的合闸弹跳时间超标是造成本次故障的根本原因。为了防范此类故障的再次发生，从工艺、调试、驱动更换等方面制定了相应的策略和解决方案，对断路器合闸弹跳时间超标造成的故障起到了重要防范作用。

[参考文献]

[1] 徐国政，张节容，钱家骊，等.高压断路器原理和应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[2] 王季梅.真空开关的发展概况和应用[J].中国电力，1994（2）：14-17.

[3] 电力设备预防性试验规程：DL/T 596—2021[S].

[4] ANDREA M，PHILIPPE P，崔国顺.合闸弹跳时间对真空断路器性能的影响（英文）[J].中国电机工程学报，2010，30（36）：1-6.

收稿日期：2023-05-08

作者简介：孙志宇（1994—），男，江苏连云港人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：变电检修。