0.4kV无功补偿电容柜弧光短路事故原因深度分析

0.4kV无功补偿电容柜弧光短路事故原因深度分析谭永林【摘要】在智能楼宇供配电系统中,低压无功功率补偿具有重要意义.但同时,无功功率补偿装置也是供配电系统中一个事故易发、多发的环节.本文通过一次具体事故,分析捕捉这个环节中的不安全因素,为及时制定规避、预防和应急处理对策提供正确的依据.【期刊名称】《电气技术》【年(卷),期】2010(000)007【总页数】8页(P73-79,89)【关键词】智能误判;过量补偿;高次谐振;弧光短路【作者】谭永林【作者单位】中国石油天然气集团公司,北京,100083【正文语种】中文引言2009551101B30.4kV障瞬间（ms级）的状态，往往是由多种因素联合作用的结果。而其中有些因素是难以定量、难以测量、难以再现的。2000年11月9日9时42分，北京市海淀区某大厦B1变配电室变压器二次侧0.4kV无功补偿电容器组在运行中突然爆炸起火，大火烧毁了五面配电柜，但电容器组爆炸起火的原因终无定论。图1～4是“11.9”事故的现场照片。图1爆炸起火的电容器组图2被大火烧毁的配电柜图3被大火烧毁的电容器柜图4被大火烧毁的电缆线事故过程2009551035（以下简称大厦）B330.4kV7-12300kvar511门。111403212事故分析操作问题（一）操作规程关于电力电容器的操作规程图6开关上口接线端子根部弧光短路按照北京市供电局颁布的《北京地区电气设备运行管理规程》（2000版）和《并联电容器装置设计规范》（GB50227-2008）等规程的要求，在操作电力电容器时必须遵守以下规定：1）全站停电操作时，要先停电容器组，后停接于电容器组母线上的各出线。全站恢复送电时，要先送接于电容器组母线上的各出线，再送电容器组。以免电源重合闸时损坏电容器。4）电容器组保护熔丝熔断后，未查明原因，不准更换熔丝送电。电容器因内部故障掉闸后，在未拆除故障电容器前，禁止重新合闸送电。3min。出运行。为防止铁磁谐振过电流，严禁空载变压器带电容器组运行。当电源电压高于电容器额定电压1.1倍、运行电流超过电容器额定电流1.3倍、40℃60℃时，应将电容器退出运行。关于只具有隔离功能的电器的操作规程按照北京市供电局颁布的《北京地区电气设备运行管理规程》（2000版）、《低压配电设计规范》（GB50054-95）、《低压开关设备和控制设备第三部分：开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器》（GB14048.3-2002）等规程的要求，在操作只具有隔离功能的电器时必须遵守的规定是：严禁带负荷分断、接通电路。隔离电器不得作为操作电器使用。当隔离电器误操作会造成严重事故时，因采取防止误操作的措施。“5·5”在这里，问题的关键是要确认发生事故的SIWOH1系列开关究竟是只能起隔离电路作用的隔离电器，还是同时具备接通、分断电路功能允许带负荷操作的操作电器。开关的性质决定了操作的性质：1）类别：SIWOH1-630开关，属于GB14048.3-2002所定义电器中的第四大类—熔断器组合电器中的第五小类—隔离开关熔断器组。使用类别是AC-23B。2）性质：SIWOH1-630开关是可以带负荷不频繁分合电路的操作电器。当分合时的电压条件为1.05时，可以安全接通6300A（10倍的额定电流），可以安全分断5040A（8倍的额定电流）。3）基于本开关的类别和性质，“5·5”事故时电工的操作，没有违反电气安全工作的基本规程，没有违反电工安全作业的基本常识，是一次正常的操作。（二）正常操作与危险状态违章操作必然与危险状态相联系，但正常操作却并不必然与安全状态相联系。一次合操作尤其是这样。特别是无功补偿电容器装置，每次操作时，回路中各个电器元件的工况都是有差别的，电路中电压、电流的相位波形都是不相同的，过电压或过电流可能因各种因素诱导随机产生。例如常见的操作过电压有：合闸瞬间电源电压相位角最大过电压。合闸时触头弹跳过电压。分闸时电弧重击穿过电压。合闸时高次谐振过电压。合闸时残留电荷过电压。合闸时过量补偿过电压等。开关故障分析（一）故障问题瞬间电流在“5·5”弧光短路的一瞬间，SIWOH1-6303gG630A（总保险）12gG160A630A飞弧短路或热击穿短路。可能因素该开关动静触头接触方式为横推插入式指夹双面接触，发生合闸弹跳重击穿的概率很小。在这一点上远优于平面拍合式单面接触方式。但是该开关动触头为双断点桥式压簧片触头结构，有12组动静接触点，接触点多、连接点多，有可能发生以下故障：①动触头连接虚；②静触头连接虚；③加速机构速度不够；④在动静触头间已经形成很大的接触电阻；⑤合闸时12组动静接触点不同步。解体检查我们对事故开关进行了解体检查。检查发现：1）124）前面考虑的五点故障因素，除加速机构速度无法测量外，其余可以排除。图7开关静触头上黑色导电膏清晰可见图8开关动触头光滑干净颜色如初结论1）事故发生瞬间开关接通的电流基本在额定工作电流范围内（电流能力范围内）。定量估算可能为I＝(80×4)×2＝320×2＝640A开关动静触头的电气结构未发现异常，合闸同期性亦正常。开关动静触头在接通电路时没有产生强烈电弧。因此，开关出现飞弧短路和热击穿短路的可能性较小。4）在动静触头前端接触面边沿有微小的电火花灼蚀点，这说明在动静触头接触瞬坏，出现微小的电弧亦属正常。（二）质量问题瞬间电压在“5·5”弧光短路的一瞬间，SIWOH1-6301.5kVEC-40ms1.5kV3000V（1min）的性1200VmsSIWOH1-6306～10kV750V（在塑80℃的条件下）。因此，若当时电路中有（1.5～2.0）Uj升限值等技术指标是否合格。闪络短路凭经验，直观感觉：SIWOH1-630开关上口裸露出线端子相间在较高电压下沿塑料外壳表面放电闪络短路的概率最大。1备》（GB7251.1-2005）对开关电气间隙、爬电距离、温升限值的规定：6～12kV（非均匀电场5·5～14mm。800～1250V（4Ⅲa），25～40mm。40℃。图9开关上口裸露出线端子相间在较高电压下闪络短路的概率最大绝缘遥测开关额定耐受冲击电压为6～12kV，这个数值主要是指绝缘材料内部永久性击穿的指标。我们用500V、1000V、2500V兆欧表在冷态下进行了测试，没有发现硬击穿现象。结论1）了开关的额定绝缘电压。定量估算可能为U＝750×(1.5～2)＝1125～1500V在这个过电压值下虽然没有发生绝缘材料硬击穿短路，但并不能保证不发生放电闪络短路。30mmGB7251.1-2005电气间隙。但GB7251.1-2005规定的—设备长期承受电压的最小爬电距离表明：当工作电压≥1250V时（污染等级4级，材料组别Ⅲa），最小爬电距离=40mm放电的危险是存在的。GB7251.1-200540℃。经验证明：当开关下降，此时加上＞750V短路是完全可能的。根据以上非常有限技术条件下的分析，笔者认为：开关的接触机构和绝缘指标常状态。（三）安装问题使用说明书要求本开关安装单位是国内某仪表厂。20095152子和接线裸母线应包扎绝缘物，防止开关相间短路。”大厦现场安装实况1818SIWOH1-630210开关上的接线端子是裸露导体未包扎绝缘物SIWOH1电和飞弧短路。电路问题20088深入分析表明：这种设备在设计上存在缺陷。这种缺陷成为“5·5”弧光短路事故的主要诱发因素。（一）因设计潜伏隐患REGO图11REGO控制系统图图12REGO控制原理图1）REGO自动控制器不受总电源开关控制。主辅柜两个SIWOH1-630开关控制12REGO1212的工作电源接在SIWOH1-630开关上口，不受总开关控制。当总开关断开后，REGO时，另一个仍然可以在自动补偿状态工作。2）这种接线方式可以造成智能误判，使电路出现异常状态。即：在总开关断开而REGOREGOREGO12600kvar图13电容器主柜运行/辅柜检修示意图3）14REGO6吸合。串联电抗器电抗率的选择1）《并联电容器装置设计规范》（GB50227-2008）规定：0.1%～1%；②54.5%～5.03上时，电抗率宜取12.0%；亦可采用4.5%～5.0%与12.0%两种电抗率混装方式。2）低压调谐滤波器产品样本（2007年10月版）提示：存在谐波的电网（应用非线性负载例如整流器、电焊等）选择功率因数补偿系统时，应特别注意产生谐波的道安装补偿设备的电网特性和应用的电抗器对电容器所产生的影响。3）3#变压器电容器补偿柜中的串联电抗器工作温度有时高120℃。3#、5#、6#变压器电容器补偿柜不断出现投切接触器烧毁和熔断器熔断的现象。“5·5”3%。而大厦九台变压器带有大量电力电子设备，3#、4#、5#、6#变压器所带负载尤其是这样。属于典型的谐波源污染负载。很明显，3%这一电抗率选择是不符合GB50227-2008结论生的概率增大。（二）过量补偿过电压并联电容器过量补偿无功功率的危害是非常明确的：其一，抬高系统电压，损坏电气绝缘。其二，无功反送电源，增加有功损耗。案例：某厂为一台大型电动机供电的变压器设置了分组投切的0.4kV无功补偿电容器组（三相容量600kvar）由于“自动控制器接线设计”考虑不周，在“5·5”“过量补偿过电压”。实际过程如下：1）3#变压器主辅两台电容器柜正在运行中，REGO控制投入的是辅柜上第7、第8两组电容器。SIWOH1-63078REGO78此时，350×2=100kvar403主进开关ATA（CT）REGO。REGO100kkar9、10910REGO路需要已经投入了4组50×4=200kvar的无功补偿量。但此时实际仍然是零补偿。6）操作人员结束工作后，合上SIWOH1-630开关，使辅柜由检修转运行。SIWOH1-630开关接通电路的一瞬间，4组200kvar的无功补偿量投入了系统，超出了此时电路实际需要补偿量1倍，形成了过量补偿无功返送。7）过量补偿无功返送使系统相间电压瞬间升高。造成了过量补偿过电压。0.4kV相间弧光短路。（三）高次谐振过电压在供用电系统中，产生谐波的根本原因是由于向具有非线性阻抗特性电气设备供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波（正弦波分量），印机、传真机等；④UPS电源设备；⑤智能照明设备；⑥变频调速设备；⑦电梯设备；⑧电弧设备等。由于智能楼宇中安装着大量电力电子设备，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以它们是目前智能楼宇供用电系统中的主要谐波源。其中：计算机产生的谐波以3、5、7次为主（笔记本便携式计算机产生的谐波频谱更加广泛）3、5、7、9、11、13以5、7次为主。三相六脉冲桥式可控硅整流的UPS电源产生的谐波以5、7次最为显著（该大厦UPS属于此种类型）。三相十二脉冲桥式可控硅整流的UPS电源产生的谐波以11、13次最为显著。单相供电的UPS产生的谐波则以3次为主。统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，是最大的谐波源。高次谐波谐振时，一般电流不大，但过电压很高，经常使设备绝缘损坏。甚至有谐振过电压使母排之间空气间隙击穿导致补偿柜烧毁的严重事故发生。由于“串联电抗器电抗率设计”选择有误，在“5·5”“高次谐波过电压”。理论计算如下：《并联电容器装置设计规范》（GB50227-2008）规定：当分组电容器按各种容量组合运行时，不得发生谐振。谐振电容器容量，可按下式计算式中，Qcx为发生n次谐波谐振的电容器容量(Mvar)；Sd为并联电容器装置安装处的母线短路容量(MVA)；n为谐波次数，即谐波频率与电网基波频率之比；K为电抗率，即串联电抗器的感抗与并联电容器组的容抗之比，以百分数表示。解：大厦3＃变压器0.4kV无功补偿电容器柜“5·5”事故发生高次谐波谐振的电容器容量为因为，Sd=0.4kV×50kA=400V×50000A=20MVA（查表并计算得）N=5（据大厦3＃变压器负荷特性得）K=3%=0.03（据设备参数计算得）所以结论大厦3＃变压器0.4kV无功补偿电容器柜“5·5”事故发生高次谐波谐振的电容器容量为200kvar。正好落入5次谐波谐振区并与谐振点重合。经验证明：高次谐振过电压的数值一般在（2～5）Ue。4结论综上所述，本文对“5·5”事故做如下结论：不是操作问题。基于SIWOH1-630隔离开关熔断器组的类别和性质，“5·5”事故时电工的操作，没有违反电气安全工作的基本规程，没有违反电工安全作业的基本常识，是一次正常的操作。基本不是开关问题。经解体检查和对照规范，认为开关的电气和机械机构以关技术指标的异常状态。但是不依照说明书安装，留下了短路隐患。基本肯定是电路问题。1）控制器接线方式缺陷→智能控制误判→令多组接触器同时空载吸合→形成了过补偿的投切容量组合→此时人工操