一起化工厂10kV开关柜过电压保护器热崩溃事故分析

左 涛

一起化工厂10kV开关柜过电压保护器热崩溃事故分析

左 涛

（乐山一拉得电网自动化有限公司，四川 乐山 614000）

以某化工厂110kV变电站10kV开关柜内过电压保护器热崩溃引发断路器跳闸、开关柜电缆室爆炸的事故为例，从过电压保护器结构及工作原理入手，根据事故现象对事故发生原因进行逐一排查和分析，综合判断造成这起事故的原因为10kV系统B相反复间歇电弧接地引发铁磁谐振过电压，导致过电压保护器内氧化锌电阻片热崩溃，继而引发开关柜内AC相间短路故障和电缆室爆炸，分析结果表明该型过电压保护器的三相四星形接线结构缺陷是此次事故发生的根源。最后，为防止类似事故再次发生，提出消除和防范措施，为确保电力系统安全稳定运行提供参考。

开关柜；过电压保护器；间歇电弧接地；铁磁谐振；热崩溃

0 引言

过电压保护器是一种保护电力设备绝缘免受过电压危害的新型保护电器，主要用于限制外部雷击（大气）过电压和由于电力系统参数发生变化导致电磁能量产生振荡和积聚而引起的内部过电压，其实质是人为在系统中制造一个绝缘薄弱点，使系统中的过电压能量从该薄弱点释放，从而达到对电力系统中各种电气设备，特别是对高压旋转电动机等弱绝缘设备的相间、相地及匝间绝缘的保护作用，具有残压低、伏安特性平坦、动作迅速等特点[1-2]。但是，当过电压保护器热崩溃，甚至引发爆炸时，会对电气设备的安全稳定运行产生重大危害。

本文以某化工厂110kV变电站10kV出线开关柜过电压保护器热崩溃击穿，引发开关柜内相间短路并发生电缆室爆炸的事故为例，从过电压保护器的结构及工作原理入手，根据事故现象对事故原因进行逐一排查和分析，并提出防止类似事故再次发生的消除和应对措施，从而确保电力系统的安全稳定运行。

1 事故经过

2022年1月24日11:03，某化工厂110kV变电站10kV开关室I段母线10kV联碱冷却塔风机出线开关柜电缆室发生爆炸，事故现场开关柜状况如图1所示，电缆室前后柜门被爆炸产生的高压气流冲开，开关柜门框及柜门变形（见图1（a））。该柜出线开关保护装置显示“AC速断过电流保护动作”，保护动作后11ms该柜断路器跳闸，故障被切除。经查看，开关柜电缆室A相电流互感器损坏，连接母排脱落，接地开关A相绝缘子破裂（见图1（b）），柜内过电压保护器损坏最为严重，保护器A、C两相复合树脂外套被击穿炸裂（见图1（c）），与铜排搭接的A、C两相高压引线电缆熔断，B相完好，电缆室两侧的金属板有电弧烧灼痕迹（见图1（d））。这次事故造成联碱冷却塔风机停运，影响了用户的安全生产，造成了一定的经济损失。

2 事故原因排查与分析

根据以上事故现场情况，初步判断造成此次故障的原因是该10kV出线开关柜电缆室内过电压保护器A相和C相保护单元发生热崩溃击穿，引发开关柜内AC相间短路，造成开关柜电缆室发生爆炸。造成过电压保护器热崩溃的原因很多，需要从其结构及工作原理入手，根据事故现象逐一排查和分析。

2.1 过电压保护器结构简述

与该10kV开关柜配套的保护器是安徽某公司的某型三相四柱式无间隙过电压保护器，其标称放电电流为2.5kA，保护对象为电动机，允许施加在保护装置端子间的最大工频电压有效值为13.5kV，2ms方波通流容量为400A。该过电压保护器由4个保护单元组成，采用三相四星形接法，保护单元两两组合形成相-相、相-地保护。A、B、C三相的保护单元由脱离装置TL、非线性金属氧化锌电阻片ZnO和相应的零部件组成。过电压保护器电气原理如图2所示。

图2 过电压保护器电气原理

该过电压保护器的工作原理是利用金属氧化锌电阻片良好的非线性伏安特性，氧化锌电阻片的伏安特性曲线如图3所示。在系统电压正常时，过电压保护器中的金属氧化锌电阻片工作在低电场区，呈现高电阻状态，此时氧化锌避雷器对地绝缘。在过电压作用下，金属氧化锌电阻片工作在中电场区或高电场区，呈现低电阻状态，将过电压产生的电流泄入大地，使氧化锌电阻片上的压降（即残压）低于被保护设备的绝缘水平，从而实现设备保护。但是，如果过电压保护器所承载的持续功率损耗超过外套和连接件的散热能力而引起电阻片的温度累积升高[3-4]，就会造成氧化锌电阻片“不堪重负”而热崩溃击穿，继而引发连锁反应，最终导致相间短路并发生开关柜爆炸。

图3 氧化锌电阻片的伏安特性曲线

2.2 事故原因排查

根据文献[5-6]，造成过电压保护器热崩溃的原因有以下几种。

1）氧化锌电阻片受潮老化

过电压保护器受生产工艺影响，容易出现复合树脂外套密封不良，内部有空气存在。当发生过电压时，氧化锌电阻片导通，以自身发热的形式消耗过电压产生的能量，保护器内部干燥空气会通过密封薄弱处向外排出；过电压消失后，由于气压差外部潮湿的气体被吸入保护器内部[7]。这种由于热胀冷缩产生的“呼吸现象”，导致氧化锌电阻受潮发生泄漏老化，绝缘电阻降低，当发生过电压时容易热崩溃击穿。但是，事故开关柜位于室内，通风散热条件良好，且运行时间不到一年，因受潮导致过电压保护器氧化锌电阻片老化的可能性不大，同时观察现场收集的被击穿的金属氧化锌电阻片，也并未发现受潮情况，因此排除由于受潮导致氧化锌电阻片泄漏电流增大而老化的情况。被击穿的金属氧化锌电阻片如图4所示。

图4 被击穿的金属氧化锌电阻片

2）保护器表面污秽

外部污秽会引起过电压保护器表面电压分布不均匀，产生局部放电，局部放电所产生的电子、离子在电场作用下运动，撞击过电压保护器的绝缘材料，使电介质逐渐分解、破坏，放电产生的导电性和活性气体也会氧化、腐蚀电介质。同时，局部放电使该处的局部电场畸变加剧，进一步增大了局部放电的强度。局部放电处产生局部的高温，使绝缘产生不可恢复的损伤（脆化、炭化等），这些损伤在长期运行中不断扩大，加速了电介质的老化和破坏，当发展到一定程度时，有可能导致整个保护器绝缘在工作电压或过电压下发生击穿或沿面闪络[8]。但是，观察本次故障损坏的过电压保护器，A、C两相电阻片被热击穿，复合树脂套被击穿炸裂，表面无明显爬电或烧损迹象，保护器底座为绝缘材料且底座周围外壳无放电烧蚀迹象，并且过电压保护器所处的运行环境良好，无粉尘、烟雾等易污染因素，因此可以判断过电压保护器内部发生了爆炸，而非表面污秽局部放电引起，故排除过电压保护器表面污秽引起相间短路的可能。

3）过电压引起氧化锌电阻片热崩溃

过电压分为外部过电压、内部过电压，外部过电压也称雷击过电压，是由直接雷击或雷电感应而产生的过电压。此次事故发生在1月份，时值冬季，当地没有雷电现象，而且根据当值厂站值班员介绍，事故发生当天天气情况良好，因此排除雷击过电压发生的可能。

内部过电压是电力系统中由于真空断路器操作、系统故障（如接地）发生及消失、系统电感、电容在特定情况下的配合不当或其他原因，使系统发生变化而产生的。内部过电压分为操作过电压、暂时过电压。切除空载变压器、真空断路器操作均会引起电压升高，这类过电压就是操作过电压；暂时过电压包括工频过电压、间歇电弧接地过电压和谐振过电压。工频过电压对系统中正常绝缘的电气设备一般不构成威胁；间歇电弧接地过电压是中性点不接地系统单相接地时，接地电弧反复间歇性熄灭和重燃引起电磁暂态振荡过渡而形成的过电压；谐振过电压是由于电网系统中的电感元件和电容元件因操作、故障、负荷波动等多种原因形成共振条件，激发持续谐振而导致的过电压[8]。根据当值厂站值班员介绍，事故发生时未进行真空断路器的分合闸操作，系统中也没有空载变压器，因此排除操作过电压的可能，剩下的可能就是间歇电弧接地过电压和谐振过电压。

间歇电弧接地过电压和谐振过电压由于持续时间长，对系统的危害最大，会造成电压互感器（PT）烧毁、过电压保护器爆炸、电气设备绝缘损伤、电缆放炮等事故[9]。本次事故由间歇电弧接地过电压和谐振过电压引发的可能性最大，应予以重点研究和分析。

2.3 事故原因分析

根据后台监控系统记录的电压波形显示，主变低压侧ab在1月24日10:55发生电压陡增，11:03达到最高峰值，即当时10kV系统发生了过电压。根据微机控制器的故障记录，11:03系统发生B相接地，10kV系统三相电压值分别为a=7.633kV，b=2.683kV，c=7.42kV，可见A相和C相的对地电压由正常的5.77kV上升到7.633kV和7.42kV，而非单相金属性接地时非故障相电压升高到线电压；故障相B相电压降至2.683kV，而非单相金属性接地时故障相电压降至0，因此微机控制器故障记录的“B相接地”，并不是真正的B相金属性接地，而是“虚接地”，这种现象通常是由PT饱和引起的铁磁谐振过电压造成的。

综合事故现场情况，此次事故发生的过程应该是10kV系统B相存在绝缘薄弱点，造成B相反复间歇电弧接地，这会造成当接地电弧重燃时，故障点流过容性电流，未发生接地故障的A相、C相对地电压瞬时升高；当接地电弧熄灭时，未发生接地故障的A相和C相的相对地电压突变回原来的相电压，此时接地故障期间充的多余电荷需要释放掉。该厂10kV系统是中性点不接地系统，系统中只有通过PT的中性点才能构成释放回路，大量电荷短时间内通过PT一次侧中性点释放会使电压互感器电感快速饱和，饱和后电压互感器A相励磁电感1和C相励磁电感3剧烈下降，流过1和3的电感电流增大，使A相的对地导纳1和C相的对地导纳3变成感性，故障相B相的对地阻抗仍为容性，即对地导纳2为容性，当对地导纳满足参数匹配时，容性导纳与感性导纳的抵消作用使1+2+3=0，从而激发了电磁暂态振荡，中性点位移电压急剧升高，三相导线的对地电压等于各相电源电势与中性点位移电压的相量和[10-12]，中性点位移时三相电压相量图如图5所示。相量叠加的结果使A相和C相的对地电压升高，而B相的对地电压降低，此时就出现了微机控制器故障记录的结果，即A相、C相出现了铁磁谐振过电压，且时间长、幅值高。

图5 中性点位移时三相电压相量图

由于该型过电压保护器采用三相四星形接线结构，该结构中的氧化锌电阻片单元两两组合形成相-相、相-地保护，存在人为制造的一个中性点，使相间氧化锌电阻片长期运行荷电率过高、老化严重，当系统出现间歇电弧接地过电压和谐振过电压时，相地氧化锌电阻片就会因温度累积升高而发生热崩溃击穿，当一个单元的电阻片热击穿后呈短路特性，使原来由两个单元承受的持续运行电压变为只由一个单元来承担，氧化锌电阻片的荷电率增加了约一倍，相间氧化锌电阻片的伏安特性工作点大幅提高，但是电阻片的极限热容量不足，这使剩下的氧化锌电阻片单元迅速损坏并发生热崩溃[13]，这种连锁反应导致过电压保护器相间短路。因此，过电压保护器A相和C相在铁磁谐振过电压作用下热崩溃击穿并发生内部相间短路，短路电流急剧升高，导致过电压保护器温度急剧升高，造成本体结构爆裂，形成A相与C相相间飞弧，并引发开关柜内AC相间短路故障，短路电弧释放的能量可高达3.06×107J[14]，使电缆室压力急剧上升，并造成严重的热效应，在热效应与骤增压力的双重作用下，电缆室柜门被冲开，开关柜门框及柜门变形。同时，与铜排搭接的过电压保护器A相和C相的高压引线电缆熔断脱落，脱落过程中受电弧牵引左右摆动引发拉弧，形成弧光短路放电，柜体两侧的金属板产生的电弧灼伤痕迹就是引线电缆摆动拉弧放电所致。

综上所述，此次事故是10kV系统B相反复间歇电弧接地引发铁磁谐振过电压，使过电压保护器内氧化锌电阻片单元迅速热崩溃击穿，引发相间短路故障，其根源是该型过电压保护器的三相四星形接线结构缺陷。

3 消除和防范措施

要做好类似事故的防范应对措施，应该在产品原理结构、参数选择、日常监测和维护等方面综合施策。

3.1 更换成三相六柱式无间隙过电压保护器

鉴于三相四星形过电压保护器结构的固有缺陷，建议采用三相六柱式无间隙过电压保护器，其电气等效图如图6所示。三组氧化锌电阻片以三角形联结进行相间保护，三组星形联结进行对地保护，各组独立运行，不仅消除了三相四星形接线结构的中性点，还可以根据不同的过电压设置氧化锌电阻片的参数，例如针对相间短路主要为操作过电压、过电压产生的电流较小的情况，可以将相间氧化锌电阻片组直流参考电压提高，降低荷电率，提高相间保护的可靠性；对于单相间歇电弧接地和铁磁谐振引发的相地过电压电流较大、能量较高的情况，可以提高相地氧化锌电阻片组2ms方波通流容量，降低相地击穿的概率[15-16]。此外，三相六柱式无间隙过电压保护器具有陡波响应特性好，无截波，无放电延时；真空环氧浇注，可适用于重污秽、高海拔环境[17]；便于在线监测及预防性试验；配备防爆自动脱离装置，能够及时切断隔离过电压，避免系统故障面扩大等优点。

图6 三相六柱式无间隙过电压保护器电气等效图

3.2 选择合理的过电压保护器参数

本次事故中的开关柜和过电压保护器的使用场景为化工厂，该厂的主要负荷是电动机，该型过电压保护器的保护对象也是一台功率为200kW的联碱冷却塔风机，因此可以通过计算电动机相地和相相之间绝缘能承受的过电压数值，选择合适的过电压保护器最大工频电压有效值。

对于10kV系统中运行的电动机，其相地和相相之间绝缘能承受的过电压数值s，可用式（1）计算得到[18]。

式中：e为高压电动机的额定电压（kV）；为冲击系数（取1.15）；0.75为老化系数。

可见，之前选择的13.5kV保护器的最大工频电压有效值偏低，选择17.5kV的最大工频电压有效值较为合适。

此外，还有两个衡量过电压保护器保护能力的重要指标，分别为体现抵抗大电流能力的大电流冲击电流值（kA）和体现热容量耐受能力的2ms方波冲击电流值（A）[7]。根据过电压保护器工放值选择标准可知，过电压保护器工频放电电压值为3.5倍相电压，在66kV及以下系统发生单相间歇电弧接地和铁磁谐振故障时，产生的过电压可以达到3.5p.u.（相对地暂时过电压和操作过电压的标幺值）[19]，因此只要发生单相间歇电弧接地和铁磁谐振故障，过电压保护器氧化锌电阻片就会导通泄压，如果过电压能量超过电阻片的极限热容量，就容易发生热崩溃。此次事故中过电压保护器的热容量耐受能力为400A（2ms），不足以消耗故障时的过电压能量，而且氧化锌电阻片每动作一次都是对保护器的一次损害，所以应该在热容量耐受能力参数方面选择600A（2ms）以上通流能力的过电压保护器。

3.3 加强日常监测和维护

过电压保护器投运之后易被忽视，形成维护盲区，因此定期开展预防性试验工作尤为重要。对于无间隙过电压保护器，每年可以进行一次直流1mA下直流参考电压1mA试验（要求1mA不小于18.6kV）和0.75倍直流参考电压下泄漏电流试验（要求泄漏电流不大于50mA）[20]，以判断氧化锌电阻片是否存在老化情况，如果发现过电压保护器存在性能下降的隐患，应及时更换。此外，加强过电压保护器运行的巡检监测力度，利用红外热像仪、红外测温仪等对保护器进行定期温度测试，开展超声波局部放电检测[21-22]，增加泄漏电流在线监测装置，都是保证过电压保护器安全稳定运行的重要手段。

4 结论

我国电力系统10kV开关柜易因过电压保护器参数、型号和结构形式等选择不当，引发电网安全事故。本文还原了一起化工厂10kV开关柜由于柜内过电压保护器热崩溃击穿而引发的短路爆炸事故，并系统剖析了事故产生的原因。研究表明：过电压保护器的结构设计缺陷是造成此类事故的根本原因，宜采用三相六柱式无间隙过电压保护器进行纠正。此外，本文提出了加强过电压保护器日常监测和维护的预防措施，对防止类似事故再次发生，确保电力系统安全稳定运行具有重要意义。

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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 涛（1977—），男，四川彭山人，硕士，教授级高级工程师，主要从事220kV及以下电气成套开关设备的研发设计和生产制造工作。