操作隔离开关引起开关柜爆炸事故

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1 事故经过

  110 kV城东变10 kV开关柜停电检修,工作票结束后,运行人员操作送电,第一次合闸后,保护动作,显示为过流一段动作。经检修人员检查,开关柜正常,没发现可疑故障点,进行第二次送电,结果同样为过流一段动作。线路工区检查架空线路,也没发现故障可疑点,又进行送电操作,保护同样动作。这样进行了数次。在最后一次的送电过程中,运行人员将小车开关摇入过程中,发生了爆炸事故。事故发生后,经过进一步的调查,发现送电线路的电缆在检修期间,被其他单位施工损坏,造成了三相短路接地。并且通过对真空断路器进行绝缘试验,没有发现绝缘损坏。

2 事故原因分析

  从事故经过中发现,事故的原因很特殊。由于开关柜有着良好的“五防”系统,小车开关不可能在合闸位置被推进,则小车必是在分闸的位置被摇进的,也就是说,运行人员的操作是正确的。而且,开关的绝缘并没有被损坏。

2.1 事故的原因

  实际上,当真空断路器处于合闸位置时,其对地绝缘由支持绝缘子承受。一旦真空断路器所连接的线路发生永久接地故障(如同这次事故),断路器动作跳闸后,接地故障点又未被清除,则带电母线的对地绝缘要由该断路器断口的真空间隙所承受,真空间隙绝缘特性的优劣成为衡量对地绝缘好坏的重要标志。而真空电极的材料与电极的表面状况,对真空间隙的绝缘是非常关键的因素。在这次的事故中,由于多次开断很大的短路电流,对真空断路器的电极造成一定程度的损坏。并且在理论上,在真空电弧熄灭后,弧隙中还存在着残余的金属蒸气和带电粒子,在大电流时还会有金属液滴。则有可能出现以下两种情况:

(1)由于电极的表面存在金属蒸气和带电粒子,则将发生放电现象。放电是一种小的自抑制熄灭的电流脉冲,它的总放电电荷3107 C,存在时间由50 ms到几毫秒,放电一般发生在大于1 mm的间隙中。

(2)由于金属液滴的存在,电极表面可能附着微块,在电场作用下,微块脱落而且加速,这微块撞击对面的电极时,由于冲击发热可使其本身熔化产生蒸气,引起击穿。

  基于以上的两点分析,多次切断大的短路电流是造成这次事故的主要原因。

2.2 理论分析

  无论是放电还是微块放电,都要在一定的电场作用下才会发生。真空断路器在切断较大的短路电流后,在真空间隙中存在着较多的金属蒸气或金属液滴,则可以借助理论进行分析。

  气体放电通常可分为非自持放电和自持放电两类,其放电伏安特性见图1。

操作隔离开关引起开关柜爆炸事故
图1 气体放电伏安特性

  起初,电流随电压升高而升高,这是因为气隙中带电离子向电极运动的速度加快,导致复合率减小的缘故。当电压超过Ua时,单位时间内气隙中电离产生的带电离子数基本不变,尽管电压升高,电流也不会增大,如图1中ab段。这种情况下气隙仍处于良好的绝缘状态。当电压升高到Ub以后,又出现电流的增长,当电压升高到临界值Uo时,电流急剧突增,气体间隙击穿,此时,气隙转入良好的导电状态。从而可以看出,在小车开关摇入时,在快与带电母线接触时产生了过电压。

  过电压产生的原因有很多,可以通过对隔离开关合闸的电路进行分析。由于三相对称,且同期合闸,则可按单相进行分析。隔离开关合闸的等值电路可用图2来表示。其中,L表示母线侧的电感,C表示隔离开关的对地电容。

操作隔离开关引起开关柜爆炸事故
图2  等值电路

  过渡过程中,电源电压通过电感L向电容C充电,回路中发生高频振荡过程。若设电源电压正好经过幅值U时合闸,这样可近似的视为振荡回路合闸到直流电源U的情况,根据有关理论分析,可得出电容上的电压为Uc = U(1 - cosω0t),不难看出,当t = η/ω0时,Uc达到最大值,Uc = 2U。

  实际电网电压是交变的,仍保持起始条件不变,可得一般表达式Uc =U(cosωt - cosω0t),当ω0 >> ω时,仍然有Uc = 2U成立。则可以得到以下结论。

  当小车开关在摇入时,在接通的过渡过程中,而这一过程恰好处于容易发生过电压的时间t = η/ω0,因而发生过电压。而此时的过电压却超过了气体放电的临界值,使真空断路器的绝缘间隙导通,此时操作隔离开关时就等于将隔离开关合到了接地的故障线路上,从而发生了爆炸事故。

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