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技术与应用 2010年第7期 730.4kV无功补偿电容柜弧光 短路事故原因深度分析 谭永林 中国石油天然气集团公司北京 100083 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。 关键词智能误判过量补偿高次谐振弧光短路 With Regard to Reactive Power Compensation Capacitor Cabinet 0.4kV-Depth Analysis of Arc Short-Circuit Cause of the Accident Tan Yonglin China National Petroleum Corporation Beijing 100083 Abstract It is very important that low-voltage reactive power compensation of Electricity supply in the intelligent building systems. At the same time reactive power compensation devices for power system is also an accident-prone multiple links. In this paper a specific accident analysis capture this aspect of insecurity for the timely development of avoidance prevention and emergency response provides the correct basis. Key wordsintelligent misjudgmentexcessive compensationhigh-order harmonic short-circuit arc 1 引言 2009年5月5日11时01分北京市东城区某大厦B3南变配电室一台0.4kV无功补偿电容器柜突发弧光短路事故。在高低压变配电系统中无功补偿电容器柜是一个事故的易发、多发环节。同时这种设备的事故原因分析难度较大。从现象上看弧光短路无非是过电压或过电流造成的。但导致电容器过电压或过电流的因素却比电阻性或电感性电路复杂的多。这主要是由于在容性负载电路发生短路故障瞬间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14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 技术与应用 2010年第7期 74 图3 被大火烧毁的电容器柜 图4 被大火烧毁的电缆线 2 事故过程 2009年5月5日10时35分北京市东城区某大厦以下简称大厦B3南变配电室两持证电工对3变压器二次侧0.4kV无功补偿电容器辅柜进行检修一人监护一人操作断开辅柜总电源开关将辅柜7-12组300kvar电容器与主回路隔离。然后两人对第八组电容器投切交流接触器检查前运行人员发现其中相接触不良及其他5个投切交流接触器的接线端子进行检查。11时检查完毕二人关好柜门。11时零1分操作合上辅柜总电源开关。此时一声巨响在总电源开关上口裸露接线端子根部之间突发三相弧光短路。几乎与此同时3变压器二次侧出线403低压断路器和一次侧进线212高压断路器的过电流脱扣器短路瞬时保护动作跳闸3变压器停电。 3 事故分析 3.1 操作问题 一操作规程 1关于电力电容器的操作规程 图5 发生事故的SIWOH1系列开关 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。 2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。 3全站故障失去电源后对失压保护拒动的电容器组必须将电容器与电源断开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。 5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。 6电容器分闸后至再次合闸的间隔时间不得少于3min。 7装有功率因数自动补偿控制器的电容器组当自动装置发生故障时应立即退出运行。 8为防止铁磁谐振过电流严禁空载变压器带电容器组运行。 9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、电容器环境温度超过40、电容器外壳温度超过60时应将电容器退出运行。 技术与应用 2010年第7期 752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 1严禁带负荷分断、接通电路。 2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”事故操作人员没有违反第一类操作规程。但是否违反了第二类操作规程呢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6300A10倍的额定电流可以安全分断5040A8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。一次正常的操作可能引发多种危险的状态。这就是电气行业工作的特殊性。对于电路分、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 1合闸瞬间电源电压相位角最大过电压。 2合闸时触头弹跳过电压。 3分闸时电弧重击穿过电压。 4合闸时高次谐振过电压。 5合闸时残留电荷过电压。 6合闸时过量补偿过电压等。 3.2 开关故障分析 一故障问题 1瞬间电流 在“5·5”弧光短路的一瞬间SIWOH1-630开关动静触头接通的电流究竟有多大呢根据当时开关负荷侧3个gG630A熔断器总保险和12个gG160A熔断器分保险一个都没有熔断的事实可以判定当时开关在ms级时限内接通的电流在630A以内。这个数值远远低于开关的通断能力。在正常条件下是不应该产生电弧的。因此要考虑开关的接触机构是否存在故障导致它在较大电流下形成飞弧短路或热击穿短路。 2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动触头连接虚静触头连接虚加速机构速度不够在动静触头间已经形成很大的接触电阻合闸时12组动静接触点不同步。 3解体检查 我们对事故开关进行了解体检查。检查发现 112组动静触头接触面光滑干净颜色如初触头上的导电膏依然如故。 2三相触头密封空间亦完好干净。没有发生强烈电弧所特有的烧熔、弧坑、炭化、变色、飞溅等痕迹。 3在动静触头前端接触面边沿有微小的电火花灼蚀点属于正常现象。 4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 技术与应用 2010年第7期 76 图8 开关动触头光滑干净颜色如初 4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当然更在额定接通电流能力范围内。定量估算可能为 I80×4×2320×2640A 2开关动静触头的电气结构未发现异常合闸同期性亦正常。 3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间亦有微小电弧产生。但考虑到满足本使用类别的接通和分断条件当时可能已经破坏出现微小的电弧亦属正常。 二质量问题 1瞬间电压 在“5·5”弧光短路的一瞬间SIWOH1-630开关相间绝缘承受的电压究竟有多高呢根据当时开关电源侧配置的电压保护水平为1.5kV的EC-40型浪涌保护器没有动作的事实可以判定当时开关在ms级时限内承受的电压在1.5kV以内。同时根据此电容器极间耐压1130V10S和极对壳耐压3000V1min的性能可判定1200V为此电容器在ms级时限内极间耐压的上限。SIWOH1-630开关的额定冲击耐受电压虽然可达610kV但它的额定绝缘电压只有750V在塑料外壳发热温度低于80的条件下。因此若当时电路中有1.52.0Uj瞬间过电压出现也会对开关构成威胁。这里所说的质量问题主要是看开关的额定冲击耐受?缪埂疃档缪埂掌凶钚缙湎丁钚赖缇嗬牒途当砻嫖律拗档燃际踔副晔欠窈细瘛?2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。 3低压成套开关设备和控制设备第1部分型式试验和部分型式试验成套设备GB 7251.1- 2005对开关电气间隙、爬电距离、温升限值的规定 1空气中最小电气间隙在额定耐受冲击电压为612kV时非均匀电场是5·514mm。 2设备长期承受电压的最小爬电距离在实际承受电压为8001250V时污染等级4级材料组别a是2540mm。 3开关绝缘表面温升限值是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 4绝缘遥测 开关额定耐受冲击电压为612kV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。 5结论 1事故发生前瞬间开关承受的电压在额定耐受冲击电压的范围内。但极可能超过了开关的额定绝缘电压。定量估算可能为 U750×1.5211251500V 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。 2此开关的相间绝缘间距是30mm。符合GB 7251.1-2005规定的空气中最小电气间隙。但GB 7251.1-2005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a最小爬电距离40mm。放电的危险是存在的。 3GB 7251.1-2005规定开关绝缘材料表面温升限值是40。经验证明当开关在较大电流冲击下瞬间温升是该数值的两倍以上时开关塑料外壳表面电阻会急剧下降此时加上750V的高电压附 技术与应用 2010年第7期 77着着灰尘的相间绝缘材料表面发生放电闪络短路是完全可能的。 4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基本上没有严重的问题。开关短路是由于当时电路里出现了超出开关技术指标的异常状态。 三安装问题 1使用说明书要求 本开关安装单位是国内某仪表厂。2009年5月15日该厂在为大厦更换新开关时随机带来一份SIWOH1-631250系列隔离开关熔断器组使用说明书。说明书内容共分八部分。其中第七部分-使用与维修-第2条要求“开关上的接线端子和接线裸母线应包扎绝缘物防止开关相间短路。” 2大厦现场安装实况 迄今为止大厦南北变配电室18台低压无功补偿柜上的18台SIWOH1-630隔离开关熔断器组都没有按照该使用说明书第七部分-使用与维修-第2条要求安装。 图10 开关上的接线端子是裸露导体未包扎绝缘物 3可以说这一条是开关制造厂家根据SIWOH1系列产品的技术特点提出的针对性安全要求。如果按照这一条做了可以有效防止开关相间在此位置闪络、爬电和飞弧短路。 3.3 电路问题 大厦安装的低压无功补偿电容器柜是由国内某建筑设计院设计由国内某仪表厂组装生产。这种设备自2008年8月正式投入运行以来接连发生电容器组投切接触器烧毁、分路熔断器熔断和串联电抗器过热等异常现象。 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 1REGO型自动功率因数控制器接线方式 图11 REGO控制系统图 图12 REGO控制原理图 1REGO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12组电容器总主回路REGO自动控制器通过控制12个交流接触器控制12组电容器分支回路。REGO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仍在工作。原设计思想是当主辅柜其中一个断电检修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REGO仍在工作的情况下造成REGO对补偿需求发生误判。REGO对补偿需求发生误判后立即发出过补偿投入指令。误判发出的过补偿投入指令会一直持续到将12组600kvar电容器投切接触器全部吸合为止。 图13 电容器主柜运行/辅柜检修示意图 3图14极为清楚的显示尽管电容器主柜在运行、辅柜在检修尽管辅柜总电源开关已分断技术与应用 2010年第7期 78 但REGO自动控制器仍然发出指令将辅柜的6组投切接触器全部吸合。 2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 串联电抗器电抗率选择应根据电网条件与电容器参数经相关计算分析确定电抗率取值范围应符合下列规定仅用于限制涌流时电抗率宜取0.11用于抑制谐波时电抗率应根据并联电容器装置接入电网处的背景谐波含量的测量值选择。当谐波为5次及以上时电抗率宜取4.55.0当谐波为3次及以上时电抗率宜取12.0亦可采用4.55.0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影响。为了避免谐振这一危险现象电容器一定要串联合适的调谐滤波电抗器。这样就可以得到谐振频率低于谐波范围的振荡回路。通过调谐滤波电抗器串联电容器传输无功功率不同于依靠选择普通电抗器用于无功补偿的元件的传输因为必须知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在运行中发现大厦3变压器电容器补偿柜中的串联电抗器工作温度有时高达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”事故后笔者对其串联电抗器电抗率进行了计算约为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要求的是不符合大厦供用电负载谐波污染特点的是难以避免高次谐振这一危险现象的。 3结论 因以上设计潜伏隐患容易使过量补偿过电压、高次谐振过电压等多种异常状态发生的概率增大。 二过量补偿过电压 1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。调试时电动机还没启动调试人员就误将补偿电容器组全部投入运行立即造成接在这个供电系统上的部分照明灯、指示灯、继电器线圈和部分补偿电容器烧毁。 2由于“自动控制器接线设计”考虑不周在“5·5”事故中确定无疑造成了“过量补偿过电压”。实际过程如下 13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。 2此时操作人员分断辅柜SIWOH1-630开关使辅柜由运行转检修。 3总开关分断后第7、第8两组电容器被从母线上切除。但REGO并不理睬这一变化继续指令第7、第8号接触器在吸合位置。 4此时3变压器负荷侧需要50×2100kvar的无功补偿量但由于总开关将两组电容器切除电路中出现了欠补偿。这个欠补偿信号由403主进开关A相上的TACT测量信号传给REGO。 5REGO接到欠补偿信号后以为两组100kkar补偿量不够于是它指令第9、第10号接触器吸合将第9、第10组接触器投入。此时REGO认为它根据电路需要已经投入了4组50×4200kvar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。 3在大厦0.4kV无功补偿电容器柜弧光短路事故中过量补偿过电压的存在是确定无疑的。这个“过电压”肯定对造成“5·5”开关相间弧光短路起了作用。但是经验证明过量补偿过电压的数值很少gt2Ue。这个数量级恐怕还难以一手造成相间弧光短路。 三高次谐振过电压 1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基波频率整倍数的正弦波分量导致供电系统的电压、电流波形畸变。所有非线性负荷都能产生谐波主要有整流设备视频设备办公自动化 技术与应用 2010年第7期 79设备计算机、复印机、打印机、传真机等UPS电源设备智能照明设备变频调速设备电梯设备电弧设备等。 2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。复印机产生的谐波以3、5、7、9、11、13次为主。可变频驱动装置产生的谐波以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。 3谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形尖顶电压波易在介质中诱发局部放电。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。 4由于“串联电抗器电抗率设计”选择有误在“5·5”事故中极有可能造成了“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 QcxSd21nK 式中Qcx 为发生n 次谐波谐振的电容器容量MvarSd为并联电容器装置安装处的母线短路容量MVAn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Sd0.4kV×50kA400V×50000A20MVA查表并计算得 N5据大厦3变压器负荷特性得 K30.03据设备参数计算得 所以 QcxSd21n-K20×215-0.0320×0.04-0.03 20×0.010.2Mvar200kvar 5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25Ue。 4 结论 综上所述本文对“5·5”事故做如下结论 1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。 2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及主要技术指标基本上没有严重的问题。开关短路是由于当时电路里出现了超出开关技术指标的异常状态。但是不依照说明书安装.