0.4kV 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）

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

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3m in。

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。

（2）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：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。

（3）解体检查我们对事故开关进行了解体检查。检查发现：1）12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

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

I＝(80×4)×2＝320×2＝640A

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 1130V（10S）和极对壳耐压3000V（1m in）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6～10kV，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（1.5～2.0）Uj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电压、额定绝缘电压、空气中最小电气间隙、最小爬电距离和绝缘表面温升限值等技术指标是否合格。

（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6～12kV时（非均匀电场），是5·5～14mm。

2）设备长期承受电压的最小爬电距离：在实际承受电压为800～1250V时（污染等级4级，材料组别Ⅲa），是 25～40mm。

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。

（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

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。

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Ⅲa），最小爬电距离=40mm。放电的危险是存在的。

3）GB 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《SIWOH1-63～1250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

（1）REGO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

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，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：①仅用于限制涌流时，电抗率宜取0.1%～1%；②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4.5%～5.0%；当谐波为 3次及以上时，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：

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。

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 50×2=100kvar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TA（CT）测量信号传给REGO。

5）REGO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50×4=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。

（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＞2Ue。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：①整流设备；②视频设备；③办公自动化设备：计算机、复印机、打印机、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。

（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

（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（2～5）Ue。

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，留下了短路隐患。

（3）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→此时人工操作总开关投入形成过补偿过电压。

2）电抗率选择缺陷→没有消除5次及以上高次谐波的能力→在现有容量组合投切时遇到谐振点的概率较大→“5·5”4组 200kvar一次投入时恰遇 5次谐波谐振点形成高次谐振过电压。

（4）弧光短路过程

1）合闸时由过补偿过电压和高次谐振过电压叠加形成瞬时过电压，峰值大约在800～1200V之间，施加在系统相间绝缘和对地绝缘上。

2）此时在过电压条件下，640A左右的大电流冲击SIWOH1-630开关动静触头产生的发热量，使金属出线端子和塑料外壳表面温度瞬间上升至100℃以上，高温使开关塑料外壳表面电阻值急剧下降，使此处成为线路上的最薄弱点。

3）最薄弱点处的三相出线端子是裸露的，没有按要求进行绝缘处理。此时开关上口裸露出线端子相间率先沿绝缘塑料外壳表面发生放电闪络—弧光短路。

（5）“5·5”事故中的谐振过电压是概率性事件。每一次的电路分合冲击过程都是不相同的。由于这种“冲击扰动”过程的随机性，有的过程很严重，有的则很轻微。这种区别决定于具体的初始条件：分合闸时电流、电压的相位角，电弧过程的强烈程度等。因此，在外激发条件下，并不是每次电路分合操作都会引起谐振过电压，而是具有明显的统计规律性。

[1]北京地区电气规程汇编(2000版) .北京电力行业协会编. 北京:中国城市出版社,2000.12.

[2]并联电容器装置设计规范(GB50227-2008).

[3]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).

[4]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).

[5]低压无功功率动态补偿装置(JB/T10695-2007).

[6]供配电系统设计规范(GB50052-95).

[7]10kV及以下变电所设计规范(GB50053-94).

[8]低压配电设计规范(GB50054-95).

[9]民用建筑电气设计规范(JGJ16-2008).

[10]SIWOH系列隔离开关熔断器组产品样本(2009年1月).

[11]SIWOH1-63～1250系列隔离开关熔断器组使用说明书(2009年4月随机文件).

[12]REGO自动功率因数控制器应用手册(2006年7月修订本).

[13]低压调谐滤波器产品样本(2007年10月).

[14]陈元丽编著. 现代建筑电气设计指南[M].北京:中国水利水电出版社,2007.7.

[15]平绍勋主编.电力系统内部过电压保护及实例分析[M].北京:中国电力出版社,2006.7.