关于KYN28A-12高压开关电源柜故障分析及改进

王模强

（山西兴能发电有限责任公司,山西太原 030200）

关于KYN28A-12高压开关电源柜故障分析及改进

王模强

（山西兴能发电有限责任公司,山西太原 030200）

KYN 28A-12铠装型移开式交流金属封闭开关设备（以下简称开关柜）系三相交流50Hz的户内成套配电装置，用于接受和分配3.6～12 kV的网络电能并对电路实行控制保护及监测。某电厂运行的开关柜故障率很低，维护工作量也很少，基本免维护。在分析处理一起电源开关柜故障时，发现很多问题，探讨了该问题发生的原因及改进办法。

KYN 28A-12开关柜；网络电能；断路器

目前KYN28A-12应用非常广泛，该开关柜能满足GB3906、DL404、IEC298等标准要求，并具有防止误操作断路器，防止带负荷推拉手车，防止带电关合接地开关，防止接地开关在接地位置送电和防止误入带电间隔，即简称的“五防功能”。在古交电厂运行的这种型号开关柜有300多台，主要配置VD4真空断路器。在古交电厂运行的开关柜故障率很低，维护工作量也很少，基本免维护。最近发生了一起电源开关柜故障，在分析处理故障时，发现很多问题。本文主要是探讨该问题发生的原因及改进办法。

1 故障情况及分析

1.1 发生故障开关柜及开关规范

1.1.1 开关柜

型号，KYN28A-12； 额定电压，12 kV；额定电流，4 000 A； 防护等级，IP4X；制造日期，2014年6月；制造厂，江苏亿能电气有限公司。

1.1.2 真空断路器

型号，ABB VD4 1250-50M； 电压，12 kV；电流，4 000 A；出厂年份，2014年；制造厂，厦门ABB有限责任公司。

1.2 故障情况

在2015年6月9日，古交电厂1号机组启动中，1号给水泵启动上水时，3号启备变因为低压6 kV侧A分支短路故障，跳开3号启备变高压侧开关。就地检查开关柜，情况如下。

首先看到开关柜保护室内部电缆着火后损坏严重，保护装置损坏，内部严重污染；开关柜顶的开关风烟盖板顶走，母线室盖板也顶离（母线未见明显污染）；打开开关室的柜门，发现真空断路器左上部明显过热烧损。拉出真空断路器后检查，真空断路器绝缘部分污染严重，触头烧损，其中有些开关动触头触指已经完全烧掉，弹簧脱落；灭弧室导电部分上部散热器电弧烧伤严重，发生塌陷。

开关柜开关室触头处的门帘机构损坏严重，静触头过热严重，拆出后检查，和动触头接触部分有电弧烧伤。

间隔内右侧上部靠边柜顶部有一直径13 cm左右的故障孔洞，距该孔洞17 cm处是一个直径19 cm的故障孔洞；再过19 cm，是一个直径20 cm的故障孔洞。左侧边柜有一直径超过22 cm的故障孔洞，该故障孔洞上部顶到柜顶，下部位于71.5 cm高度的位置。在开关柜左侧有一直径不小于6 cm的故障孔洞，其下部位置在高度76 cm的位置。开关间隔柜前上堵板左侧，从左柜最边开始有一长度超过12 cm的故障孔洞，在过21 cm左右，有一长12 cm的、最宽处3 cm的故障孔洞。该柜板长约98 cm，宽为（7+5）cm（7 cm为垂直板，5 cm为经过120°折弯后的倾斜板）。

1.3 原因分析

本次开关柜故障发生位置在断路器室，保护室是由于断路器室发生短路烧穿隔板起火损伤。从断路器动静触头损坏情况来看，明显动静触头接触不到位。动触头明显压接在静触头导向斜面，未进入到水平结合面位置。从断路器室放电短路情况来看，断路器极柱上部散热器A、B、C三相分别对上部、侧部放电并发生短路。从故障放电路径及距离来看，断路器散热器对上部放电短路的路径均大于170 mm，对侧面放电距离110 mm。由于断路器AB、BC相极柱散热器之间最小距离为85 mm（距离虽小，但未检查到放电痕迹），可以认为开关上部空气的绝缘性发生明显下降，击穿电压大幅下降。从开关柜结构来看，开关柜由保护室、开关室、母线室等相互隔离的部分组成。每个室的上部均有烟气通道，而开关室存在设备（断路器）占用空间很大，通往上部烟气盖板的空间很小，如开关电气部分出现温度升高情况，散热器上部将集聚温度越来越高的高温空气，其结构图见图1。

图1 开关柜结构图

1.4 理论分析

电介质理论研究和实际应用证明：空气的绝缘性随温度变化而变化，空气的绝缘电阻是随温度的升高而下降的。其原因一是温度身高后加速了空气内部的电子和离子的热运动；二是在低温条件下，空气中的水分是与空气紧密结合的，当温度升高后，水分子就向电磁场两级延伸，因而增加了绝缘介质的电导性能，故绝缘性指数下降。由于绝缘介质在材质结构等总的变化没有一定的规律，目前尚无一个标准的关于空气绝缘性与温度之间的换算公式。

根据巴申定律，得到以下公式。

a）当气体成分和电极材料一定时，气体间隙击穿电压Ud是气压P和极间距离d乘积的函数。

b）当温度变化时，气体间隙击穿电压Ud＇是气体密度δ和极间距离d乘积的函数。

其中式（2）中δ指气体的相对密度，即气体密度与标准大气条件 (Ps=101.3 kPa，Ts=293 K)下密度之比，即

式（3） 中，P指击穿时气压，kPa；T指击穿时温度，K。

开关柜中间隙长度d=170 mm为常数，由式（2）可以看出，在很大范围内，击穿电压Ud＇可以看做是空气密度δ的增函数，即当温度T增加时，空气密度δ减小，随之击穿电压Ud＇减少。

本次故障是由于触头严重过热引起。触头严重过热不仅造成附近绝缘材料高温损坏、分解，产生导电颗粒扩散到空气中，也传到到真空开关中。对于极柱固封且带散热器的真空开关，高温也造成固体绝缘材料分解产生导电颗粒，散发在空气中，造成空气绝缘下降，这是本次开关放电故障的主因。

开关柜绝缘材料一般采用环氧树脂，而真空开关固封极柱一般是内衬硅橡胶，外封环氧树脂结构，一般工作电流2 000 A以上的真空开关极柱上部加装散热器。电力系统中使用酚醛环氧树脂较多，使用温度-40～+240℃，分子结构为(C11H12O3)n，化学结构式如下。

由分子式可以看出，环氧树脂主要是碳氢结构，高温分解物有具有一定导电性能的物质，这些物体扩散到空气将造成空气绝缘下降。

总结以上两种情况，开关柜断路器室触头接触不到位而产生过热。断路器散热器运行中加热上部的空气，该部位的空气随着触头温度的升高和运行时间越来越热，形成上部空气绝缘下降。同时，温度升高也造成开关柜触头部位的绝缘体裂化，产生具有一定导电性能物质散发，同时该热量传导到真空开关导体，固封极柱绝缘材料也过热裂化，产生具有一定导电性能的物质。该物质顺着散发出来的热空气向上散发，真空开关固封极柱上部扇热器和上部的开关柜金属构件绝缘水平出现较大幅度的下降。而且，由于1号机组给水泵启动产生合闸过电压（国内外资料显示合闸过电压最高可达到3.8倍），而此时系统的薄弱点即故障开关柜开关室断路器散热器和上部柜板放电击穿产生弧光接地。弧光接地持续发展为相间短路，直到高压侧的分支过流保护动作切断高压侧断路器。

3 解决办法及措施

a）由于本次开关柜故障是由于开关柜开关室动静触头接触不到位产生触头过热，所以，首先解决开关触头不到位问题。现对开关进行改造，接触部分增加10～15 mm，并对开关合闸后回路接触电阻测量良好。

b)对于类似ABB公司的VD4 1250-50M这种极柱上部加装有散热器的断路器，开关柜的开关室上部将风烟挡板加装冷却风扇，用冷却风扇将断路器极柱散热器上部的热空气及时抽走。

c)根据《交流高压电器在长期工作时的发热》 （GB 763—2001）规定，触头在空气中最高运行温度75℃，最高温升35℃。可是KYN28A-12铠装开关柜运行中无法检查柜内情况。由于技术的进步，现有开关柜内部加装测温探头的技术，可以考虑采用。这样可以及时发现问题并在未发生故障前消除。另外也建议在开关室风道加装测温装置，监视风温。

d)在检修中，根据情况进行对开关柜真空开关联通触头的回路电阻测试，重点检测触头接触情况。

4 结语

a）KYN28A-12开关柜是一种制造精度要求非常高的开关柜，目前，古交电厂3号启备变配备的开关柜制造精度未达到相应的要求。

b）对于KYN28A-12开关柜配备带有极柱散热器的VD4 1250-50M真空断路器这种配置，设计上未认真考虑配置上存在的问题（如散热问题、极柱上部空间问题等）。

c）对于新安装开关柜（特别是大电流的电源柜），必须检查开关进车后，动静触头结合情况（如在动触头上抹红单粉，进车后将开关在拉出，检查静触头红单粉达到的位置等），如发现问题，及时进行处理。

d）新安装开关柜必须进行开关联通触头的回路电阻测试，重点检测触头接触情况。

Fault Analysis and Im provement of KYN28A-12 High-voltage Sw itchgear

WANG Moqiang

（Shanxi Xingneng Power Generation Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030200,China)

Metalclad removable ACmetal-enclosed switchgear is indoor power distribution device,which acts on receiving and distributing 3.6～12 kV network power quality,and realizing control protection and monitoring.In the past,the fault rates of switchgear operated in Gujiao power plantwas very low and lessmaintenance is needed,while recently,a switchgear fault occurred.In view of the fault,analysiswasdone and problemswere identified.Finally,measures for improvementwere put forward correspondingly.

KYN28A-12 switchgear;network powerquality;circuitbreaker

TM591

B

1671-0320（2016）05-0046-03

2016-05-17，

2016-08-15

王模强（1990），男，山西平遥人，2013年毕业于长春理工大学电气工程及其自动化系，从事继电保护检修维护改造等工作。