10kV高压设备短路故障分析及应对措施分析

中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司 熊宇洋

由于高压设备自身结构的复杂性与多样性，以及在使用过程中受现场环境的约束和影响，在工程实践中极易出现设计方案不合理，材料尤其是绝缘材料的选择误差，这些因素进一步降低了高压电设备的运行安全与稳定，因此作为电力企业需进一步提高设备故障的诊断能力，有利于保证高压设备的长期稳定运行。通过对10kV高压设备为研究对象，对其发生的绝缘及短路故障进行了分析，避免和消除电气设备的运行故障问题。

电网在运行过程中，10kV高压设备短路故障常分为两种情况：非金属性的短路故障。通常将故障点电阻为0Ω时产生的故障称为非金属短路故障。非金属短路故障的特点是，虽然短路电流小于金属短路电流，但其产生的过程会持续较长时间，在这样长时间的非金属短路过程中，就会在局部时间与范围内降低电网的安全性和稳定性[1]；
金属短路所造成的故障。这类故障的特点是，电网设备在运行过程中，其设备处于不同位置的金属导线与导线间出现连接或导线间相互接触而造成的断路现象。电网运行过程中产生金属短路时，相应区域内的阻值会急剧下降、直到降到0Ω，同时在金属短路的过程中通常伴有明显的电压波动。

文中以某高压开关的设备为例，阐述其基本结构与技术参数。图1中：1上端接线；
2静触头；
3闸刀；
4套管绝缘子；
5下端接线；
6框架；
7转轴；
8拐臂；
9升降绝缘子；
10支柱绝缘子。高压隔离开关基本技术参数：额定电压40.5kV；
额定电流（A）630、1250、2000、2500；
4s额定短时耐受电流（kA）20.0、31.5、40.0、40.0；
额定峰值耐受电流（kA）50、80、100、100；
1min工频耐压（kV）95/118；
雷电冲击耐压（kV）185/215。

本文主要研究对象是10kV配电线路设备及配电变压器的故障类型原因及防范措施，针对10kV配电线路设备及配电变压器的故障进行了分析归类，分析了10kV高压设备形成短路故障的原因，并对防范各类故障进行了阐述。

绝缘引起的故障。绝缘指标作为高压开关的重要指标，其指标的优劣直接反映了高压开关的运行状态。由于高压开关产品种类繁多、质量和性能参差不齐，因此作为电力企业在选用高压开关时，应该注重开关的质量监控，从根源上降低设备短路的风险，维持电网长时间持续运行的安全性和稳定性[2]。

质量问题。高压开关设备其自身的质量问题是引起电力系统故障的重要因素之一。由于高压设备自身结构的复杂性，其在加工生产过程中涉及多种零件的组合与装配，不可避免的存在着部分零部件质量不过关的情况，在一定程度上降低了整个高压设备的故障率，增加了电力系统故障发生的概率。例如，隔离插头作为系统的常用设备，其质量的优劣直接关系到电网设备能否正常运行，如果质量不符合标准，易发生接触不良而造成相应安全事故。

安装问题。工程技术人员在整个电力系统的施工过程中扮演着重要的角色。技术人员能否有效正确的进行电力系统设备的安装与维护，对整个电力系统的正常运行起着十分至关重要的作用，而电力系统的多样性对电力系统设备的施工安装带来了新的挑战，会影响相应电力系统的平稳运行，但在安装过程中，由于操作的不规范，导致设备出现不同程度的损伤。例如，电缆绝缘外层、电缆与地面接触不良等情况。

操作问题。外部环境因素是造成高压设备故障的主要因素之一，工程技术员在进行相应电气设备操作时，应严格遵循操作规程，尽可能避免外部环境和人为因素的影响，进而确保整个电力系统的安全性。但在实际的操作过程中，由于工程技术人员的操作不当而造成的电网事故往往经常出现。其主要原因首先是设备自身的原因，较长的设备使用年限，其设备自身结构的稳定性将逐渐逐步降低，因此在出现短路故障时，其高压设备极易出现移位现象而发生安全事故；
其次是工程技术人员的安装和操作问题，其可能在操作过程中破坏了电力系统原本的结构而造成短路现象，影响电网系统设备的正常运行。

线路老化问题。电网设备的运行往往较为复杂，种类繁多的电气设备和复杂的线路，给整个系统的用电需求带来更高的要求，其多样化的用电实际对技术员的施工和设计提出了更高的要求。在工程实践中不及时对线路进行检修和维护极易导致线路的老化而出现短路问题，进而造成电气设备不必要的损坏，同时还易引起火灾等不安全的事故，危害设备及人员安全[3]。

安装、修护引起的故障。在安装过程中面对复杂的施工环境，施工人员易出现不按照操作规程进行安装维护的情况，这些不当操作极易造成电气设备的损坏。因此，对于电气设备的安装施工，应注重对施工人员的技术培训，最大限度的避免外部环境造成的不必要损失，同时在进行安装后还应该进行交叉性的检查，进而避免人为失误而造成的电气设备安装故障，降低恶性停电事故发生的概率。

选择材料防范措施。由于受高压设备自身结构的影响，其内部存在众多的细小部件，因此在进行材料选择时应该慎重进行，而材料的选择，应在兼顾其坚固绝缘性、耐用性的同时注重材料自身整体性能，进而通过材料防范保证高压设备的安全性、稳定性、可靠性；
其次，工程技术人员还应充分考虑实际工程的地理环境、气候环境等因素，进而在材料选择时有针对性的做出调整，进而保证电力设备的安全稳定运行，为高压电网的良好运行奠定良好的基础。

外部环境防范措施。电气化网络往往处于较为复杂的地理环境中，因此外部环境极易对电网设备的安全带来重要影响，分析和研究外部环境对电网安全的影响，维护高压电网设备的正常运行就显得十分重要，因此相关技术人员在进行高压电网设备安装过程中，应该结合实际工程区域的地理环境进行设计施工，应该有与当前外部施工环境相匹配的故障防范和应急措施，最大限度的减小外部施工环境对电网设备的影响。如，可以在通风窗口为设备安装一层空气过滤网和铁栅栏，来有效阻拦外界潮湿的空气的进入对电网高压设备的影响。

按照相关标准选择爬电比距。爬电比距作为电网高压设备的重要参数和指标，其指标的合理性直接影响着设备的稳定性。因此在工程施工中，技术人员应该根据实际的工程需求和环境进行相应参数的合理的选择，保证零件的外绝缘爬电比距符合设计需求，同时在条件允许的情况下，可以在符合需求的基础上提高爬电比距，一般情况下绝缘值的范围在18~20mm/kV之间。而对于部分特殊的施工需求，工程技术员应该进行相应针对性的施工，从根本上保证高压电网整体的绝缘性，避免短路故障的产生。

继电保护装置性能的防范措施。注重继电保护装置的安装和使用，在进行高压电网配置的过程中，应该根据需求成比例的配置相应的继电保护装置，同时对已有的继电保护装置进行性能优化、维护和检修，进而通过继电保护装置的合理设置，保持电网系统的稳定；
其次，应该及时关注设备容量，在设备的电气容量不够时应该及时更换、升级继电保护装置，并根据运行环境对新继电保护装置的相关参数进行合理设定[4]。

安全用电的防范措施。在进行电网施工的过程中应注重电气安全问题，在进行高压设备的使用过程中，需要工程技术人员掌握相应的电气安全知识，在进行相应的施工过程中，首先应该确定开关柜内导体是否完全接地，是否符合设计施工的标准，同时要保证相间空气间隙和对地空气间隙的值都要超过125mm以上。同时在面对较为复杂的电网系统时，工程技术人员还应该注意不同设备之间的绝缘问题，提高整个电网系统的安全性和稳定性，如应该注重对盐、雾等有害腐、蚀性气体的防护。

注重配电线路的维护、运行管理工作。作为电力企业的工程技术人员，对电力高压设备进行定期的巡视和检查应定期巡视，对于发现的设备缺陷进行及时的修复，进而提高设备的运行水平，保证电力系统的安全。同时应该逐步淘汰老旧设备，并加大相对应的电气配网建设的改造力度，使布局更加符合当前社会经济发展的需求。最后应该有计划的对线路进行巡视，密切关注设备的负荷情况及时调整，使负荷达到平衡。

重视制度建设与落实。作为电力企业的管理人员，还应该在管理过程中不断优化自身的管理制度，并积极落实到每一个工作的具体环节，通过完善事故应急预案，开展反事故演习活动，进而保证工程技术人员能够在第一时间对电气设备故障作出及时处理；
其次，应该注视对工技术员的培训工作，通过培训提高技术人员的业务能力和水平，如应该有完善的巡线机制和应急机制并够落实到；
再次，应该强化整个线路的运行管理工作，面对故障能够及时发现、及时排除、及时恢复，强化运行的各种规章制度，建立健全相应的技术档案，如杆塔明细表、交叉跨越、配网结线图等。同时，还应该坚持做好相应的运行记录等[5]。

以某变电站的开关柜故障为例，故障发生前1号主变2001、101、901开关处于运行状态，2号主变2002、102、902开关处于运行状态，10kV分段900开关热备用，10kVI母及其出线运行状态均正常，10kVII母2号所用变918。高傍II线923、新平线924、5号电容919、消弧线圈931处于运行状态。2号主变接线方式采用220kV、110kV侧中性点均直接接地运行，其中110kV侧中性点经消弧线圈接地，2号主变故障发生前最后时段各侧的负荷平均值如表1所示。

表1 二号主变故障发生前最后时段负荷情况分析

如表1所示，发现920开关柜出现严重的烧毁现象，柜内的A、B相母线出现了较为严重的变形现象，同时配电柜中的两组CT烧损较轻，通过观察发现在其开关头处出现了较为严重的烧毁。

为此提出以下几点防范对策：在进行接地设置时，消弧线圈接地应选用具备电容电流、补偿电感电流显示功能的接地系统，同时应该定期进行电容电流的检查，保证消弧线圈能够进行有效的感性电流补偿；
应该重视阻燃材料的选择，进而提高电网高压开关柜的绝缘性，同时也可以选择小电阻接地的方式，减小系统短路所造成的影响，在发生短路时起到良好的切除隔离作用。

作为工程技术人员应该结合工程实际设计需求，有目的及针对性开展相应的检修维护工作。10kV配电线路客观的存在着线路复杂及电气设备多样化的现实问题，而高压设备通常受外部环境、人为因素的影响极易引起短路故障，危害整个电网安全。因此，作为工程技术人员在进行10kV高压设备的施工过程中，应明确故障原因并从多个角度进行防范，实现电网系统的长久运行。