04kV无功补偿电容柜弧光短路事故原因分析.docx

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1、一、引言 2023 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。在凹凸压变配电系统中，无功补偿电容器配电柜是一个事故的易发、多发环节。同时，这种设备的事故缘由分析难度较大。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简单的多。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。2023 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

2、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缘由终无定论。图 1是“11.9”事故的现场照片。二、事故过程 2023 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展检修：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沟通接触器检查前运行人员觉察其中相接触不良及其他 5 个投切沟通接触器的接线端子进展检查。11 时，检查完毕，二人关好柜门。11 时零 1 分，操作合上辅

3、柜总电源开关。此时一声巨响，在总电源开关上口暴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。三、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依据北京市供电局公布的北京地区电气设备运行治理规程2023 版 和并联电容器装置设计标准GB50227-2023等规程的要求，在操作电力10 / 14电容器时必需遵守以下规定：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）

4、 全站故障失去电源后，对失压保护拒动的电容器组，必需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，未查明缘由，不准更换熔丝送电。5） 电容器因内部故障掉闸后，在未撤除故障电容器前，制止重合闸送电。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掌握器的电容器组，当自动装置发生故障时，应马上退出运行。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

5、具有隔离功能的电器的操作规程依据北京市供电局公布的北京地区电气设备运行治理规程2023版、低压配电设计标准GB50054-95、低压开关设备和掌握设备第三局部：开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器GB14048.3-2023等规程的要求，在操作只具有隔离功能的电器时必需遵守的规定是：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峻事故时，因实行防止误操作的措施。“55”事故操作人员没有违反第一类操作规程。但是否违反了其次类操作规程呢?在这里，问题的关键是要确认发生事故的 SIWOH1 系列开关到底是只能起隔离电路作用的隔离电器，还是同时具备接通、

6、分断电路功能允许带负荷操作的操作电器。开关的性质打算了操作的性质：1） 类别：SIWOH1-630 开关，属于 GB14048.3- 2023 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，“55”事故时电工的操作，没有违反电气安全工作的根本规程，没有违反电工安全作业的根本常识，是一次正常的操作。二正常操作与危急状态违章操作必

7、定与危急状态相联系，但正常操作却并不必定与安全状态相联系。一次正常的操作可能引发多种危急的状态。这就是电气行业工作的特别 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异的，电路中电压、电流的相位波形都是不一样的，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“55”弧光短路的

8、一瞬间，SIWOH1-630 开关动静触头接通的电流到底有多大呢？依据当时开关负荷侧 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力量。在正常条件下是不应当产生电弧的。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构造，有 12 组动静接触点，接

9、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展了解体检查。检查觉察：112 组动静触头接触面光滑干净，颜色如初，触头上的导电膏照旧如故。2） 三相触头密封空间亦完好干净。没有发生猛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，其余可以排解。结论1） 事故发生瞬间开关接通的电流根本在额定工作电流范围内固然更在额定接通电流力量范围内。

10、定量估算可能为(804)23202640A2） 开关动静触头的电气构造未觉察特别，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猛烈电弧。因此，开关消灭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，消灭微小的电弧亦属正常。二质量问题（1） 瞬间电压在“55”弧光短路的一瞬间，SIWOH1-630 开关相间绝缘承受的电压到底有多高呢？依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

11、ms 级时限内承受的电压在 1.5kV 以内。同时依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，假设当时电路中有1.52.0Uj 瞬间过电压消灭，也会对开关构成威逼。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外表温升限值等技术指标是否合格。（2） 闪络短路凭阅历，直观感觉：SIWOH1-630 开关上

12、口暴露出线端子相间在较高电压下沿塑料外壳外表放电闪络短路的概率最大。（3） 低压成套开关设备和掌握设备第 1 局部： 型式试验和局部型式试验成套设备GB7251.1- 2023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 5514mm。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开关绝缘外表 xx 升限值是 40。（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

13、 兆欧表在冷态下进展了测试，没有觉察硬击穿现象。（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(1.52)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 7251.1-2023 规定的空气中最小电气间隙。但 GB 7251.1-2023 规定的设备长期承受电压的最小爬电距离说明：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。放电的危急是存在的。3） GB 7251.1-202

14、3 规定开关绝缘材料外表温升限值是 40。阅历证明： 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，开关塑料外壳外表电阻会急剧下降，此时加上750V 的高电压，附着着灰尘的相间绝缘材料外表发生放电闪络短路是完全可能的。4） 依据以上格外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根本上没有严峻的问题。开关短路是由于当时电路里消灭了超出开关技术指标的特别状态。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。2023 年 5 月 15 日，该厂在为大厦更换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。说明书内容共分八局部。其中第七局部

15、-使用与修理-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依据该使用说明书第七局部-使用与修理-第 2 条要求安装。（3） 可以说，这一条是开关制造厂家依据 SIWOH1 系列产品的技术特点提出的针对性安全要求。假设依据这一条做了，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2023 年 8 月正式投入运行以来，接

16、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特别现象。深入分析说明：这种设备在设计上存在缺陷。这种缺陷成为“55”弧光短路事故的主要诱发因素。一因设计埋伏隐患1REGO 型自动功率因数掌握器接线方式1） REGO 自动掌握器不受总电源开关掌握。主辅柜两个 SIWOH1-630 开关掌握 12 组电容器总主回路，REGO 自动掌握器通过掌握 12 个沟通接触器掌握12 组电容器分支回路。REGO 的工作电源接在 SIWOH1-630 开关上口，不受总开关掌握。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，另一个仍旧可以在自动补偿状态工作。2） 这

17、种接线方式可以造成智能误判，使电路消灭特别状态。即：在总开关断开而 REGO 仍在工作的状况下，造成 REGO 对补偿需求发生误判。REGO 对补偿需求发生误判后，马上发出过补偿投入指令。误判发出的过补偿投入指令会始终持续到将 12 组 600kvar 电容器投切接触器全部吸合为止。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 自动掌握器仍旧发出指令将辅柜的 6 组投切接触器全部吸合。2xx 电抗器电抗率的选择1） 并联电容器装置设计标准GB50227- 2023规定：串联电抗器电抗率选择，应依据电网条件与电容器参数经相关计算分析确定，

18、电抗率取值范围应符合以下规定：仅用于限制涌流时，电抗率宜取 0.1%1%；用于抑制谐波时，电抗率应依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%；亦可承受 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2023 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，应特别留意产生谐波的影响。为了避开谐振这一危急现象，电容器肯定要串联适宜的调谐滤波电抗器。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

19、联电容器传输无功功率不同于依靠选择一般电抗器用于无功补偿的元件的传输，由于必需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） 在运行中觉察：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消灭投切接触器烧毁和熔断器熔断的现象。“55”事故后，笔者对其串联电抗器电抗率进展了计算，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GB50227-2023 要求的，是不符合大厦供用电负载谐波污染特点的，是难以避开高次

20、谐振这一危急现象的。3结论因以上设计埋伏隐患，简洁使过量补偿过电压、高次谐振过电压等多种特别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格外明确的：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，马上造成接在这个供电系统上的局部照明灯、指示灯、继电器线圈和局部补偿电容器烧毁。（2） 由于“自动掌握器接线设计”考虑不周，在“55”事故中确定无疑造成了“过量补偿过电压”。实际

21、过程如下：13#变压器主辅两台电容器柜正在运行中，REGO 掌握投入的是辅柜上第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，连续指令第7、第 8 号接触器在吸合位置。4） 此时，3#变压器负荷侧需要 502=100kvar 的无功补偿量，但由于总开关将两组电容器切除，电路中消灭了欠补偿。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。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

22、 10 号接触器吸合，将第9、第 10 组接触器投入。此时，REGO 认为它依据电路需要已经投入了 4组 504=200kvar 的无功补偿量。但此时实际仍旧是零补偿。6） 操作人员完毕工作后，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上升。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”确定对造成“55”开

23、关相间弧光短路起了作 用。但是阅历证明：过量补偿过电压的数值很少2Ue。这个数量级生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，产生谐波的根本缘由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响高次谐波基波频率整倍数的正弦波重量，导致供电系统的电压、电流波形畸变。全部非线性负荷都能产生谐波，主要有：整流设备；视频设备；办公自动化设备：计算机、复印机、打印机、 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

24、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。统计说明：由整流装置产生的谐波占全部谐波的近 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

25、流不大，但过电压很高，常常使设备绝缘损坏。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峻事故发生。（4） 由于“串联电抗器电抗率设计”选择有误，在“55”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标准GB50227-2023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。（5） 结论大厦 3变压器 0.4kV 无功补偿电容器柜“55”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。阅历证明：高次谐振过电压的数值一般在25Ue。4 结论综上所述，本文对“55”事故做如下结论：（1） 不是

26、操作问题。基于 SIWOH1-630 隔离开关熔断器组的类别和性质， “55”事故时电工的操作，没有违反电气安全工作的根本规程，没有违反电工安全作业的根本常识，是一次正常的操作。（2） 根本不是开关问题。经解体检查和比照标准，认为开关的电气和机械机构以及主要技术指标根本上没有严峻的问题。开关短路是由于当时电路里消灭了超出开关技术指标的特别状态。但是不依照说明书安装，留下了短路隐 患。（3） 根本确定是电路问题。1） 掌握器接线方式缺陷智能掌握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退 5 次及以上高次谐波的力量在现

27、有容量组合投切时遇到谐振点的概率较大“55”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 8001200V 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外表温度瞬间上升至 100以上， 高温使开关塑料外壳外表电阻值急剧下降，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暴露的，没有按要求进展绝缘处理。此时开关上口暴露出线端子相间领先沿绝缘塑料外壳外表发生放电闪络弧光短路。（5） “55”事故中的谐振过电压是概率性大事。每一次的电路分合冲击过程都是不一样的。由于这种“冲击扰动”过程的随机性，有的过程很严峻，有的则很稍微。这种区分打算于具体的初始条件：分合闸时电流、电压的相位角，电弧过程的猛烈程度等。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。