油断路器事故：原因和处理方法

目前,我国电网中运行的油断路器仍占50%以上,事故时有发生。

现场多年对断路器的事故统计表明,其运行事故的主要类型如下:

(1)操动失灵;

(2)绝缘故障;

(3)开断、关合性能不良;

(4)导电性能不良。

产生事故的原因,一般可大致分为技术原因和工作原因两大类。所谓技术原因,是指产品本身或运行方式的缺陷;所谓工作原因,是指造成这些缺陷的工作者过失。本节将分析这两方面的原因。

(一) 事故的技术原因分析

1.操动失灵

操动失灵表现为断路器拒动或误动。由于高压断路器最基本、最重要的功能是正确动作并迅速切除电网故障。若断路器发生拒动或误动,将对电网构成严重威胁,主要是:①扩大事故影响范围,可能使本来只有一个回路故障扩大为整个母线,甚至全所、全厂停电;②如果延长了故障切除时间,将要影响系统的运行稳定和加重被控制设备的损坏程度;③造成非全相运行,其结果往往导致电网保护不正常动作和产生振荡现象,容易扩大为系统事故或大面积停电事故。例如,某发电厂在4号发电机停机解裂操作中,由于SW2—220型少油断路器拉杆强度不足而折断,B相未断开,造成非全相运行,使4号主变压器中性点间隙发生火花放电,电弧波及220kV东下母线,使母线差动保护动作,2号发电机及两条线路跳闸,又由于负序电流的影响,使发电机转子磁极主绝缘几乎全部损坏。

导致操动失灵的主要原因有:

1)操动机构缺陷。

2)断路器本体机械缺陷。

3)操作 (控制)电源缺陷。

具体分析如下。

(1)操动机构缺陷。操动机构包括电磁机构、弹簧机构和液压机构。

现场统计表明,操动机构缺陷是操动失灵的主要原因,大约占70%左右。对电磁与弹簧机构,其机构机械故障的主要原因是卡涩不灵活。此处卡涩,既可能是因为原装配调整不灵活,也可能是因为维护不良所致。造成机构机械故障的另一个原因是锁扣调整不当,运行中断路器自跳 (跳闸)多半是此类原因。各连接部位松动、变位,多半是由于螺钉未拧紧、销钉未上好或原防松结构有缺陷。值得注意的是,松动、变位故障远多于零部件损坏,由此可见,防止松动的意义并不亚于防止零部件损坏。

对液压机构,其机械故障主要是密封不良造成的,因此保证高油压部位密封可靠是特别重要的。

对机构的电气缺陷所造成的事故,主要是由辅助开关、微动开关缺陷造成的。辅助开关的故障多数为不切换,由此往往造成操作线圈烧坏。除此,故障还有是由于切换后接触不良造成拒动。微动开关主要是指液压机构等上的联锁、保护开关。有SW6型断路器的事故统计资料表明,其微动开关故障约占其机构电气故障的50%左右。除辅助开关、微动开关缺陷外,机构电气缺陷中比例最大的为二次回路故障。对于这些“配角的配角”也应当引起重视。例如:

1)某电业局的220kV变电所,其主变压器的SW6—220断路器C相在运行中偷跳,造成非全相运行,导致严重后果。其原因是C 相机构分闸线圈引出线外皮磨损,与铁轭窗口放电,构成直流系统负极接地。又由于变电所绝缘监视装置失灵,而不能及时发现,仪表班在作业中又误触正极,造成直流两点接地,使断路器C相偷跳。

2)某变电所的SW6—220 型少油断路器,在检修中,将二次线接错,以致故障时断路器拒分,扩大为全所停电。

3)某发电厂的SW6—220I型少油断路器,其CY3机构的F4辅助开关,因制造质量不良,触片弹力不足,似接非接。当线路故障时,断路器不能正确分闸,使断路器失灵保护动作,220kV母线停电,少送电15.5万kW·h,少发电7.5万kW·h。

(2)断路器本体的机械缺陷。造成断路器本体操动失灵的缺陷,皆为机械缺陷。其中包括瓷瓶损坏、连接部位松动,零部件损坏和异物卡涩等。例如:某发电厂的3号发电机—变压器的SW7—220型少油断路器,在并网操作时C 相拒合,造成非全相运行,使220kV母联、线路断路器跳闸,少发电40万k W·h。事故的原因是,该断路器操作已达3600次,部件磨损严重,变直机构变形,又未及时进行检修、更换,终于酿成事故。

对SW7—220 型少油断路器具有特殊的“晚动”故障,其原因是:该型断路器灭弧室内和三角箱内的油是隔绝的。为了避免运行中灭弧室的油漏进三角箱,一般都把导电杆动密封调得很紧,当夏季气温上升时,动密封往往会把导电杆抱住,当断路器接到分闸命令时,导电杆运动要克服此抱紧力,往往晚几十至几百毫米才能完成分闸动作。对这种“晚动”现象,在事故后仅检查断路器不易查出,只有看故障录波器示波图才可发现。为了避免此类事故发生,在SW7—220型少油断路器检修工艺中已对导电杆的拔出力的允许范围作了规定,只要认真执行检修工艺,运行中便不会发生“晚动”事故。

(3)操作 (控制)电源缺陷。断路器的操作电源缺陷,也是造成操动失灵的三大根源之一。在操作电源缺陷中,操作电压不足是最常见的缺陷。其原因多半是由于电站采用交流电源经硅整流后作操作电源,在系统发生故障时,电源电压大幅度降低,或虽有蓄电池组,但操作电源至断路器处连线压降太大,使实际操作电压低于规定的下限。例如某变电所因一条配电线路发生故障,断路器在重合时爆炸;另一变电所44kV线路相位接错,合闸并网时断路器爆炸。这些都是由于硅整流器电源由本变电所供给,当线路故障时,母线电压降低所致。因此,1982年原水利电力部制订了《关于变电所操作能源的暂行规定》,要求新建变电所不得再采用硅整流作为操作电源,建议推广采用蓄电池和储能式操动机构,对已有变电所进行操作电源改造和完善,并加强管理。

2.绝缘事故

断路器绝缘事故,可分为内绝缘事故与外绝缘事故。内绝缘事故造成的危害,通常比外绝缘更大。

(1)内绝缘事故。内绝缘事故主要有套管和电流互感器事故,其原因主要是进水受潮;其次是油质劣化和油量不足。也有是由于某些主绝缘件绝缘质量有问题造成的。例如:

1)某变电所的SW6—220 型少油断路器,其B相北柱在运行电压下发生爆炸,造成3个大型变电所全停,28 个中型变电所停电,少送电量达6万k W·h。事故原因是铝帽进水,绝缘拉杆受潮。实际上,在预防性试验中,已发现油耐压值低 (只有18.8kV/2.5mm),但未及时安排停运处理,以致酿成内绝缘闪络,断路器爆炸。

2)某变电所的一台SW3—110G 型少油断路器,检修时放出约20kg水。由于进水使绝缘部件受潮闪络甚至爆炸者不少。该省仅1年就发生了4次爆炸事故。进水的原因主要是:铝帽与帽盖结构不合理或有砂眼气孔;安装工艺不严。进水的路径一般是从螺丝沿面进入灭弧室或沿喷口顶部开孔销渗入。

3)某水电站的SW7—220 型少油断路器,在运行中B相突然爆炸。引起事故的主要原因是由于开关油中有水分,使绝缘拉杆受潮,绝缘强度降低,以致在正常电压下,绝缘拉杆发生沿面闪络而酿成事故。

4)多次发生SW2—35型少油断路器内附环氧树脂绝缘电流互感器绝缘击穿、引起断路器爆炸事故。其主要原因是环氧树脂浇注质量不良,内部存在气泡,引起局部放电。其次是电流互感器颈部均压结构不合理,使其颈部电场比较集中。

顺便指出,断路器进水,不仅会影响其绝缘性能,也可能导致拒动。例如,安徽某台SW4—110型少油断路器,由于三角箱大量进水,结果在冬季结成冰,导致断路器拒动。

(2)外绝缘事故。外绝缘事故主要是由于污闪和雷击引起断路器闪络、爆炸事故。污闪的原因主要是瓷瓶泄漏距离较小,不适于污秽地区使用;其次是断路器渗油、漏油,使其瓷裙上容易积聚污秽而引起闪络。例如:

1)某电厂的SW4—220 型少油断路器,因渗油套管积尘,在小雨时发生了污秽闪络,造成220kV变电所全部停电事故。

2)某水电厂的DW8—35型多油断路器因雷电过电压造成外绝缘闪络事故。

3.开断、关合性能事故

开断、关合任务是对断路器最严酷的考验。现场统计表明,由于严重的开断、关合条件,在运行中出现的几率较小,故一般断路器开断、关合性能事故的比例不大。绝大多数开断、关合事故的主要原因是由于断路器有明显的机械缺陷,其次是缺油或油质不符合要求。也有是由于断路器断流能力不足。但前者较多,因为有相当数量的事故发生于分、合小容量,甚至是分、合负荷电流。例如,某变电所1 号主变压器的二次侧断路器SW2—60G型,当时63kV母线发生带地线合闸事故,断路器跳闸重合时,B、C 两相瓷套爆裂,并喷油着火。经核算,第一次开断的短路容量为1500MVA,4.5s重合后,开断容量仅为600 MVA,远低于铭牌容量2500 MVA,故不属于开断容量不足事故。该型断路器本来存在着正常操作时上帽喷油的缺陷。这台断路器原先是由运行单位自己加工完善化,排气孔的大小和位置是否正确,装配后是否被堵塞都值得怀疑。

4.导电性能不良事故

导电性能不良的事故,在断路器事故中占的比例较小,其原因是:

(1)多数断路器的实际负荷电流远小于其额定值。

(2)静止状态下的导电性能容易得到保证。

现场事故统计资料分析表明,导电性能不良故障主要是由机械缺陷引起的。其中有:

(1)接触不良。包括接触面不清洁,接触太小及接触压力不足。

(2)脱落、卡阻。如铜钨触头脱落等。

(3)接触处螺钉松动。

(4)软连接折断等。

(二) 事故的工作原因分析

1.制造质量不良

制造质量不良主要包括设计性能、零件加工和装配不良三个方面。

(1)设计性能不良。近些年来,断路器在运行中发生的事故,有相当部分是产品原设计性能不良。这里既有原标准规定不明确,型式试验考核不严造成的问题,也有由于新产品投产初期,很多地方认识尚不充分而重视不够的问题。近些年来,国产液压机构与弹簧机构在运行中暴露的操动失灵问题较多就是一个最好的例子。据现场调查了解,这些液压机构和弹簧机构,多数问题是在大量投入运行后才逐步暴露的。但严重的是在型式试验中暴露的有些问题,由于以往要求不严也未及时得到彻底解决。如一些户外产品进水的问题,就是说明设计缺陷的最好例子。因为有些户外产品在研制时并未进行过防雨性试验,因而在恶劣的气候条件下暴露了进水的问题。有些设计缺陷的产生,是和设计时片面追求简单有关。例如,CD13电磁机构,设计时因强调简化结构而取消了自由脱扣,后来发现这不仅增加了调整的困难,而且在短路关合时,往往会影响分断性能 (现CD13 已停止生产)。相对于新产品来说,一些仿苏老产品,断流性能不良的问题比较多。据现场统计,近些年发生的10kV级断路器开断短路性能不良的运行事故,绝大多数发生在仿苏老产品上。设计性能不良,往往和型式试验要求不严,使设计上的缺陷未能及时暴露有关。另一个原因是设计裕度不大,在质量控制不严格或使用不正确的条件下有些本来可以避免的问题便暴露出来了。液压机构失压慢分就是一例。液压机构的失压慢分可以说是差动式液压机构的“原理缺陷”,在国外,由于生产、使用质量控制严格,并不成为危及运行安全的问题,但在我国却多次发生这类事故。

(2)零件质量不良。零件质量不良,是造成断路器运行事故的一个重要原因。据现场统计,造成出厂产品不合格的因素、零件质量不良占较大比例。在运行中,因绝缘筒螺纹脱落、灭弧片击穿、弹簧失效、密封圈缺陷等原因引起的事故虽皆有发生,但比较集中的是如下几个方面:

1)瓷瓶强度不够。

2)铸件不合格。这方面的例子较多,如10kV断路器铸铁拐臂断裂,110kV多油断路器铝横梁断裂,110～220kV少油断路器上铝盖有砂眼 (导致进水)等。

3)套管绝缘劣化快。

4)密封圈质量差。据现场调查分析,有相当一部渗油事故,是因密封圈质量不合格造成的,有的密封圈尺寸原来就不合格或有较大飞边,更多的情况是使用一段时间后,有严重永久变形或失去弹性。

5)二次元件性能差。多数是所选用的二次元件机械强度与绝缘强度裕度太小。

6)其他。如铜钨触头焊接不良而脱落,SW2—35型少油断路器内装式电流互感器绝缘击穿,放油阀普遍渗油等。

(3)装配质量差。装配质量差,是导致制造质量差的原因之一。主要有:

1)错、漏装。据现场调查,出厂产品漏装或错装小零件的现象很多,如多装或少装弹簧垫、平垫、少装锁紧螺母,漏装逆止阀、安全阀片,多装或少装触指、装错灭弧片位置或排气口方向等。虽然有一部分错装问题已在产品安装过程中得到纠正,但仍有一部分未被发现造成了产品运行事故。例如:①某供电局购进一台SN10—10Ⅱ型少油断路器,是三包产品,有铝封。解体时发现里面未装灭弧室;②某供电局在安装SW2—220型少油断路器时,解体发现里面少装两片灭弧片;③某供电局的SW2—60G 型少油断路器,在正常操作时,断路器冒烟,经解体检查发现灭弧室的灭弧片装反了;④某电业局的SN10—10型少油断路器,曾先后发生两次爆炸事故。检查时发现这种断路器制造厂家调整的引弧距离实际只有10mm,均低于技术标准规定的13mm。

2)螺纹未拧紧、开口销未打开。这类现象更为普遍。导致运行中因松动、变位造成的操动故障,远多于零件损坏造成的故障。例如,某220kV少油断路器一相拒动事故,就是由于主拐臂上销钉原来就未上紧。

3)内部严重不清洁。现场解体检查表明,断路器内部经常发现有金属屑、烟头、毛巾、手套等异物,有的还是“三包”产品,例如:①某变电所在所安装的SW7—110型少油断路器中发现有一双手套;②某变电所在所安装的SN10—10型少油断路器中发现一个10mm 螺帽和其他铁屑杂物等;③某供电局发生DW8—35型多油断路器拒合,打开机构箱检查发现手力千斤顶未取出,操作时千斤顶被合闸铁芯吸起,影响再次合闸时铁芯动作。

虽然多数异物在安装时被清除了,但也有一些是难以清除的,则往往成为运行中造成事故的原因。

近些年来,有些电业局新安装的SW2—220Ⅳ型少油断路器,普遍存在质量问题,如断路器主轴别劲、扭曲;三相同期调不上;瓷瓶有裂纹;工作缸分闸侧油管未焊;灭弧片装反;支持瓷套无卡固弹簧孔等。而某些基建部门却轻信厂家说明书中“不必解体检查”的规定,给运行留下了事故隐患。

2.使用不当

产品能否正常运行,除了要求产品本身好用外,还取决于用户的使用水平。运行中使用不当的主要表现有如下三个方面。

(1)安装、调整不当。安装、调整是否正确,是影响产品能否正常运行的基本因素之一。有不少运行事故,是由于产品未严格按制造厂规定装配、调整,就投入运行。常见的有以下几种情况:

1)机械调整尺寸不对。电磁、弹簧机构中锁扣尺寸或死点间隙不对,断路器本体中变直机构终、始位置不对,是常见的造成事故的原因。如SW36—110220型断路器曾多次发生因中间传动杠杆变形而影响正常操动的事故。现场调查表明,其原因多系安装时提升杆起始位置调整不当或工作缸安装处基础刚度太弱、操作时弹跳所致。SW7—220型少油断路器在运行中也曾发生过因安装时将死点机构过死点位置调整过大,而造成拒动或动作迟滞的事故。辅助开关调整不当,切换过早或切换不可靠,也是造成很多断路器操动失灵的重要原因。按理,辅助开关运到现场后,一般不需再进行调整,但一些安装单位对此不够了解,进行了错误调整 (当然也有的原出厂未调好,安装时进行正确调整的),因而造成事故。特别值得注意的是合闸时辅助开关切换过早,它显著降低断路器合闸速度,甚至造成合闸跳跃,严重危及断路器关合能力。

若行程、超程调整不对或触头位置放置不当,也是运行中常易产生的事故。如某地一台35kV断路器检修时触头调整不良,投运后仅通电80A,20min就发生烧坏事故。

2)螺纹未拧紧,开口销未打开。此类缺陷多系安装、检修部门的疏忽造成的。如某台220kV空气断路器检修后投运不久,就发生了灭弧室瓷套爆炸事故。解体检查发现是检修时一个螺丝未拧紧,使触头接触不良所致。某台110kV少油断路器一相拒合事故,也是安装时相间水平连杆螺母未锁紧造成的。

3)密封圈放置不当。据现场调查,很多断路器在现场重装后,渗油情况显著增加,其中部分是由于重装时密封圈放置不当所致。如某地先后发生两起SN10—10型少油断路器开断后油气从上接线端处喷出造成对地及相间闪络的事故,根据现场分析,是安装时该处密封圈放置不当所致。原北京电力局试验结果表明,SW36—110220型少油断路器的上帽进水的问题,也有相当数量与安装时该处密封圈放置不当有关。

4)其他。在运行中还发生过其他一些明显地由于安装、调整不良引起的事故。如某台35kV多油断路器,由于在检修时将一个螺钉遗留在传动装置上,造成了开关拒跳的事故。再如,某柱上油断路器检修后,未装油箱就投运,结果开断负荷电流时,造成短路,使断路器烧坏。

(2)运行维护不当及误操作。运行维护不当,是造成运行事故的又一个重要原因。常见的有如下三方面。

1)油断路器缺油。现场统计表明,在导致关合、开断性能事故的机械缺陷中,大约有一半是因缺油或油质不符合要求。例如:

(a)某台35kV多油断路器,发生一起开断短路烧坏的事故,就是由于油箱中没有油造成的。

(b)某供电局在不到一周时间内连续发生两起10kV少油断路器在通过正常负荷电流下过热烧坏的事故,其原因都是由于油箱内严重缺油、散热不良、氧化加剧所致。

2)绝缘不良。因绝缘不良、维护处理不及时造成的事故也相当多。例如:

(a)某台35kV多油断路器套管爆炸,就是因为对该套管介质损耗因数tanδ 增大很多,没有引起重视,更没有处理造成的。

(b)某台220kV少油断路器支柱绝缘内部闪络爆炸事故,就是因为对预防性试验检查出该柱绝缘显著劣化,没有进行及时处理造成的。

(c)某台10kV少油断路器发生运行中误跳事故,就是明知二次回路绝缘长期不良,而未加处理造成的。

(d)某台110kV少油断路器发生的污秽闪络事故,就是由于对支柱瓷套法兰处渗油积垢,长期未加处理,最后积垢范围达122mm,导致污秽闪络事故发生。

(e)某台SW6—220型少油断路器发生的外绝缘闪络事故,就是因为带电用水冲洗污秽不当造成的。

(f)某台DW1—35 型多油断路器,因雷击过电压损坏套管事故,就是因为断路器严重缺油而未得到及时补充造成的。

3)机械维护不良。机械性能维护不良,也是造成事故的根源之一。例如:

(a)某台35kV多油断路器拒跳,就是因为跳闸铁芯中尘土太多,使铁芯受卡拒动。

(b)某台DW3—110型多油断路器多次重合闸失败,就是由于机构长期未解体检修,合闸铁芯表面沾满泥沙,影响铁芯返回所致。

(c)某台DW3—110型多油断路器在关键时拒动,就是由于机构从未解体,快速辅助开关早已失灵所致。

(d)某台DW8—35型多油断路器拒动,其原因是断路器传动机构拐臂被鸟窝堵塞。如果值班人员能及时提出,这类事故是完全可以避免的。