知识点：绝缘故障 一 高压开关柜绝缘类故障现状
知识点：绝缘故障
一 高压开关柜绝缘类故障现状
二 高压开关柜绝缘类故障原因
绝缘故障发生的原因主要可分为开关柜设计问题、组部件工艺差和运行环境差三个方面。
1 开关柜设计问题
（1）开关柜绝缘裕度不足，这点主要体现在40.5kV电压等级设备。典设中40.5kV空气绝缘开关柜柜体宽度为1200mm~1400mm，柜内带电部分相间及对地空气净距不能满足300mm的反措要求；10kV开关柜小型化后，柜内带电部分对接地开关传动轴空气净距离不能满足125mm的反措要求。设备厂家多通过加装绝缘隔板、母线硫化等方式加强绝缘，但无法根本解决柜内绝缘裕度不足的问题。
小知识
开关柜内，简单增加绝缘隔板、母线硫化、母线绝缘包扎等措施，是无法从根本上解决空气净距离不足问题的。从纯理论分析，采用各种绝缘屏障技术，可使绝缘间隙大大减小。但因结构布置不合理、材质质量较差、受潮和污秽的影响，将大大降低目前各类使用的绝缘屏障效果。所以，不能简单听从制造厂意见，认为采取所谓的绝缘隔离措施能从根本上解决空气净距离不足的问题，为下一步运维工作埋下安全隐患。
从试验室纯理论分析，加装绝缘屏障后在不考核受潮、污秽和材质影响的情况下，从以下几个层面的分析：
a.对雷电冲击电压的影响。
从某研究机构对开关柜内绝缘屏障后，间隙雷电冲击电压的影响如下图所示：
从曲线分析，当加入绝缘屏障后，对雷电冲击电压均有不同程度的提升。
b. 对工频电压的影响。
从某研究机构对开关柜内绝缘屏障后，工频耐受电压的影响如下图所示：
从曲线分析，当加入绝缘屏障后，大部分情况下，工频耐受电压均不同程度有所提升。但屏障位置设置不合理时，工频耐受电压反而大幅度下降，极端情况下，甚至降低50%以上。尤其是间隙小于30mm时，甚至比裸导体强度还要低。
这也就是柜内设备制造厂为保证绝缘净距离，在柜内加装绝缘隔板后，大量局放现象存在的根源所在。长时间的局放，使得绝缘介质强度降低，当承受外部冲击后，绝缘击穿造成设备事故。这点，在电流互感器、电压互感器排列过于紧凑结构下，更为凸显。
c.材料结合处的影响。
在气体、电极、绝缘材料的交界处，局部电场强度有提升，形成局部的绝缘薄弱点。电场强度提升程度与绝缘材料与电极的接触角θ有关。
理论上讲，接触角越小，局部电场强度越大。工程应用中体现在:1.绝缘击穿或局部放电多集中在绝缘包裹的末端；2.绝缘护套包扎不良，在局部形成气泡，气泡处的绝缘护套产生的局放效应造成局部绝缘护套硬化。
d.SF6气体压力对绝缘强度的影响。
从某研究机构对开关柜内冲入不同压力的SF6气体后，间隙雷电冲击电压的影响如下图所示：
从图中可以看出，在均匀电场中，随着SF6气体压力的上升，击穿电压呈正比上升；但在不均匀电场中，且气体压力并不高时，SF6绝缘强度未体现出明显优势，尤其是棒—平板结构。结合开关柜内部场强分布不均匀以及气体压力不高的现状，甚至采用混合气体的现状，故不能简单认为，采用充气柜能解决净距离不足的问题，对小型化的充气柜的内部距离控制，应引起足够的重视。
（2）制造厂未对设计方案开展电场优化计算、仿真分析，造成组装工艺管控不到位，在产品的实际运行中，易出现局部放电，加速柜内绝缘件老化，导致绝缘击穿故障。
小知识
在开关柜内不合理位置加装绝缘隔板后，局部场强上升。在加入绝缘隔板前，局部场强经仿真计算为7.9kV/mm。
加入绝缘隔板后，局部场强经仿真计算上升为8.92kV/mm。
（3）制造厂未对局部加工工艺进行电场优化设计。主要体现在，矩形排未选用全圆边形铜排；主母排、分支母排的切断面未进行尖角球面处理；触头盒嵌件与树脂平面间间隙过小等。
这些问题的存在，使得开关柜内在导体的尖端、导体与绝缘件之间的微小气隙部位，局部电场过于集中，形成局部放电或耐受冲击电压能力严重下降。
2 组部件工艺差
（1）绝缘件未采用屏蔽结构，或加工工艺不到位。为均匀穿墙套管、开关柜触头盒等结构不连续处的电场集中，国网公司物资采购标准等规定要求“40.5kV 高压开关柜内的触头盒、穿墙套管采用双屏蔽结构”。但部分制造厂未使用屏蔽结构，或安装时电磁软线与高压屏蔽以及高压母排之间连接不紧固、螺栓及等电位线未置于穿屏套管高压屏蔽筒内、等电位线与绝缘件多点接触，使得局部电场集中，形成局部放电。
小知识
屏蔽结构对绝缘强度的影响
从某研究机构对空气复合绝缘结构下，雷电冲击放电电压影响如下图所示：
从趋势图可以看出，带屏蔽结构的绝缘结构，承受的冲击电压取得较好的屏蔽效果，尤其是贴近正电极时的屏蔽效果最好。在电网中，由于电压的极性是随机出现的，故要求采用对称的双屏蔽系统以满足两种极性的要求。
但目前使用屏蔽系统一般采用外引等电位连接结构，各种不合格的安装方式方法（主要体现在屏蔽线连接不紧固、未置于高压屏蔽筒内、等电位线与绝缘件多点接触），使得相关部位局部场强未得到改善，甚至可能恶化，形成局部放电或冲击放电现象。
（2）制造厂对外协绝缘件缺乏监督，造成不合格绝缘件投入运行。目前有机绝缘件质量良莠不齐，内部气泡、抗弯折能力差、抗热性能差、耐电弧性能、电极面积过大等种种问题。使开关柜投运后，整体动、热稳定差；绝缘件内部的局部放电等问题，最终造成事故。
小知识
1.绝缘材料的劣化
任何一种绝缘材料，随着时间的推移，其电场击穿电压将缓慢降低。而绝缘材料的劣化。为简化模型，暂不考虑污秽、受潮等外界因素，主要原因为内部气泡、电极与绝缘材料之间的轻微局放造成。根据各种绝缘劣化的因素如下表：
式中： |
U击穿电场强度； |
|||||
t预期寿命； |
||||||
n劣化指数。 |
||||||
纯理论分析，n值越小，U-t曲线越陡峭，劣化速度越快，预期寿命越短。而n值影响因素主要包括内部气隙、表面放电现象、电极与绝缘材料结合程度等。 |
||||||
2.电极的面积效应
从某研究机构对电极面积与击穿电压之间关系，如下图所示：
电极面积越大，绝缘薄弱点越多，击穿电压也随之下降。一般制造厂采用加厚绝缘厚度的方式解决。但过厚的绝缘材质，给绝缘件浇筑、电极嵌入、散热等带来更大的工艺控制困难度，带来内部气隙、绝缘材料剥离、热劣化等其他问题，从而影响绝缘材料寿命。
3.热劣化效应的影响
绝缘介质在高温下（运行环境的高位、接触不良造成的电热现象），化学材料的分解、氧化等，造成绝缘材料劣化。制造厂以及原材料供应商对绝缘材料热寿命投入研究较多，另外在诸多教材中有详细讲解，不再对此现象过多解释。
玻璃化转化温度：高聚物由高弹态转变为玻璃态的温度，在此温度附近，高聚物的物理性能产生急剧变化。本处以开关柜内常用的环氧树脂为例进行说明。
下图为环氧树脂材料在热效应下，各类物理性质的变化趋势。随着温度上升，机械强度、弹性系数严重下降，达到一临界点温度Tg附近时，上述两个物理特性急剧陡降，基本丧失特性。现场表现为外壳开裂，极端情况下绝缘材料可能产生液化现象，达到燃点温度时（这点对于内部故障短路电弧来讲，是比较容易达到的），还会产生燃烧现象。
不考虑液化、燃烧等极端现象，在高温下，由于机械强度下降，线膨胀率上升，最终导致耐开裂性下降。开裂性能与玻璃化转移温度性能如下图：
理论上讲，玻璃化转移温度越高，耐开裂性能越高；温度越低于玻璃化转移温度，耐开裂性能越高。但注意的是，耐开裂性能属于概率问题，并不是一个绝对指标值，性能的高低，只能说明产生绝缘件开裂可能性的高低，并不是说满足一定条件下，绝缘件一定会造成开裂；或不满足条件时，绝缘件一定不会开裂。同时，绝缘件的各种不同结构，对玻璃化转移温度也有一定影响。
3 运行环境差
本文中涉及的运行环境差，仅讨论通过对设备或运行环境进行改造、升级等，能够处理的可控环境或将环境的影响控制在一定范围内。如高烈度地震、军事行动等不可控因素不在本处的讨论范围。
环境因素对绝缘劣化的作用，可简单归结至下表所示：
从上表可以看出，湿度和污染对绝缘的影响最大，尤其体现在局部放电和沿面放电两个方面。
（1）湿度的影响。
湿度对开关柜绝缘的影响，主要是1.湿度造成绝缘件受潮导致的绝缘下降；2.由于凝露，造成的绝缘件表面沿面放电。
国网公司招标文件要求，复合绝缘绝缘隔板应具备“不吸潮”功能，但目前制造厂常用SMC板作为隔板。为安装于柜内，基本都需要进行切割等二次加工处理，破坏了表面防水层，产生受潮现象；运行中的静电效应，在灰尘污染严重地区，易在表面积灰，并吸取空气中水分，造成表面绝缘降低。
根据GB 3906规程的要求，在进行开关柜及对应高压室设计时，应充分考虑运行环境中湿度以及湿度造成的凝露现象，选取不同级别的防凝露等级等要素设备。但在实际应用过程中，设计时往往只是对所在地区大环境的简单核对，另外认为开关柜内加装了温湿度控制和高压室内加装空调、简单的通风系统，对潮湿现象研究不够深入，没有体现差异化设计。具体体现为凝露问题层出不穷。
小知识
湿度对绝缘电阻和雷电放电电压的影响
对某制造厂采用的绝缘子开展湿试时的描点，相关曲线如下图所示：
从图中可以看出，湿度上升时，绝缘件的绝缘电阻明显下降，尤其是在75%左右时，呈现降低拐点，降低速率明显加快。
从雷电冲击电压分析，纯瓷绝缘在一定污秽度情况下，随湿度上升，外绝缘冲击电压承受能力降低，在87%左右开始急剧降低；如采用有机绝缘，绝缘件表面凝露时，雷电冲击电压甚至降低至10%左右。
（2）污秽的影响。
污秽对绝缘的主要影响是在和一定湿度的共同作用下，使局部放电量上升和局部放电熄灭电压降低。
虽要求入网绝缘件逐只开展局部放电试验，只能是把好了入口关。运行实践中，由于城市建设、大气污染等各种因素的影响，绝缘件表面积污、积灰等现象日益严重，部分员工对反措条文中“清扫作为辅助性防污闪措施”理解偏差，对开关柜内部污秽清扫不及时，再加上部分站潮湿严重，极易造成内部局放，时间长期积累后，形成绝缘事故。
小知识
污秽对绝缘的影响。
1.污染对局部放电量的影响。
不同污秽程度的绝缘子，在不同湿度条件下局部放电量数据如下图所示：
从曲线可以看出，如不考虑湿度影响，污秽程度越重，局部放电量越大；如再加上湿度影响，局放量将进一步上升。
2.污染对局部放电熄灭电压的影响
污染程度不同的绝缘子，在不同湿度条件下局部放电熄灭电压数据如下图所示：
从曲线可以看出，如不考虑湿度影响，污秽程度越重，局部放电熄灭电压越低；如再加上湿度影响，局部放电熄灭电压将进一步降低。
在实际应用中，污秽往往与湿度的影响一起发生，初期表现为树枝状放电，局部劣化在局部绝缘表面形成碳化污损，并逐步向电极方向发展，最终形成表面闪络。一般而言，污秽严重的开关柜或多或少，都不同程度可检测到局部放电现象。如污染严重或不及时开展清扫作业，将大大加快此效应的发展过程，导致柜内绝缘闪络。
（3）温度的影响。
温度主要造成的影响是绝缘件的热劣化，除内部元件发热等原因外，受到外部温度影响设备主要是箱式变电站。
箱式变电站主要问题是散热。虽大部分情况下，制造厂设计1~2台空调作为通风散热措施，但实际应用过程中，隔热层的设计不尽人意（部分制造厂未设计隔热层，部分制造厂设计仅靠空气隔热），空调的布置没有经过严谨设计，制冷能力不足、制冷风道不合理。从目前来看，对绝缘的影响暂时还不如其他效应，但对就地布置的二次、通信元件寿命带来不利影响。应引起足够重视。
（4）海拔的影响
目前制定的各种绝缘爬距等，基本都是基于1000m及以下的前提。随着海拔高度的增加，空气相对密度降低，电子的自由行程增加，空气的电气强度下降，外绝缘的起始放电电压降低。
此问题的解决一般采用海拔系数修正，都面临设备小型化的矛盾，故目前多采用充气柜进行解决。但需注意充气柜内部结构布置、气体压力的控制等问题，否则可能适得其反。
（5）特殊气体的影响。
开关柜各部件或材料，对酸、碱、盐的耐蚀程度不同。部分开关柜运行于工业核心区，外界空气不可避免存在各种腐蚀性成分，对绝缘件存在一定的腐蚀效应。对柜内绝缘而言，主要是造成材质老化。
另腐蚀性气体会造成绝缘件表面盐分增长，形成局部放电或沿面放电现象。
此类问题目前暂不凸显。
（6）其他
其他问题主要为电力电缆问题，从故障统计来看，近几年电力电缆引发开关柜事故问题有较快增长。主要原因为电缆头制作不良，其中屏蔽层切断处处理工艺不到位、电缆布置随意最为突出。
其次为电压互感器设备，从全国统计来看，近几年随着三元件电压互感器加消谐器的使用，电压互感器因谐振造成故障逐步抬头，尤其是半绝缘采用此结构存在很大的风险。
小知识
1.电力电缆屏蔽层剥除后的应力措施
电缆铜带屏蔽被剥除后，改变了电缆原有的电场分布，将产生对绝缘极为不利的切向电场（沿导线轴向的电力线）。在剥去屏蔽层芯线的电力线向屏蔽层断口处集中。故一般在电缆头制作过程中，采用应力锥设计，将绝缘屏蔽层的切断处进行延伸，使零电位形成喇叭状，改善了（请注意是改善而不是解决）绝缘屏蔽层的电场分布，降低了电晕以及局部放电产生的可能性，减少了绝缘的破坏，但剪切处的电场分布仍体现出局部尖端的特点。在距离控制不足，甚至电缆间产生挤压现象时，仍会产生局部放电现象。
部分施工单位甚至验收单位乐观认为使用应力锥后，电场分布得到完全改善，再加上XLPE电缆的绝缘性能相对较好，施工过程中，电缆外护层紧贴在其他设备上、同相或异相电缆之间外护层互相紧贴等造成各类问题层出不穷。
2.半绝缘电压互感器带消谐器的隐患
半绝缘电压互感器结构示意图如下：
系统存在接地时，PT承受电压及涌流情况分布如下图：
此结构一次侧线圈两个接线端子设计承受的电压不一样，其中一个端子为高压端，另一端为X端，X端绝缘裕度很低，GB1207-2006 标准中要求其短时工频耐受电压仅3kV（设备最高电压Um>40.5 kV时，短时工频耐受电压为5kV）。其“X”端必须直接接地运行，然而考虑到励磁涌流和铁磁谐振问题，目前很多开关柜在中性点串入了消谐器后再接地，当系统故障时，三相负荷不平衡，中性点产生零序电压，消谐器动作，一方面通过自身阻尼限制涌流幅值，另一方面通过发热消耗能量，抑制故障导致的系统振荡，起到保护PT的作用。
这种接线方法的最大弊端为，X端可能会承受系统相电压甚至更高电压。同时现场缺乏有效的检测手段，对消谐器的验收和常规试验缺乏权威标准；现场安装方式难以通过外观检查发现异常；设备损坏时，主要体现为系统电压波动，中性点有偏移，此时易与系统有接地问题准确区分。
目前配网尤其是农网中性点不接地系统接地故障较多，拉路接地查找效率低下，同时调度对系统接地时允许运行2h的固有思维，使得接地时，消谐器长时间发热，而制造厂的参数中对允许过流以及对应时间缺乏参数，运行中也难以检测相关参数，极易造成设备的热稳定破坏；另外PT柜属于低发热系统，整体温度相对较低，如温湿度控制不好，还容易造成内部湿度过高，导致消谐器绝缘降低。
a. 消谐器正常时
当PT一次侧中性点串入消谐器后，中性点不再与大地直接连通，中性点电压也不再取决于地电位，而取决于PT回路的网络参数(PT自身阻抗ZA、ZB、ZC以及消谐器阻抗Z)。当系统正常运行时，通常PT三相阻抗不可能完全平衡，此时中性点将存在一个很小的“漂移电压”Ux，PT测量的电压实际为高压侧与Ux之间的电压。
b.消谐器短路时
当消谐器本体发生闪络击穿、内部受潮等时，PT中性点与地之间相当于短接，PT中性点直接接地，消谐器失去了对PT的保护功能，中性点不存在漂移电压。此时，PT电压指示精度高，但是一旦发生接地故障，失去消谐保护的PT极易熔断高压熔丝，甚至烧坏PT。
c.消谐器断路时
中性点电压失去消谐器接地阻抗的限压作用，只取决于PT的回路阻抗参数（ZA、ZB、ZC），Ux将达到最大值，PT读取的电压偏移也最为严重。此时X端可能承受较大的系统电压，可能导致电压互感器损坏。
三 高压开关柜绝缘类故障整改
针对开关柜绝缘问题，从设计、制造工艺和现场整改几个层面进行整改：
2.3.1 设计层面需注意的问题
（1）空气绝缘开关柜外绝缘应满足以下条件：
a）空气绝缘净距离应满足下表的要求：
开关柜最小空气间隙
额定电压（kV） |
12 |
40.5 |
相间和相对地（mm） |
125 |
300 |
带电体至门（mm） |
155 |
330 |
b) 开关柜严禁使用绝缘隔板方式加强绝缘，即便采用固封式加强绝缘措施，也必须满足上表空气绝缘净距离要求。如不满足上述空气绝缘净距离要求，应选用充气柜或封闭式组合电器。
c）最小标称爬电比距：
≥√3 8mm/kV（对瓷质绝缘），
≥√3 0mm/kV（对有机绝缘）。
（2）40.5kV穿柜套管、触头盒应采用双屏蔽结构的均匀电场产品，不得采用无屏蔽或内壁涂半导体漆屏蔽。
（3）开关柜应选用励磁特性饱和点较高的、在1.9Um/√3压下铁芯磁通不饱和的全绝缘电压互感器。母线电压互感器优先采用4PT接线方式，采用落地安装。
（4）在高压室内应配置通风、除湿防潮设备。配用就地保护装置的开关柜，其运行室内环境温度超过5℃～30℃范围，应配置空调等有效的调温设施，室内日最大相对湿度超过95%或月最大相对湿度超过75％的开关柜配电室，应配置工业除湿机或空调。高压室排风机控制空开应在室外。
（5）优化电缆沟排水设计，电缆进出开关柜室宜优选排管，并做好近期和远景管口防水封堵。
2.3.2 加强组部件工艺控制
（1）制造厂应对开关柜内电场分布进行计算，并对场强集中的部位采取有效措施。
a）开关柜内主母排、分支母排、一次接地排等采用矩形结构的均应选用全圆边形铜排。主母排、分支母排的切断面应进行尖角球面处理，圆弧直径与铜排的厚度一致。
b）用于安装母排和静触头的触头盒嵌件尺寸配合，必须保证导体与绝缘件间留有足够间隙，避免产生放电现象。
c）高压屏蔽与母排的连接采用电磁软线，电磁软线与高压屏蔽以及高压母排之间采用螺栓紧固，螺栓及等电位线必须置于穿屏套管高压屏蔽筒内，等电位线不得与绝缘件多点接触。
d）搭接支排端部不得超过主排边沿；母线搭接面不应置于穿屏套管内。
e）触头盒内支排倒角形状、倒弧角应与触头盒内弧度一致。
（2）制造厂应严把外协绝缘件入口关，杜绝不合格产品。
a）柜内主绝缘件（如触头盒、穿墙套管和支撑绝缘子等）应采用具有优良机械强度、电气绝缘性能的环氧材料，阻燃等级不低于V1级且无毒。
b）开关柜中所有绝缘配件装配前均应逐只进行工频耐压试验和局部放电试验检测，单个绝缘件在1.1倍Ur下局部放电量不大于3pC，电压互感器、电流互感器等不大于20pC(国标要求为20pC，在开关柜调研报告中要求为10pC)。并作为出厂试验报告附件，不得使用外协件制造商的出厂报告替代。
c）触臂及活门结构：额定电流不大于1250A的手车触臂应采用裸导体外装环氧触臂套管配合作为复合绝缘方式，活门采用金属材质并屏蔽接地。额定电流不小于2500A的手车触臂应采用树脂硫化涂覆作为复合绝缘方式，活门采用绝缘材质并屏蔽接地。活门机构应选用可独立锁止的结构，可靠防止检修时人员失误打开活门。
d）制造厂出厂试验应开展整机局放试验。
—开关柜开展整机局放试验前柜内所有元器件（主母排除外）应组装完成。
—12~40.5kV开关柜在1.1倍Ur试验电压下，空气柜单柜放电量不大于100pC；充气柜、固体绝缘柜单柜放电量不大于20pC。
—电压互感器柜可不开展局部放电试验。
e）应对制造厂进行质量抽检。从绝缘层面讲，主要开展雷电冲击试验。
—开关柜开展整机雷电冲击试验前柜内所有元器件（主母排除外）应组装完成。
—相间及对地：12kV设备为75kV，40.5kV设备为185kV。
—应通过正、负极各3次额定雷电冲击电压耐受试验（其波前时间不大于1.2μs±30%）。
（3）制造厂出厂前，应进行预组装，对所有的最小空气净距离进行核对，并作为出厂报告内容之一。
（4）开关柜应配置驱潮装置。
2.3.3 加强运行环境整治
（1）雨季来临前对开关柜高压室的通风、除湿防潮设备进行检查，确保其在多雨季节或运行需要时正常启动。
（2）暴雨后应加强对高压室巡视，及时发现和处理高压室渗漏雨缺陷。
（3）每年迎峰度夏（冬）前应开展超声波局部放电检测、暂态地电压检测。
（4）施工破坏的封堵，每日收工前必须采取临时措施。
（5）检修开关柜时，必须开展外绝缘清扫工作。
（6）开关柜内电缆终端制作时应综合考虑相间及对地要求，特别是双电缆出线的，在电缆终端制作前必须确定布置方案，必要时可附加母排以满足电缆终端相间和对地距离要求。安装尺寸要求及中置柜双电缆推荐布置方式如图所示：
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