1 引言

某日，北京市東城區某大廈B3南變配電室一臺0.4kV無功補償電容器柜突發弧光短路事故。在高低壓變配電系統中，無功補償電容器柜是一個事故的易發、多發環節。同時，這種設備的事故原因分析難度較大。

從現象上看，弧光短路無非是過電壓或過電流造成的。但導致電容器過電壓或過電流的因素卻比電阻性或電感性電路復雜的多。這主要是由于：在容性負載電路發生短路故障瞬間（ms級）的狀態，往往是由多種因素聯合作用的結果。而其中有些因素是難以定量、難以測量、難以再現的。

某日，北京市海淀區某大廈B1變配電室變壓器二次側0.4kV無功補償電容器組在運行中突然爆炸起火。大火燒毀了五面配電柜。但電容器組爆炸起火的原因終無定論。圖1-4是“11.9”事故的現場照片。

圖1 爆炸起火的電容器組

圖2 被大火燒毀的配電柜

圖3 被大火燒毀的電容器柜

圖4 被大火燒毀的電纜線

2 事故過程

某日，北京市東城區某大廈（以下簡稱大廈）B3南變配電室兩持證電工對3^＃變壓器二次側0.4kV無功補償電容器輔柜進行檢修：一人監護，一人操作斷開輔柜總電源開關將輔柜7-12組300kvar電容器與主回路隔離。

然后兩人對第八組電容器投切交流接觸器（檢查前運行人員發現其中相接觸不良）及其他5個投切交流接觸器的接線端子進行檢查。11時，檢查完畢，二人關好柜門。11時零1分，操作合上輔柜總電源開關——此時一聲巨響，在總電源開關上口裸露接線端子根部之間突發三相弧光短路。

幾乎與此同時，3^＃變壓器二次側出線403低壓斷路器和一次側進線212高壓斷路器的過電流脫扣器短路瞬時保護動作跳閘，3^＃變壓器停電。

圖5 發生事故的SIWOH1系列開關

圖6 開關上口接線端子根部弧光短路

3 事故分析

3-1操作問題

一、操作規程

（一）關于電力電容器的操作規程

按照相關規程的要求，在操作電力電容器時必須遵守以下規定：

• 1.全站停電操作時，要先停電容器組，后停接于電容器組母線上的各出線。
• 2.全站恢復送電時，要先送接于電容器組母線上的各出線，再送電容器組。
• 3.全站故障失去電源后，對失壓保護拒動的電容器組，必須將電容器與電源斷開，以免電源重合閘時損壞電容器。
• 4.電容器組保護熔絲熔斷后，未查明原因，不準更換熔絲送電。
• 5.電容器因內部故障掉閘后，在未拆除故障電容器前，禁止重新合閘送電。
• 6.電容器分閘后至再次合閘的間隔時間不得少于3min。
• 7.裝有功率因數自動補償控制器的電容器組，當自動裝置發生故障時，應立即退出運行。
• 8.為防止鐵磁諧振過電流，嚴禁空載變壓器帶電容器組運行。
• 9.當電源電壓高于電容器額定電壓1.1倍、運行電流超過電容器額定電流1.3倍、電容器環境溫度超過40⁰C、電容器外殼溫度超過60⁰C時，應將電容器退出運行。

（二）關于只具有隔離功能的電器的操作規程

按照相關規程的要求，在操作只具有隔離功能的電器時必須遵守的規定是：

1.嚴禁帶負荷分斷、接通電路。

2.隔離電器不得作為操作電器使用。當隔離電器誤操作會造成嚴重事故時，因采取防止誤操作的措施。

“5.5”事故操作人員沒有違反第一類操作規程。但是否違反了第二類操作規程呢?在這里，問題的關鍵是要確認發生事故的SIWOH1系列開關究竟是只能起隔離電路作用的隔離電器，還是同時具備接通、分斷電路功能允許帶負荷操作的操作電器？開關的性質決定了操作的性質。

• 類別：SIWOH1-630開關，屬于GB14048.3-2002所定義電器中的第四大類—熔斷器組合電器中的第五小類—隔離開關熔斷器組。使用類別是AC-23B。
• 性質：SIWOH1-630開關是可以帶負荷不頻繁分合電路的操作電器。當分合時的電壓條件為1.05時，可以安全接通6300A（10倍的額定電流），可以安全分斷5040A（8倍的額定電流）。
• 基于本開關的類別和性質，“5.5”事故時電工的操作，沒有違反電氣安全工作的基本規程，沒有違反電工安全作業的基本常識，是一次正常的操作。

二、正常操作與危險狀態

違章操作必然與危險狀態相聯系，但正常操作卻并不必然與安全狀態相聯系。一次正常的操作可能引發多種危險的狀態。這就是電氣行業工作的特殊性。對于電路分、合操作尤其是這樣。

特別是無功補償電容器裝置，每次操作時，回路中各個電器元件的工況都是有差別的，電路中電壓、電流的相位波形都是不相同的，過電壓或過電流可能因各種因素誘導隨機產生。

例如常見的操作過電壓就有：合閘瞬間電源電壓相位角最大過電壓；合閘時觸頭彈跳過電壓；分閘時電弧重擊穿過電壓；合閘時高次諧振過電壓；合閘時殘留電荷過電壓；合閘時過量補償過電壓等。

3-2 開關問題

一、故障問題

（一）瞬間電流

在“5.5”弧光短路的一瞬間，SIWOH1-630開關動靜觸頭接通的電流究竟有多大呢？根據當時開關負荷側3個gG630A熔斷器（總保險）和12個gG160A熔斷器（分保險）一個都沒有熔斷的事實，可以判定：當時開關在ms級時限內接通的電流在630A以內。這個數值遠遠低于開關的通斷能力。在正常條件下是不應該產生電弧的。因此，要考慮開關的接觸機構是否存在故障，導致它在較大電流下形成飛弧短路或熱擊穿短路。

（二）可能因素

該開關動靜觸頭接觸方式為橫推插入式指夾雙面接觸，發生合閘彈跳重擊穿的概率很小。在這一點上遠優于平面拍合式單面接觸方式。但是該開關動觸頭為雙斷點橋式壓簧片觸頭結構，有12組動靜接觸點，接觸點多、連接點多，有可能發生以下故障：動觸頭連接虛；靜觸頭連接虛；加速機構速度不夠；在動靜觸頭間已經形成很大的接觸電阻；合閘時12組動靜接觸點不同步。

（三）解體檢查

我們對事故開關進行了解體檢查。檢查發現：

• 12組動靜觸頭接觸面光滑干凈，顏色如初，觸頭上的導電膏依然如故。
• 三相觸頭密封空間亦完好干凈。沒有發生強烈電弧所特有的燒熔、弧坑、炭化、變色、飛濺等痕跡。
• 在動靜觸頭前端接觸面邊沿有微小的電火花灼蝕點，屬于正常現象。
• 前面考慮的五點故障因素，除加速機構速度無法測量外，其余可以排除。

圖7 開關靜觸頭上黑色導電膏清晰可見

圖8 開關動觸頭光滑干凈顏色如初

（四）結論：

1.事故發生瞬間開關接通的電流基本在額定工作電流范圍內（當然更在額定接通電流能力范圍內）。定量估算可能為：

I＝（80×4）×2＝320×2＝640A

2.開關動靜觸頭的電氣結構未發現異常，合閘同期性亦正常。

3.開關動靜觸頭在接通電路時沒有產生強烈電弧。因此，開關出現飛弧短路和熱擊穿短路的可能性較小。

4.在動靜觸頭前端接觸面邊沿有微小的電火花灼蝕點，這說明在動靜觸頭接觸瞬間亦有微小電弧產生。但考慮到滿足本使用類別的接通和分斷條件當時可能已經破壞，出現微小的電弧亦屬正常。

二、質量問題

（一）瞬間電壓

在“5.5”弧光短路的一瞬間，SIWOH1-630開關相間絕緣承受的電壓究竟有多高呢？根據當時開關電源側配置的電壓保護水平為1.5kV的EC-40型浪涌保護器沒有動作的事實，可以判定：當時開關在ms級時限內承受的電壓在1.5kV以內。

同時根據此電容器極間耐壓1130V（10S）和極對殼耐壓3000V（1min）的性能，可判定1200V為此電容器在ms級時限內極間耐壓的上限。SIWOH1-630開關的額定沖擊耐受電壓雖然可達6-10kV，但它的額定絕緣電壓只有750V（在塑料外殼發熱溫度低于80℃的條件下）。因此，若當時電路中有（1.5～2.0）U_j瞬間過電壓出現，也會對開關構成威脅。

這里所說的質量問題，主要是看開關的額定沖擊耐受電壓、額定絕緣電壓、空氣中最小電氣間隙、最小爬電距離和絕緣表面溫升限值等技術指標是否合格。

（二）閃絡短路

憑經驗，直觀感覺：SIWOH1-630開關上口裸露出線端子相間在較高電壓下沿塑料外殼表面放電閃絡短路的概率最大。

（三）《低壓成套開關設備和控制設備第1部分：型式試驗和部分型式試驗成套設備》（GB 7251.1-2005）對開關電氣間隙、爬電距離、溫升限值的規定：

1.空氣中最小電氣間隙：在額定耐受沖擊電壓為6-12kV時（非均勻電場），是5.5-14mm。

2.設備長期承受電壓的最小爬電距離：在實際承受電壓為800-1250V時（污染等級4級，材料組別Ⅲ_a），是25-40mm。

3.開關絕緣表面溫升限值是40℃。

圖9 開關上口裸露出線端子相間在較高電壓下閃絡短路的概率最大

（四）絕緣遙測

開關額定耐受沖擊電壓為6-12kV，這個數值主要是指絕緣材料內部永久性擊穿的指標。我們用500V、1000V、2500V兆歐表在冷態下進行了測試，沒有發現硬擊穿現象。

（五）結論：

1.事故發生前瞬間開關承受的電壓在額定耐受沖擊電壓的范圍內。但極可能超過了開關的額定絕緣電壓。定量估算可能為：

U＝750×（1.5～2）＝1125～1500V

在這個過電壓值下雖然沒有發生絕緣材料硬擊穿短路，但并不能保證不發生放電閃絡短路。

2. 此開關的相間絕緣間距是30mm。符合GB 7251.1-2005規定的空氣中最小電氣間隙。但GB 7251.1-2005規定的—設備長期承受電壓的最小爬電距離表明：當工作電壓≥1250V時（污染等級4級，材料組別Ⅲ_a），最小爬電距離＝40mm。放電的危險是存在的。

3. GB 7251.1-2005規定開關絕緣材料表面溫升限值是40℃。經驗證明：當開關在較大電流沖擊下瞬間溫升是該數值的兩倍以上時，開關塑料外殼表面電阻會急劇下降，此時加上＞750V的高電壓，附著著灰塵的相間絕緣材料表面發生放電閃絡短路是完全可能的。

4.根據以上非常有限技術條件下的分析，筆者認為：開關的接觸機構和絕緣指標基本上沒有嚴重的問題。開關短路是由于當時電路里出現了超出開關技術指標的異常狀態。

三、安裝問題

本開關安裝存在明顯問題。

（一）使用說明書要求

本開關安裝單位是國內某儀表廠。某日，該廠在為大廈更換新開關時隨機帶來一份《SIWOH1-63～1250系列隔離開關熔斷器組使用說明書》。說明書內容共分八部分。其中第七部分-使用與維修-第2條要求：“開關上的接線端子和接線裸母線應包扎絕緣物，防止開關相間短路。”

（二）大廈現場安裝實況

大廈南北變配電室18臺低壓無功補償柜上的18臺SIWOH1-630隔離開關熔斷器組，都沒有按照該使用說明書第七部分-使用與維修-第2條要求安裝。

圖10 開關上的接線端子是裸露導體未包扎絕緣物

（三）可以說，這一條是開關制造廠家根據SIWOH1系列產品的技術特點，提出的針對性安全要求。如果按照這一條做了，可以有效防止開關相間在此位置閃絡、爬電和飛弧短路。

3-3 電路問題

大廈安裝的低壓無功補償電容器柜，是由國內某建筑設計院設計，由國內某儀表廠組裝生產。這種設備自正式投入運行以來，接連發生電容器組投切接觸器燒毀、分路熔斷器熔斷和串聯電抗器過熱等異常現象。

深入分析表明：這種設備在設計上存在缺陷。這種缺陷成為“5.5”弧光短路事故的主要誘發因素。

一、因設計潛伏隱患

（一）REGO型自動功率因數控制器接線方式

圖11 REGO控制系統圖

圖12 REGO控制原理圖

1．REGO自動控制器不受總電源開關控制。主輔柜兩個SIWOH1-630開關控制12組電容器總主回路，REGO自動控制器通過控制12個交流接觸器控制12組電容器分支回路。REGO的工作電源接在SIWOH1-630開關上口，不受總開關控制。當總開關斷開后，REGO仍在工作。原設計思想是：當主輔柜其中一個斷電檢修時，另一個仍然可以在自動補償狀態工作。

2．這種接線方式可以造成智能誤判，使電路出現異常狀態。即：在總開關斷開而REGO仍在工作的情況下，造成REGO對補償需求發生誤判。REGO對補償需求發生誤判后，立即發出過補償投入指令。誤判發出的過補償投入指令會一直持續到將12組600Kvar電容器投切接觸器全部吸合為止。

圖13 電容器主柜運行/輔柜檢修示意圖

3.圖14極為清楚的顯示：盡管電容器主柜在運行、輔柜在檢修，盡管輔柜總電源開關已分斷，但REGO自動控制器仍然發出指令，將輔柜的6組投切接觸器全部吸合。

（二）串聯電抗器電抗率的選擇

1.《并聯電容器裝置設計規范》（GB50227-2008）規定：

5.5.2串聯電抗器電抗率選擇，應根據電網條件與電容器參數經相關計算分析確定，電抗率取值范圍應符合下列規定：（1）僅用于限制涌流時，電抗率宜取0.1%～1%。（2）用于抑制諧波時，電抗率應根據并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波含量的測量值選擇。當諧波為5次及以上時，電抗率宜取4.5%～5.0%；當諧波為3次及以上時，電抗率宜取12.0%；亦可采用4.5%～5.0%與12.0%兩種電抗率混裝方式。

2．低壓調諧濾波器產品樣本提示：存在諧波的電網（應用非線性負載例如整流器、電焊等）選擇功率因數補償系統時，應特別注意產生諧波的影響。為了避免諧振這一危險現象，電容器一定要串聯合適的調諧濾波電抗器。這樣就可以得到諧振頻率低于諧波范圍的振蕩回路。

通過調諧濾波電抗器串聯電容器傳輸無功功率不同于依靠選擇普通電抗器用于無功補償的元件的傳輸，因為必須知道安裝補償設備的電網特性和應用的電抗器對電容器所產生的影響。

3.在運行中發現：大廈3#變壓器電容器補償柜中的串聯電抗器工作溫度有時高達120℃。3#、5#、6#變壓器電容器補償柜不斷出現投切接觸器燒毀和熔斷器熔斷的現象。“5.5”事故后，筆者對其串聯電抗器電抗率進行了計算，約為3%。

而大廈9臺變壓器帶有大量電力電子設備，3#、4#、5#、6#變壓器所帶負載尤其是這樣。屬于典型的諧波源污染負載。很明顯，3%這一電抗率選擇是不符合GB50227-2008要求的，是不符合大廈供用電負載諧波污染特點的，是難以避免高次諧振這一危險現象的。

（三）結論：因以上設計潛伏隱患，容易使過量補償過電壓、高次諧振過電壓等多種異常狀態發生的概率增大。

二、過量補償過電壓

（一）并聯電容器過量補償無功功率的危害是非常明確的：其一，抬高系統電壓，損壞電氣絕緣。其二，無功反送電源，增加有功損耗。案例：某廠為一臺大型電動機供電的變壓器設置了分組投切的0.4kV無功補償電容器組（三相容量600kvar）。調試時電動機還沒啟動，調試人員就誤將補償電容器組全部投入運行，立即造成接在這個供電系統上的部分照明燈、指示燈、繼電器線圈和部分補償電容器燒毀。

（二）由于“自動控制器接線設計”考慮不周，在“5.5”事故中確定無疑造成了“過量補償過電壓”。

實際過程如下：

• 3#變壓器主輔兩臺電容器柜正在運行中，REGO控制投入的是輔柜上第7、第8兩組電容器。
• 此時，操作人員分斷輔柜SIWOH1-630開關，使輔柜由運行轉檢修。
• 總開關分斷后，第7、第8兩組電容器被從母線上切除。但REGO并不理睬這一變化，繼續指令第7、第8號接觸器在吸合位置。
• 此時，3#變壓器負荷側需要50×2＝100Kvar的無功補償量，但由于總開關將兩組電容器切除，電路中出現了欠補償。這個欠補償信號由403主進開關A相上的TA（CT）測量信號傳給REGO。
• REGO接到欠補償信號后，以為兩組100Kkar補償量不夠，于是它指令第9、第10號接觸器吸合，將第9、第10組接觸器投入。此時，REGO認為它根據電路需要已經投入了4組50×4＝200Kvar的無功補償量。但此時實際仍然是零補償。
• 操作人員結束工作后，合上SIWOH1-630開關，使輔柜由檢修轉運行。SIWOH1-630開關接通電路的一瞬間，4組200Kvar的無功補償量投入了系統，超出了此時電路實際需要補償量1倍，形成了過量補償無功返送。
• 過量補償無功返送使系統相間電壓瞬間升高，造成了過量補償過電壓。

（三）在大廈0.4kV無功補償電容器柜弧光短路事故中，過量補償過電壓的存在是確定無疑的。這個“過電壓”肯定對造成“5.5”開關相間弧光短路起了作用。但是經驗證明：過量補償過電壓的數值很少﹥2U_e。這個數量級恐怕還難以一手造成相間弧光短路。

三、高次諧振過電壓

（一）在供用電系統中，產生諧波的根本原因是由于向具有非線性阻抗特性電氣設備供電的結果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波（基波頻率整倍數的正弦波分量），導致供電系統的電壓、電流波形畸變。

所有非線性負荷都能產生諧波，主要有：整流設備；視頻設備；辦公自動化設備（計算機、復印機、打印機、傳真機等）；UPS電源設備；智能照明設備；變頻調速設備；電梯設備；電弧設備等。

（二）由于智能樓宇中安裝著大量電力電子設備，同時這些設備產生的諧波又具有較大的振幅，所以它們是目前智能樓宇供用電系統中的主要諧波源。其中：

計算機產生的諧波以3、5、7次為主（筆記本便攜式計算機產生的諧波頻譜更加廣泛）。復印機產生的諧波以3、5、7、9、11、13次為主。可變頻驅動裝置產生的諧波以5、7次為主。

三相六脈沖橋式可控硅整流的UPS電源產生的諧波以5、7次最為顯著（該大廈UPS屬于此種類型）。三相十二脈沖橋式可控硅整流的UPS電源產生的諧波以11、13次最為顯著。單相供電的UPS產生的諧波則以3次為主。統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，是最大的諧波源。

（三）諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形，尖頂電壓波易在介質中誘發局部放電。高次諧波諧振時，一般電流不大，但過電壓很高，經常使設備絕緣損壞。甚至有諧振過電壓使母排之間空氣間隙擊穿導致補償柜燒毀的嚴重事故發生。

（四）由于“串聯電抗器電抗率設計”選擇有誤，在“5.5”事故中極有可能造成了“高次諧波過電壓”。理論計算如下：

《并聯電容器裝置設計規范》（GB50227-2008）規定：當分組電容器按各種容量組合運行時，不得發生諧振。諧振電容器容量，可按下式計算：

解：大廈3^＃變壓器0.4kV無功補償電容器柜“5.5”事故發生高次諧波諧振的電容器容量為

因為 S_d＝0.4kV×50KA＝400V×50000A＝20MVA（查表并計算得）

n＝5（據大廈3^＃變壓器負荷特性得）

K＝3%＝0.03（據設備參數計算得）

所以

（五）結論：大廈3^＃變壓器0.4kV無功補償電容器柜“5.5”事故發生高次諧波諧振的電容器容量為200Kvar。正好落入5次諧波諧振區并與諧振點重合。

經驗證明：高次諧振過電壓的數值一般在（2～5）U_e。

結論

綜上所述，本文對“5.5”事故做如下結論：

一、不是操作問題

基于SIWOH1-630隔離開關熔斷器組的類別和性質，“5.5”事故時電工的操作，沒有違反電氣安全工作的基本規程，沒有違反電工安全作業的基本常識，是一次正常的操作。

二、基本不是開關問題

經解體檢查和對照規范，認為開關的電氣和機械機構以及主要技術指標基本上沒有嚴重的問題。開關短路是由于當時電路里出現了超出開關技術指標的異常狀態。但是不依照說明書安裝，留下了短路隱患。

三、基本肯定是電路問題

（一）控制器接線方式缺陷→智能控制誤判→令多組接觸器同時空載吸合→形成了過補償的投切容量組合→此時人工操作總開關投入形成過補償過電壓。

（二）電抗率選擇缺陷→沒有消除5次及以上高次諧波的能力→在現有容量組合投切時遇到諧振點的概率較大→“5.5”4組200Kvar一次投入時，恰遇5次諧波諧振點形成高次諧振過電壓。

四、弧光短路過程

（一）合閘時由過補償過電壓和高次諧振過電壓疊加形成瞬時過電壓，峰值大約在800～1200V之間，施加在系統相間絕緣和對地絕緣上。

（二）此時在過電壓條件下，640A左右的大電流沖擊SIWOH1-630開關動靜觸頭產生的發熱量，使金屬出線端子和塑料外殼表面溫度瞬間上升至100℃以上，高溫使開關塑料外殼表面電阻值急劇下降，使此處成為線路上的最薄弱點。

（三）最薄弱點處的三相出線端子是裸露的，沒有按要求進行絕緣處理。此時開關上口裸露出線端子相間率先沿絕緣塑料外殼表面發生放電閃絡—弧光短路。

五、“5.5”事故中的諧振過電壓是概率性事件

每一次的電路分合沖擊過程都是不相同的。由于這種“沖擊擾動”過程的隨機性，有的過程很嚴重，有的則很輕微。這種區別決定于具體的初始條件：分合閘時電流、電壓的相位角，電弧過程的強烈程度等。因此，在外激發條件下，并不是每次電路分合操作都會引起諧振過電壓，而是具有明顯的統計規律性。

（編自《電氣技術》，原文標題為“0.4kV無功補償電容柜弧光短路事故原因深度分析”，作者為譚永林。）