架空线路PT内置式用户分界负荷开关典型故障分析与设计优化

架空线路PT内置式用户分界负荷开关典型故障分析与设计优化

马金亮孙勇张世栋

（国网山东省电力公司电力科学研究院山东济南250002）

引言

近年来，配网主干线路的故障率已大幅下降，而由用户分支线引起的线路故障占到全部故障的80%以上。为提高配电网供电可靠性，在故障率较高、投运年限较长的用户分支线首端安装用户分界开关及控制器，配合变电站出线开关，实现用户侧接地和短路故障的自动隔离。

用户分界开关分为用户分界负荷开关和用户分界断路器，分界负荷开关多用于架空线路，分界断路器多指带保护动作的环网柜出线开关。用户分界负荷开关结构紧凑、成本经济，生产厂家众多且质量分量。随着用户分界负荷开关的大批量安装，在调试和运行过程中已发生多起严重故障，如开关爆炸、误动、拒动等，导致线路大量故障停电。本文结合现场PT内置式分界负荷开关的典型故障情况，举并分析了该类开关的典型故障及原因，提出优化设计改和进方案，并给出改进后分界负荷开关的现场应用情况。

1用户分界负荷开关功能与结构分析

1.1用户分界负荷开关的功能

用户分界负荷开关俗称“看门狗”，安装于10kV架空线路用户T接处或末段用户进线位置，注意不能串联使用。分界负荷开关能自动切除单相接地故障和自动隔离相间短路故障，将用户内部事故的影响封锁在用户界内而不会波及配电主干网和相邻用户，避免用户侧事故对配电网造成波及停电影响，使事故影响和供电损失降至最低点。

1.2分界开关组成与结构

目前，国内10kV架空线路用户分界开关由负荷开关本体和控制器两部分组成，是一种机电一体化设计的智能开关。

开关本体为小型真空负荷开关，采用三相共箱式结构。开关本体内部结构组成，每相一次回路由真空灭弧室、隔离断口和软连接组成；内置3个CT（A、C相及零序）和1个相间PT。箱体采用平板式顶盖，通过四周压条将顶盖与箱体压紧（四周有密封圈），内部充满SF6绝缘气体，当箱体内部压力过大时，顶盖将变形炸开。箱体两端为电源进线（电源侧）和出线（负荷侧）。箱体一侧为开关操作回路及手动弹簧储能机构。

用户分界负荷开关配二遥控制器，具有测控和保护功能。控制器外形多采用“帽子“式结构，IP防护等级不低于IP55。控制器与开关本体通过航空插头及电缆相连，接入开关本体输出的PT、CT、开关位置、储能等信号，向开关输出跳闸信号。控制器底部面板具有就地操作手柄、定值调节拨码和运行指示灯。控制器由开关内置PT供电（AC220V），采用超级电容为备用电源。

1.3用户分界负荷开关结构特点

用户分界负荷开关成本经济、结构简单、尺寸紧凑，与其产品质量紧密相关的几个结构特点如下：

1）采用零压SF6气体绝缘，未配置气体压力表，无法检测箱体内部密封状况；

2）采用真空灭弧、内部隔离断口与真空灭弧室联动，具有极高的操作可靠性；

3）电源侧内置1个相间PT，为控制器提供采样电压和外部电源，但PT为易损件，PT损坏将导致开关故障；

4）负荷侧内置A、C相和零序CT，开关内部或连接电缆具备防CT开路设计；

5）由于分界负荷开关的保护控制逻辑要求相间短路保护和在小电阻接地系统中的零序保护需与变电站出线开关的保护配合，分界开关要快于变电站保护动作，因此分界开关操作机构应动作可靠、迅速。

2用户分界负荷开关典型故障分析

用户分界负荷开关安装于室外架空线路的柱上，分界负荷开关及控制器应具备密封、耐腐蚀、抗凝露的结构要求。根据现场故障情况统计，PT内置式用户分界的开关的典型故障主要包括开关爆炸、拒动、误动等。

2.1分界负荷开关爆炸

开关爆炸是分界负荷开关运行过程中最常见和最严重的故障。绝大多数用户分界负荷开关发生爆炸时，天气正常、线路负荷不高，开关在正常工作过程中，突然发生爆炸，线路出线开关保护动作，一般重合不成功。开关爆炸后，吊装架变形，箱体顶盖严重翘起变形（少数顶盖飞落到地面，存在安全隐患）；开关外部四壁及机构罩部位基本完好。

2.1.1PT烧毁导致开关爆炸

PT烧毁是因为长时间持续通过大电流而热量累积所导致，PT出现大电流的直接原因是PT一次侧或二次侧线圈短路，PT大量发热致使PT外部环氧绝缘体烧毁并炸裂，灼烧产生的烟雾破坏箱体内部绝缘，开关三相间或相对地发生局部放电或相间短路，形成电弧放电，产生大量热量和烟气，箱体内气体在高温下不断膨胀，膨胀的气压无法泄露，最终将箱体顶盖掀起泄压，开关发生爆炸。

因分界开关仅安装一个相间PT，架空线路相间电容很小，可以排除因铁磁谐振过电压导致PT损坏。根据现场分界开关爆炸情况分析，导致内置PT烧毁的主要因素如下：

1）PT质量缺陷问题，主要包括绝缘和接头虚焊。内置P采用T环氧树脂固体封装进行绝缘，部分故障PT经X光透视发现存在气泡，会引发局部放电并发热；PT一次绕组与外部加强圈的接头处虚焊，长时间工作后接头处发热，引起内部线圈短路。

2）控制器电源回路问题导致PT二次侧长时间大电流通过。个别厂家控制器电源模块设计不合理，如内部后备电源超级电容或分闸回路储能电容的充电回路未设计限流电阻或限流电阻过小，当控制器上电启动和动作后，内部电容充电的峰值电流大小达到数十安，内置PT因负载电流过大产生过热，引起内部绝缘破坏。

3）内置PT因额定容量过小导致长期过负荷运行。因分界开关内部空间大小的限制，内置PT的尺寸受限，其额定容量一般较小。如某型号分界开关内置PT的额定容量为50VA，短时最大输出200VA，虽然控制器正常功率约20W，但控制器启动时、分闸后或无线通信连接时，PT功率输出将大大超过最大输出功率，PT长时间过负荷运行，过量发热将导致绝缘破坏。

4）雷击过电压导致PT损坏。地处山区、旷野的10kV架空线路，易受雷击。在配网故障中，雷击造成的故障占总数的30%-40%。雷击过电压会破坏配电线路的绝缘，引起导线对地闪络、两相（或三相）同时对地闪络，从而形成相间闪络事故。分界开关内置相间PT，在雷击过电压作用下，PT绕组绝缘可能破坏，控制器电源回路因雷击也可能击穿短路，导致PT一次或二次绕组相间短路。

2.1.2开关箱体密封导致开关爆炸

因开关密封不严导致湿气进入开关内部也是导致开关爆炸的一个主要因素。分界开关采用SF6气体零压密封，不设气压表，现场无法查看开关内部密封状况。分界开关的密封部分包括顶盖、主箱体与控制机构箱体的接合面、控制箱的转动轴及航空插座的密封等。此外，多数厂家分界开关的主箱体与控制机构箱未进行独立密封，降低了主箱体的密封可靠性。

某架空线路用户分界负荷开关在雷雨天发生爆炸。经对开关拆解发现，开关内部黑烟沉积严重，箱体内部A、C相对外壳和相间放电烧灼的痕迹明显，绝缘隔板放电烧坏，一侧箱体壁上有一小孔。开关内置PT外观完好，PT一次及二次侧绕组阻值基本正常。该分界开关主箱体与侧面控制箱连通，组成同一个密封箱，在箱体密封设计上存在薄弱环节。

因分界开关内置PT未烧毁，开关内部放电严重，且箱体壁上出现放电击穿孔。因此，该分界开关爆炸原因为箱体密封损坏，导致湿气进入，开关内部绝缘破坏，长时间发生局部放电，最终导致开关相间短路并发生爆炸。

2.2分界负荷开关误动与拒动

2.2.1分界负荷开关误动

现场用户分界开关在判别单相接地故障时存在一定的误动率。分界开关能自动切除用户侧接地故障，国网多数厂家生产的用户分界开关，仅根据零序CT电流的大小判断用户侧接地。这种技术存在一定的不足，尤其当同一条配电主干线路上分界开关数量较多，负荷侧电缆线路较长（有较大的对地电容）时，如主干线路或邻近的用户支线发生接地故障，该分界开关流过的零序电流也比较大，分界开关有可能误动跳闸。

2.2.2分界负荷开关拒动

当用户侧发生短路故障时，变电站出线开关动作，控制器在出线开关重合前将分界开关跳开，以隔离用户侧短路故障，随后变电站出线开关重合成功。如果用户分界开关拒动，变电站出线开关将重合失败，导致整条线路停电。

山东某地曾发生一例分界开关拒动的事故，故障发生时现场为雷雨天气，用户反映听到异常声响，看到杆上有火球。检修人员现场巡视发现，分界开关为合位，将分界开关手动分开，再次合变电站出线开关成功。经对分界开关拆解后发现，开关内部未见异常，未发生爆炸。手动将分界开关合闸后，可手动分闸，但无法通过控制器遥控分闸。这是一起因分界开关拒动导致无法隔离用户侧故障的事故。

3分界负荷开关设计优化与改进

因用户分界负荷开关故障数量多且故障原因集中，具有典型的家族缺陷特征，以下针对用户分界开关提出设计优化和改进建议如下：

1）分界开关的内置PT改为外置，并将额定容量适当加大，避免因PT故障导致开关整体的损坏。

2）开关主箱体与控制器机构箱独立密封，提高箱体密封的可靠性。

3）PT二次侧一端可靠接地，控制器电源进线必须配置保险。

4）采用压力传感器监视开关本体内部SF6气体压力，并将压力信号接入控制器。一旦出现压力越限则闭锁开关并报警，保证设备安全运行。

5）合理设置单相接地时零电流定值，完善单相接地算法，在判别零序电流大小的基础上，增加对接地电流方向的判别，避免分界开关误动作。

4结语

本文针对配电网建设与改造中，架空线路用户分界开关故障率过高的问题，重点分析了分界开关的结构特点和典型故障，并提供分界开关设计优化措施和改进建议，改进后的架空线路用户分界开关的故障率明显降低。特别建议供电单位进行用户分界开关选型时，采用PT外置、开关主箱体与控制箱独立密封的分界开关。此外，分界开关主要目的是提高配电主干线路的供电可靠性，适用于故障率较高或使用年限较长的用户分支线路及末端线路，对供电可靠性的要求较高的重要用户线路，建议采用具有重合功能的支线断路器。