关于一起35kV开关柜内主CT绝缘击穿的事故分析
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某变电站一台35kV开关跳闸，其零流过流动作、过流二段掉闸， 将开关拉出验电接地，打开后柜门发现CT挡板严重烧损，有清晰的放电点。拆除挡板后发现B相主CT烧毁，底部烧伤严重；同时，该CT的二次线绝缘外皮已有大部分损毁，环氧树脂绝缘及其下方二次接线座均有裂纹。
A相、C相电流互感器经绝缘电阻试验、直流电阻试验、交流耐压试验合格，判断状态良好。B相CT已经发生贯穿性的绝缘击穿，须更换。
该开关柜柜型为JNY1-35，烧损CT型号为LCZ-35Q，运行时间已达20年之久。开关柜结构如下图所示，放电发生在CT与金属挡板之间，可以推断，放电路径是从CT一次线圈经环氧树脂绝缘到挡板。
将CT解体，在一次绕组上发现一处明显的电弧灼烧点，该点即位于CT底部环氧树脂开裂面上，印证了之前推测的放电径。
下面对放电原因进行分析：
固体材质的绝缘老化原因主要包括电老化、热老化和环境老化；其中，电老化是最常见的绝缘老化原因，热老化通常伴随着电老化而产生。考虑到该开关运行年头较长，且室内站工作环境良好，温度湿度长期处于较适宜的范围，环境老化因素可忽略，因此先初步判断放电原因为电老化+热老化，即CT的环氧树脂在长时间工作电压作用下，其物理、化学性能都发生了不可逆的劣化，最终引起击穿，此过程中很可能同时包含热老化的加速作用。
1、电老化：引发电老化的产生原因是由于高压电气设备绝缘内部不可避免的存在某些缺陷（如环氧树脂中的气孔、气隙），而气孔在交流电场的作用下局部场强达到一定强度就会发生局部放电，局部放电的发生位置距离柜门外的局放测试仪相隔较多，不容易被检测出来，长期局放导致电介质老化，演变成绝缘击穿。那么局部放电是怎么形成的呢？
无论是环氧树脂还是空气，都是一种电介质，只是其介电常数不同，导电性能（绝缘性能）也不尽相同。含有气隙或气孔的环氧树脂可以等效成均匀电场双层介质模型，如下图所示（图中，d为板间距，ε为介电常数，E为场强）。
不同的电介质排列在一起可以等效成串联的电容器。
ε1* E1=ε2* E2
U= E1 * d1+ E2 * d2
由此可得：
E1 =U/[ε1*(d1/ε1+d2 / ε2)]
E2=U/[ε2*(d1/ε1+d2 / ε2)]
其中，ε为介电常数（环氧树脂ε1=4，空气ε2≈1），由于d2为气隙等效宽度，与环氧树脂宽度相比很小，可以忽略。带入ε1ε2可得：
E1 =U/d1
E2= 4* U/d1
运行时，电介质整体两端承受kV的高压，U=V，d1与CT尺寸有关，假定为0.1m，带入得E2约为8*10e+5 V/m（通常，1mm空气击穿电压约为3kV，但受空气温度、湿度影响较大）。可见，气隙很窄，却承担很大场强，正是在强电场作用下，空气中的分子发生电离，正负电荷会被拉向两边，同时撞击其他分子，引起电子崩（雪崩效应）。气隙放电形成的电荷，在外施恒定场强作用下移动到气隙壁上，这些电荷又形成了反电场，削弱了气隙中的电场，很可能使气隙中的放电不再进行下去；但若外加为交流电场，半周后外施场强就反向了，正好与前半周气隙中电荷形成的反电场同向，加强了气隙中的电场强度，反而使气隙中放电在更低的电压下发生。
局部放电产生的带电粒子不断撞击环氧树脂绝缘，这些带电粒子能量大于高分子的键能，破坏高分子结构，引起绝缘损坏。
2、热老化：既然绝缘击穿是由其气隙内的局放一步步发展导致的，那么长时间的气隙局放，气体电离放电也会产生放热，且热量不容易散出，环氧树脂局部温度升高，随着时间的延续，内部聚集大量热量。在热的作用下，由于铜、硅钢片、环氧树脂的热膨胀系数不相同，而引起环氧树脂绝缘开裂或融化，最终对地放电。Ps. 环氧树脂材料的耐热等级为B级，工作温度每升高10℃，绝缘寿命减少一半。
3、化学因素：如气隙中含有氧和氮，放电时产生臭氧、硝酸等化学物，腐蚀绝缘材料，加速绝缘老化。
4、机械因素：绝缘结构收到外部应力或内部应力的影响，在运行过程中又收到电动力和机械振动的作用，也会加速绝缘的老化。
结合该CT运行工况及故障后解体情况，击穿原因初步判断为绝缘内部气隙局放引起的环氧树脂绝缘损坏，其中可能伴有局部温度升高导致的热老化加速作用以及其他因素的影响。
最后需要说明的是，放电故障发生时，巨大的放电能量很可能将绝缘早期劣化的痕迹破坏掉，所以即使通过解体观察可能也无法明确判断具体由哪个或哪几个原因引发击穿。鉴于此，本文仅分析了引起绝缘劣化的各种因素，固体绝缘材料从劣化到击穿的过程通常很复杂，往往是电、热、力、化学等多种因素同时存在、相互影响、彼此加强，在分析的时候应综合考虑。
本文完
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编辑整理丨“电力笔记”编辑部
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