现场︱一起电缆故障引发母线弧光短路的分析处理

中国电工技术学会将于2016年12月23日（周五）在北京铁道大厦举办“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”。

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中冶集团铜锌有限公司巴基斯坦·山达克铜金项目的研究人员尤家安，在2016年第10期《电气技术》杂志上撰文，通过事故案例对电缆线路发生短路故障而引发的低压配电柜母线弧光短路致人面部烧伤事故，从多方面进行了详实的分析，并确定了事故原因、处理方法和防范措施，为从事该项工作的检修技术人员提供现场经验参考。

据不完全统计，低压触电事故占整个触电事故的60％以上[1]。其潜在的安全隐患主要表现在违章作业、设备老化失修、检查维护等方面，其中空气开关发生的故障很普遍，如果对电气设备检修维护工作不到位，忽视了小的设备缺陷侥幸心里导致的伤人事故就会发生，年积月累形成的安全隐患时刻威胁着现场检修人员。

1  事故概况

1.1 供电方式

本案例配电变压器容量为315kVA，二次侧0.4kV经电缆线引入低压进线柜，经DW15/1600总开关接入低压母线段，总开关设有速断保护、过负荷保护等。

故障线路是由低压配电柜的一个DZ-100空气开关（以下简称开关）经地埋电缆向#3仓库配电箱供电，供电系统图见图1所示。

图1  短路故障一次系统图

1.2 事发经过及现象

2015年2月27日接到公司#3仓库没有电的报告，派检修人员前去检查处理。检修人员对#3仓库用电情况查无异常，返回到配电室发现给#3仓库供电的开关是在跳闸状态，随即合闸送电，但合闸即跳，然后将#3仓库中的总开关拉开，对来自配电室的主电缆线用500V摇表进行绝缘检查，结果是：相间及对地绝缘均大于0.5MΩ，满足绝缘最低要求，但有不稳定摆动现象（0.6-0.8MΩ）。

检修人员认为故障可能出在用电设备上，因此将#3仓库的用电负荷全部拉开，然后手机通知在配电室等候的检修人员再次合闸送电。

因为操作者不知道故障是否排除，所以手持1米长绝缘木棒对开关进行远距离躲避性合闸，不料在合闸瞬间一声巨响，门外的监护人亲眼目睹了惊人的一幕，操作者瞬间被弧光包围，喷射出的爆燃物及金属颗粒四处飞溅，距开关柜2米远的墙壁也被喷射的乌黑，地面到处都是喷溅的金属渣，相邻的4个空气开关烧焦报废，接引铜排和水平铜排熔化。

在强大的母线短路电流作用下，开关柜总进线DW15/1600TH 380V开关速断动作跳闸，燃烧的弧光团熄灭。操作人员面部严重烧伤，由于戴着护目镜仅造成短时失明。事故现场见图2所示。

图2  事故现场

2  故障分析

2.1  故障检查

1）故障发生后，用500V摇表对#3仓库主电缆进行绝缘检查，发现相间及对地绝缘在0-0.1 MΩ之间变化，确认电缆已经短路，而且短路状态很不稳定。

经反复查找短路点位于配电室约100m（电缆长度）处的厂区道路段，挖出电缆发现，由于车辆反复重压使电缆外防护管及绝缘层破坏，恰巧赶上近期的一次降雨，在电缆的破损处发生了短路，电缆已经烧断线芯之间严重碳化。

事故之前检查三相绝缘均大于0.5MΩ而事故后则变成了0MΩ，说明短路点处在不稳定状态（时好时坏），导致配电室的开关DZ-100跳闸停电。

2）拆解开关发现内部焦黑不堪，三相极间隔板碳化严重，说明电缆三相短路使开关内部发生过瞬间电弧燃烧，但动、静触头并没有明显烧熔痕迹，虽然绝缘部分碳化严重，但是内部并没有发生相间短路现象，开关内部烧损情况见图3所示。

图3  开关内部烧损情况

2.2对故障开关的分析

1）从开关的分断容量分析

根据三相短路电流有效值的计算[2]，设系统容量为无穷大，简化计算可忽略系统、母线、开关等阻抗。则：

开关DZ-100的极限分断电流是ICN＝18kA，从短路电流计算结果看IK＝2.44kA＜＜18kA，开关的分断能力可以满足要求，开关被烧坏一定另有原因。

2）从开关内部分析

国外一些发达国家很早就规定了最小的触头开距：额定低压在125V以上为5mm，300-600V为6mm（我国没有技术标准明文规定）[3]，实测故障开关触头的开距为6mm满足要求，仔细观察发现动、静触头并没有明显烧损痕迹，说明动、静触头之间不存在持续电弧，否则会将触头熔化。

电弧虽然产生在触头之间，但是远在触头来得及完全分开以前，灭弧磁场即已将其从触头间隙中排出[4]，就故障开关触头的6mm开距而言不会影响电弧的熄灭过程。

分析认为：当开关带着短路点d1合闸时见图1所示，开关的短路（电磁保护）保护动作将已经闭合的触头立刻分开，故障电流在动、静触头之间产生的故障电弧会比正常电弧大许多倍，因此短路电流在电弧通道周围产生的强磁场作用下将此电弧通过灭弧删片缝隙从开关上部排气筛孔（带孔的电木板）快速喷出见图4所示，因为电弧在动、静触头之间燃烧时间极短，所以触头无明显损伤。

图4  开关内部喷出的电弧在外部形成电弧短路烧损情况

3）从开关外部分析

在事故前几天刚做完设备吹扫工作，开关外部存在金属性杂物短路的可能性不大，开关上端短路是由于带故障合闸才发生的，说明与被操作的开关有一定关系。

经过反复检查对比其它同类型开关，发现原本配置的相间隔弧板都没有安装见图4，而且这种现象低压配电柜普遍存在，原因是：妨碍卫生清扫，一旦碰掉了也无人恢复过问，由于缺少相间隔弧板而导致短路故障的概率并不高认为是多余的配置，所以不被重视。

据现场统计，100A以下的空气开关有500余个，应该配置相间隔弧板的有98%都没有按要求安装，可见不被重视的程度。

开关上端隔弧板按规定必须装配好。相间隔弧板是防止开关上端相间电弧短路的重要屏障，电源端子及接引铜排相间距离只有17mm见图4。

当电缆存在三相短路时，如果带故障合闸开关触头之间就会形成强烈电弧，此电弧从开关排气筛孔同时喷出的三束导电电弧（飞弧）将三相接线螺丝和接引裸铜排连为一体形成相间电弧短路，接线螺丝烧熔情况见图4所示。

因为三相短路电流周期不可能同时过零点，所以持续燃烧无法熄灭，迅速向上扩展将上部相距70mm处的水平裸母线排包围其中，进而发展成更强烈的爆燃性弧光团d2短路点。

4）开关缺少相间隔弧板与电弧短路的关系

开关普遍存在相间隔弧板缺失问题，为何没有频繁出现开关电弧短路现象呢？

原因之一，当线路发生单相接地或两相短路时，相对三相短路电流要小得多，开关触头之间形成的电弧相对较弱，电弧受到短路电流产生的电动力作用也小，电弧经过灭弧删片会完全被吸收，因此在开关上端电源端子之间就不会发生电弧短路，如果短路不严重时就会出现合闸即跳的现象而不会将故障扩大。

原因之二，当距离电源较近时产生的三相短路电流较大才有可能引发电弧溢出开关壳外现象，且电缆发生三相短路的概率并不高。

原因之三，与开关的结构有关，特别是那些排气筛孔距离开关接线螺丝较近的，更容易发生外部电弧短路。

就上述三点原因，因为开关相间隔弧板缺失而造成的电弧短路属小概率事件，所以相间隔弧板是不被重视的原因所在。

2.3 电缆短路是事故的直接原因

#3仓库停电，是因为电缆绝缘层遭外力破坏短路导致跳闸。虽然送电前经过绝缘电阻测量大于0.5MΩ已达到送电要求，但读数有不稳定摆动现象，说明经过前两次短路跳闸后，电缆被烧断的横截面上线芯之间被碳化层覆盖其绝缘电阻存在着不稳定性，在这种情况下绝缘电阻虽然大于0.5MΩ，但不稳定摆动现象（0.6-0.8MΩ），说明碳化层绝缘恢复是极不稳定的，一旦施加工频电压绝缘就会消失。

绝缘恢复程度受到碳化轻重、干燥程度等多种因素影响，教训告诉我们，不稳定的绝缘是不可信的，一定存在着没有被发现的隐患，由于没有真正排除隐患就合闸送电，由于不重视开关相间隔弧板的安装和使用，所以最终发生弧光短路伤人是必然的，如果有一个环节得到重视也不会发生此类事故。

3  处理结果及防范措施

配电柜顶部主母线保留，烧毁的开关、母线、接引铜排等全部拆除更换，将碳化层用汽油清洗并喷漆处理，按开关柜原配置恢复其原样。

防范措施：低压开关电源侧必须保证相间隔弧板齐全，完善母线（包括开关接引裸铜排）外绝缘防护，必须彻底排除短路故障后才能合闸送电。

血的教训告诉我们电气设备检修维护工作要认真做好每一个环节，不能有侥幸心里只图一时方便，最终酿成安全大患。

4  事故结论

综合以上分析，事故的直接原因是由于电缆外防护管及绝缘层被破坏导致电缆短路引起的。

操作中带短路故障合闸送电，使开关内部产生强烈电弧，在短路电流形成的强磁场作用下，通过开关排气筛孔将三束导电电弧喷出开关外部，在开关上端发生三相电弧短路并引燃了接引裸母线排，造成了更大的母线弧光短路，开关上端相间隔弧板没有按装或丢失，才是造成母线爆燃性弧光短路烧毁设备及人员烧伤事故的主要原因。