特高壓組合電器運(yùn)行狀況和典型故障分析

馬慧敏，張星宇，戴雨薇，劉文斌

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特010010）

0 引言

組合電器因結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠，適應(yīng)性強(qiáng)且易維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，在電網(wǎng)建設(shè)中被廣泛采用。當(dāng)組合電器運(yùn)行年限較長時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)較多問題，例如，因組合電器內(nèi)部隱患不易檢測，發(fā)生故障后，故障位置和原因都較難判斷；故障檢修時(shí)的停電范圍比常規(guī)敞開式電器設(shè)備要大，解體檢查、檢修耗時(shí)也較長[2]。本文通過對(duì)國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器2020年底前的運(yùn)行故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從質(zhì)量提升、防范異物、強(qiáng)化運(yùn)維、缺陷整改等方面給出了相關(guān)建議。

1 國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器投運(yùn)狀況

高壓組合電器通常指封閉式高壓組合電器，即氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Metal?enclosed Switchgear，GIS），其將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、連接母線、套管以及電纜終端等各種電氣設(shè)備，按照變電設(shè)備一次系統(tǒng)圖，合理組合存放在全封閉的金屬殼體內(nèi)實(shí)現(xiàn)電氣功能[2-4]。

截至2020年底，國家電網(wǎng)公司在運(yùn)特高壓組合電器共416個(gè)間隔，分布于天津、河北、冀北、山西、山東、上海、江蘇、浙江、安徽、福建、湖北、河南、蒙東和陜西共計(jì)14個(gè)省公司，其中山東、江蘇、浙江的裝用量居前。

按照特高壓組合電器制造廠統(tǒng)計(jì)，平高電氣股份有限公司（以下簡稱平高電氣）、新東北電氣集團(tuán)有限公司（以下簡稱新東北電氣）、西電開關(guān)電氣有限公司（以下簡稱西開電氣）裝用量占前三位（分別占總裝用量46.0%、24.4%，23.6%），山東電工電氣日立高壓開關(guān)有限公司（以下簡稱山東日立）裝用量較少，約占6%。

2 特高壓組合電器故障分析

根據(jù)國家電網(wǎng)公司設(shè)備（資產(chǎn)）運(yùn)維精益管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，截至2020年底，國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器最長投運(yùn)年限已達(dá)12年，期間共發(fā)生故障16起（均為放電類型故障），總故障率高達(dá)0.44次/（百間隔·年），明顯高于其他電壓等級(jí)，如圖1所示。

圖1 各電壓等級(jí)故障率統(tǒng)計(jì)

內(nèi)部放電故障是組合電器的主要故障類型之一，組合電器在制造、運(yùn)輸及安裝過程中，由于制造工藝、碰撞及安裝、檢查不到位等因素，會(huì)造成部件損傷或內(nèi)部留有雜質(zhì)，設(shè)備運(yùn)行中容易引發(fā)放電現(xiàn)象[2]。

2.1 故障率及故障類型

據(jù)運(yùn)維精益管理系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)資料，各制造廠設(shè)備的故障統(tǒng)計(jì)情況見表1（暫無山東日立數(shù)據(jù)）。

表1 不同制造廠設(shè)備故障率統(tǒng)計(jì)

除技術(shù)差異及關(guān)鍵組部件質(zhì)量差異，各制造廠產(chǎn)品的故障類型表現(xiàn)各異，其中平高電氣設(shè)備主要為內(nèi)置式電流互感器（TA）單元盆式絕緣子表面異物放電；西開電氣設(shè)備主要為合閘電阻氣室水平盆式絕緣子表面異物放電；新東北電氣設(shè)備主要為關(guān)鍵絕緣件內(nèi)部存在缺陷。

2.2 故障部位

國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器發(fā)生故障的部位主要集中在斷路器單元、隔接單元、母線單元及TA單元等部件上，如表2所示。斷路器為組合電器的重要部件，其單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)作頻繁，故障次數(shù)也最多。

表2 故障部位統(tǒng)計(jì)

2.3 故障原因分類

國家電網(wǎng)特高壓組合電器的主要故障類型為放電故障，原因主要有存在異物，絕緣件內(nèi)部有缺陷，合閘電阻分閘卡澀未到位燒毀，斷路器靜弧觸頭松動(dòng)及導(dǎo)體安裝工藝不良發(fā)熱燒融等，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 故障原因類型統(tǒng)計(jì)

由表3可見，特高壓組合電器絕緣件內(nèi)部及外部（絕緣拉桿、盆式絕緣子、支撐絕緣子）問題引發(fā)的故障占比最高，達(dá)到81.3%。主要原因有：

（1）特高壓組合電器工廠裝配及現(xiàn)場安裝管控不佳，防塵等防護(hù)措施落實(shí)不到位[5]，導(dǎo)致異物留存在隱秘部位，設(shè)備投入運(yùn)行后在電場和機(jī)械振動(dòng)作用下，異物掉落至絕緣件表面引起放電[1]。

（2）特高壓組合電器絕緣件的檢測技術(shù)水平不高，管理不到位，絕緣件內(nèi)部缺陷檢出率不高，設(shè)備長期帶電運(yùn)行后易出現(xiàn)絕緣件局部放電情況，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。

3 典型故障案例

3.1 內(nèi)置TA盆式絕緣子放電

3.1.1 故障現(xiàn)象

某特高壓站斷路器TA氣室放電，導(dǎo)致母線和主變壓器失電，故障GIS為ZF27-1100型。解體檢查后發(fā)現(xiàn)，因TA氣室存在異物引起氣隙放電，最終發(fā)展至斷路器側(cè)盆式絕緣子表面放電，圖2為TA氣室及盆式絕緣子表面放電痕跡。

圖2 TA氣室及盆式絕緣子放電痕跡

3.1.2 原因分析及建議

內(nèi)置式TA屏蔽筒與線圈間存在縫隙，容易殘留異物；線圈與絕緣板層間也容易殘余異物，且不易清理，均易引發(fā)放電故障。建議如下：

（1）在TA制造過程中，針對(duì)可能產(chǎn)生及殘留異物的環(huán)節(jié)制定相應(yīng)措施。

（2）在TA殼體裝配后、吸附劑及接線座裝配前，增加N2吹拂工藝，清除TA線圈及殼體空間內(nèi)的殘留異物。

（3）推進(jìn)1000 kV外置式TA的研制工作，使氣室結(jié)極等同于母線筒體結(jié)極。

3.2 GIS水平盆式絕緣子放電

3.2.1 故障現(xiàn)象

某特高壓站開關(guān)U相合閘電阻開關(guān)氣室故障（LW-1100型GIS設(shè)備），合閘電阻機(jī)極側(cè)氣室內(nèi)發(fā)生兩次放電。第一次為由水平盆式絕緣子表面積聚異物引起沿面放電，第二次為線路重合后靜觸頭屏蔽罩放電。圖3為絕緣子表面放電痕跡。

圖3 絕緣子表面放電痕跡

3.2.2 原因分析及建議

由于水平盆式絕緣子表面易積聚異物而引起沿面放電，設(shè)備運(yùn)行過程中在電場和機(jī)械振動(dòng)作用下，異物移動(dòng)掉落、積聚在絕緣子表面，從而發(fā)生放電現(xiàn)象，此類故障曾發(fā)生多起。針對(duì)此類故障，提出以下建議：

（1）在新建/擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)、設(shè)備招標(biāo)時(shí)，應(yīng)盡量避免采用特高壓GIS盆式絕緣子水平布置方式。

（2）對(duì)有類似結(jié)極的特高壓GIS，應(yīng)加強(qiáng)日常巡檢，定期開展局部放電在線監(jiān)測和帶電檢測。

3.3 GIS內(nèi)部支撐絕緣子放電

3.3.1 故障現(xiàn)象

在對(duì)某特高壓站的GIS設(shè)備進(jìn)行帶電檢測時(shí)，利用超高頻局放檢測儀檢測到某間隔三維譜圖（PRPS圖譜）具有明顯放電特征（見圖4），其他部位正常，經(jīng)定位分析確定放電位置為某斷路器倉。通過檢查斷路器倉，發(fā)現(xiàn)斷路器支撐絕緣子表面存在兩條氣泡線，經(jīng)X光檢測和車床切割，發(fā)現(xiàn)絕緣子內(nèi)部存在較大尺寸的氣泡缺陷，兩個(gè)不規(guī)則氣泡孔洞長約26 mm。

圖4 超高頻放電現(xiàn)象三維波形圖

3.3.2 原因分析及建議

斷路器支撐盆式絕緣子出廠前開展了熱性能試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)和密封試驗(yàn)，額定短時(shí)工頻耐壓試驗(yàn)、局放試驗(yàn)，隨工裝產(chǎn)品進(jìn)行了絕緣試驗(yàn)等型式試驗(yàn)。核查發(fā)現(xiàn)，故障處盆式絕緣子未進(jìn)行X射線探傷試驗(yàn)，而現(xiàn)場交接試驗(yàn)通常不進(jìn)行X射線探傷試驗(yàn)。建議如下：

（1）絕緣件需嚴(yán)格按照《國家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》進(jìn)行出廠試驗(yàn)，GIS內(nèi)部絕緣件應(yīng)逐只進(jìn)行X射線探傷試驗(yàn)、工頻耐壓試驗(yàn)和局部放電試驗(yàn)，局部放電量應(yīng)不大于3 pC[6]。

（2）追溯同一廠家其余盆式絕緣子出廠試驗(yàn)報(bào)告，檢查是否按照規(guī)定開展了X射線探傷試驗(yàn)；對(duì)于存在同樣情況的盆式絕緣子，建議進(jìn)行現(xiàn)場X射線探傷試驗(yàn)排查隱患。

4 故障治理措施

（1）產(chǎn)品質(zhì)量提升方面，各制造廠家應(yīng)根據(jù)各自設(shè)備故障情況，針對(duì)性地開展特高壓組合電器及其關(guān)鍵組件、部件的質(zhì)量提升工作。

（2）到貨驗(yàn)收方面，需嚴(yán)格把控產(chǎn)品驗(yàn)收環(huán)節(jié)，認(rèn)真追溯產(chǎn)品出廠試驗(yàn)情況和出廠監(jiān)造情況。

（3）防范異物方面，應(yīng)嚴(yán)格制訂微粒放電防范措施（如增大絕緣件異物耐受裕度、加裝微粒陷阱），開展有效的絕緣和老練試驗(yàn)，加強(qiáng)微粒放電檢測預(yù)警手段[7-12]。封閉式組合電器內(nèi)部的自由微粒主要來源于設(shè)備安裝現(xiàn)場的外界環(huán)境，在安裝設(shè)備過程中安裝人員應(yīng)按照要求統(tǒng)一著裝，嚴(yán)格把控所使用的工器具；安裝人員應(yīng)熟練操作，最大化地減少設(shè)備在空氣中的暴露時(shí)間[8-13]。

（4）強(qiáng)化運(yùn)維方面，運(yùn)維單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)斷路器氣室等故障多發(fā)部位的巡視、維護(hù)、停電檢修試驗(yàn)檢測和帶電檢測。

（5）隱患消除方面，運(yùn)維單位應(yīng)協(xié)同相關(guān)制造廠加強(qiáng)隱患預(yù)防及缺陷的整改治理工作，避免水平布置盆式絕緣子、防止斷路器靜弧觸頭松動(dòng)等[14-18]。

5 結(jié)語

為確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，組合電器投入運(yùn)行后的故障分析和缺陷治理尤為重要。本文針對(duì)2020年年底前國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器運(yùn)行故障情況，統(tǒng)計(jì)分析了故障率、故障部位、故障原因等情況，并提出了相應(yīng)的治理措施，供相關(guān)技術(shù)人員解決類似問題時(shí)參考。