一起220kV GIS設(shè)備內(nèi)部放電故障分析及處理措施

郭　雷　張海杰　陳仁剛　劉　況（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南　250118）

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一起220kV GIS設(shè)備內(nèi)部放電故障分析及處理措施

郭雷張海杰陳仁剛劉況
（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟(jì)南250118）

摘要GIS設(shè)備受裝配工藝、運(yùn)行年限以及頻繁操作等因素影響，容易造成內(nèi)部觸頭接觸不良，導(dǎo)致過熱、放電甚至爆炸等故障的發(fā)生。本文以一起220kV GIS設(shè)備內(nèi)部放電故障為例，通過現(xiàn)場(chǎng)解體檢查及試驗(yàn)分析，得出機(jī)構(gòu)操作力設(shè)計(jì)裕度偏小導(dǎo)致合閘不到位是故障發(fā)生的主要原因。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，制定了停電處理方案，并提出工藝流程及質(zhì)量控制要求。最后，針對(duì)此類故障提出了相應(yīng)的反事故措施，以進(jìn)一步提高設(shè)備的可靠運(yùn)行水平。

關(guān)鍵詞：GIS；內(nèi)部放電；故障分析；處理措施

Analysis and Treatment Measures for Accident Caused by Internal Discharge of 220kV GIS

Guo LeiZhang HaijieChen RengangLiu Kuang
（Shandong Electric Power Maintenance Company， Ji’nan250118）

Abstract Assembly process， operating period and frequent operation are easy to cause the internal contact of GIS bad contact， leading to overheat， discharge even explosion accident. Taking the internal discharge of 220kV GIS as an example， by means of integrated inspection and test analysis on site， it is verified that the insufficiency of operation force of mechanism， which causing uncompleted closing is the main reason for the accident. Based on site actual conditions， the paper described the outage treatment method and put forward the technological process and quality control requirement. Finally， According to the accident， the preventive measures are put forward， which improve the level of the reliable operation of the equipment.

Keywords：GIS; internal discharge; fault analysis; treatment measures

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）以其結(jié)構(gòu)緊湊、占地空間小、維護(hù)工作少等優(yōu)點(diǎn)在電力系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用[1]。目前國(guó)內(nèi)新投運(yùn)變電站幾乎全部采用GIS設(shè)備，隨著應(yīng)用數(shù)量的日益增多，GIS設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中遇到的問題也越來越多，如漏氣、內(nèi)部放電以及閃絡(luò)等，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)GIS設(shè)備故障中以內(nèi)部放電最為常見，約占總故障量的57%。根據(jù)相關(guān)報(bào)道[2]，內(nèi)部放電可分為四類：絕緣子內(nèi)部缺陷引起的放電、絕緣子表面附著導(dǎo)電微粒引起的放電、組裝部件位移引起的放電和導(dǎo)體連接處接觸不良引起的放電。GIS內(nèi)部放電造成的跳閘事故嚴(yán)重危害著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)GIS內(nèi)部放電故障，目前，國(guó)內(nèi)外已開展了多種帶電檢測(cè)手段，例如超聲、特高頻局放檢測(cè)、紅外測(cè)溫以及氣體組分檢測(cè)等，發(fā)現(xiàn)了多起典型案例[3-4]，但由于多數(shù)放電具有瞬時(shí)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，故障發(fā)生前很難有效的檢測(cè)出來，因此，通過深入分析事故原因，制定有效的預(yù)防措施可進(jìn)一步避免事故的發(fā)生。

本文以一起220kV GIS內(nèi)部放電故障為例，通過對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行解體檢查及試驗(yàn)，詳細(xì)分析事故的具體原因，制定相應(yīng)的處理方案，并提出了預(yù)防及反事故措施。

1　故障經(jīng)過

1.1開關(guān)跳閘情況

2014年8月23日06∶55分，某變電站220kV一出線間隔B相GIS設(shè)備發(fā)生故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，故障電流28.95kA，故障造成#2A母線所帶8組220kV斷路器相繼跳閘。監(jiān)控后臺(tái)顯示：220kV故障間隔-2刀閘氣室氣體密度低告警。

故障前，220kV故障間隔配合相鄰間隔內(nèi)部發(fā)熱消缺停電，無檢修工作，8月22日18∶37分故障間隔恢復(fù)送電，8月23日0∶52分，故障間隔開始帶負(fù)荷運(yùn)行，03∶00負(fù)荷電流穩(wěn)定在830A。

圖1　故障間隔故障前負(fù)荷曲線圖

1.2設(shè)備運(yùn)行情況

該站220kV GIS型號(hào)為ZF11-252/3150-50，2006 年5月27日投運(yùn)。該設(shè)備2008年后已發(fā)生過3次內(nèi)部放電擊穿故障。分別為2008年9月30日，220kV一出線母線側(cè)CT故障，導(dǎo)致220kV #1A母線跳閘，廠家確認(rèn)該CT內(nèi)使用了硫化絕緣膠板，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行及操作過程中電弧的作用下，硫分子析出，與導(dǎo)電桿接頭上所鍍的銀發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生硫化銀，噴到絕緣筒內(nèi)壁，造成CT內(nèi)部沿面放電。2013 年7月21日，因202-3刀閘B相氣室內(nèi)部故障，導(dǎo)致差動(dòng)電流速斷保護(hù)動(dòng)作，引起#2主變跳閘。2014 年8月13日，檢修人員紅外測(cè)溫發(fā)現(xiàn)該站220kV分段22F開關(guān)A相CT與22F-B刀閘之間發(fā)熱，高位筒體最高溫度為38.3℃，較底部筒體高出10℃?，F(xiàn)場(chǎng)初步分析為內(nèi)部導(dǎo)電體接觸不良導(dǎo)致發(fā)熱，立即申請(qǐng)停電處理。解體后檢查，經(jīng)檢修人員綜合判斷分析得出原因如下：①電連接導(dǎo)電座與小觸指座螺栓壓接不緊；②早期制造工藝不良，觸指不能與導(dǎo)電桿有效全部接觸，導(dǎo)致電流不能均勻通過觸指（27片），造成局部觸指發(fā)熱。

1.3現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)故障間隔-2刀閘B相氣室爆開，氣室內(nèi)接地刀閘碎裂，筒體內(nèi)部表面變色有明顯放電痕跡，動(dòng)靜觸頭燒灼嚴(yán)重，約有1cm間隙，吸附劑顆粒散落在下方絕緣子表面，周圍多處散落有絕緣盆、密封罩及刀閘傳動(dòng)機(jī)構(gòu)碎片。

圖2　故障間隔現(xiàn)場(chǎng)情況

圖3　故障相放電情況

2　故障原因分析

2.1觸頭插入深度分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，初步判斷故障間隔-2刀閘氣室內(nèi)部拉弧放電，燒蝕動(dòng)、靜觸頭及中間電連接屏蔽罩，內(nèi)部氣體壓力驟升，致使氣室爆開。

為進(jìn)一步分析故障原因，對(duì)故障間隔刀閘進(jìn)行返廠解體檢查，發(fā)現(xiàn)A、C相刀閘動(dòng)、靜觸頭均有不同程度的放電燒蝕痕跡。

圖4　A相動(dòng)、靜觸頭燒蝕情況

觀察發(fā)現(xiàn)A相靜觸頭27片觸指中，有部分觸指顏色較深，且基本均勻分布，初步分析由于插入深度不足導(dǎo)致部分觸指未接觸，接觸部分的觸指通流過熱后顏色發(fā)生變化，插入狀態(tài)無明顯偏心現(xiàn)象。

圖5　C相動(dòng)、靜觸頭燒蝕情況

C相靜觸頭燒蝕情況較A相嚴(yán)重，有一片弧觸指燒蝕融化，該片弧觸指對(duì)應(yīng)靜觸頭觸指位置燒蝕嚴(yán)重，判斷C相動(dòng)觸頭除插入深度不夠，還應(yīng)存在偏心情況。

故障間隔刀閘采用的是彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)，三相聯(lián)動(dòng)，B相隔離開關(guān)動(dòng)、靜觸頭在故障中燒損嚴(yán)重，無法通過尺寸測(cè)量判斷動(dòng)靜觸頭原始接觸狀態(tài)，因此，只能通過測(cè)量A、C相動(dòng)觸頭插入尺寸推斷B相動(dòng)觸頭故障前插入情況。通過測(cè)量，刀閘手動(dòng)合閘到位后插入深度為33mm，而對(duì)故障刀閘進(jìn)行電動(dòng)測(cè)試，測(cè)量A、C相動(dòng)觸頭插入深度分別為20mm 和23mm。與合閘到位后插入深度相比分別欠13mm 和10mm。

對(duì)A、C相故障前插入狀態(tài)復(fù)原，如圖6、圖7所示。

圖6　A相故障狀態(tài)復(fù)原

圖7　C相故障狀態(tài)復(fù)原

通過A、C相的故障狀態(tài)判定B相合閘不到位，即動(dòng)觸頭并未完全插入靜觸頭中，處于虛接狀態(tài)，導(dǎo)致動(dòng)、靜觸頭間拉弧放電。

2.2機(jī)構(gòu)輸出角度分析

為分析隔離開關(guān)合閘不到位原因，對(duì)故障隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)輸出角度進(jìn)行測(cè)量。該隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)分合閘轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)要求為76°～82°。對(duì)故障隔離開關(guān)，進(jìn)行電動(dòng)分合閘操作試驗(yàn)，轉(zhuǎn)角測(cè)量結(jié)果為分閘72.32°，合閘72.59°，不滿足設(shè)計(jì)要求。因此判定故障隔離開關(guān)合閘不到位的原因?yàn)椴賱?dòng)機(jī)構(gòu)輸出角度不夠。

為進(jìn)一步分析操動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出角度不夠的原因，對(duì)機(jī)構(gòu)彈簧進(jìn)行檢測(cè)。選取5根彈簧進(jìn)行計(jì)量（其中故障間隔-2隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)彈簧（項(xiàng)6彈簧）1根、故障間隔快速接地開關(guān)機(jī)構(gòu)彈簧（項(xiàng)5彈簧）1根、故障間隔-3隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)彈簧（項(xiàng)4彈簧）1根、現(xiàn)場(chǎng)更換下來的彈簧（項(xiàng)6彈簧）2根），檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1　彈簧檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)測(cè)量結(jié)果表明項(xiàng)4型號(hào)彈簧實(shí)測(cè)值在設(shè)計(jì)要求中心值以上，項(xiàng)5、項(xiàng)6型號(hào)彈簧實(shí)測(cè)值均在設(shè)計(jì)要求中心值以下，其中故障間隔-2隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)中彈簧P1值為1980N，P2值為3640N，均接近設(shè)計(jì)要求值下限。其中變電站現(xiàn)場(chǎng)檢查過程中，采用項(xiàng)4型號(hào)彈簧的-3隔離開關(guān)未發(fā)現(xiàn)合閘不到位情況，與檢測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)。而其余所有采用項(xiàng)5、項(xiàng)6型號(hào)彈簧的-1、-2隔離開關(guān)及快速接地開關(guān)均存在合閘不到位情況。因此判定機(jī)構(gòu)輸出角度不夠是由彈簧壓縮儲(chǔ)能不足引起的。

綜上所述，可得出如下結(jié)論：造成本次故障發(fā)生的直接原因?yàn)楣收细綦x開關(guān)合閘不到位，動(dòng)、靜觸頭處于虛接狀態(tài)，設(shè)備在運(yùn)行后動(dòng)、靜觸頭持續(xù)發(fā)熱，造成B相觸頭燒蝕，氣室內(nèi)部氣壓驟升，接地開關(guān)底座炸裂；造成故障隔離開關(guān)合閘不到位的根本原因?yàn)闄C(jī)構(gòu)彈簧儲(chǔ)能不能完全滿足合閘操作需要。機(jī)構(gòu)操作力設(shè)計(jì)裕度偏小，隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，其彈簧力值變化至設(shè)計(jì)要求下限后，不能保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備因銹蝕等原因造成阻尼增大后的可靠合閘。

3　處理及反事故措施

3.1停電處理方案

經(jīng)技術(shù)人員商討，處理方案確定為A段兩條母線同時(shí)停電檢修，整體更換故障間隔-1、-2、-3隔離開關(guān)。示意圖如圖8所示。

圖8　現(xiàn)場(chǎng)更換故障間隔部件示意圖

具體的工藝流程如下：

1）方案制定及前期準(zhǔn)備工作。

2）回收隔離開關(guān)、母線及套管氣室氣體至零表壓，將相鄰氣室壓力降至0.3MPa。

3）拆除一次引線、套管、分支母線及主導(dǎo)體。

4）拆除隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)及本體。

5）清理CT和分支母線氣室并打磨筒體接觸端面，更換吸附劑。

6）安裝隔離開關(guān)本體、機(jī)構(gòu)及套管，對(duì)本體、套管及母線氣室抽真空，注SF6氣體，二次接線。

7）靜置24h，進(jìn)行微水、直阻、檢漏試驗(yàn)，合格后進(jìn)行耐壓、局放試驗(yàn)。

8）恢復(fù)一次引線，清理現(xiàn)場(chǎng)。

GIS故障現(xiàn)場(chǎng)處理過程中需要注意以下問題：

1）作業(yè)環(huán)境要求：浮動(dòng)粉塵小于20CPM （0.2mg/m3）；相對(duì)濕度小于70%。

2）吸附劑的更換：不能在雨中或濕度大于80%時(shí)更換；吸附劑從密封裝置中取出到裝入設(shè)備在大氣中暴露時(shí)間應(yīng)盡量縮短，一般不超過15min，安裝好后應(yīng)立即對(duì)該設(shè)備氣室抽真空。

3）抽真空及充SF6氣體：抽真空到40Pa后關(guān)閉設(shè)備氣體入口閥門并靜置4h，之后打開閥門觀察靜置前后真空度變化值，若大于133Pa則應(yīng)再循環(huán)一次，若小于133Pa則繼續(xù)抽2h，充分利用真空狀態(tài)汽化設(shè)備內(nèi)的水分。抽真空結(jié)束后以緩慢的速度把SF6氣室氣體充至額定壓力。

4）耐壓試驗(yàn)：耐壓試驗(yàn)前必須把GIS上所有電流互感器的二次繞組抽頭短路并接地，同時(shí)斷開出線避雷器及電壓互感器，并可靠接地[5-6]。

3.2反事故措施

為防止此類事故再次發(fā)生，現(xiàn)有針對(duì)性的提出如下措施：

1）對(duì)同期同類產(chǎn)品GIS隔離、接地開關(guān)分、合閘位置指示劃線，以便確認(rèn)同類其他產(chǎn)品是否出現(xiàn)類似問題，若有應(yīng)盡快更換隔離、接地開關(guān)所配彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)中的彈簧。

2）運(yùn)維人員在進(jìn)行隔離開關(guān)和接地開關(guān)操作后，應(yīng)核對(duì)分合閘指示位置，確認(rèn)分合閘到位。隔離開關(guān)合閘送電后，應(yīng)立即進(jìn)行超聲波、特高頻局放檢測(cè)，并及時(shí)對(duì)操作合閘后的隔離開關(guān)氣室進(jìn)行紅外測(cè)溫及氣體組分測(cè)試，確保提早發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷。

3）加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行中的GIS設(shè)備進(jìn)行定期檢修維護(hù)，如除塵、除銹、去污以及轉(zhuǎn)動(dòng)部件增加潤(rùn)滑劑等措施。

4）積極開展帶電檢測(cè)工作，深入分析同設(shè)備不同時(shí)期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題妥善處理[7-8]。

4　結(jié)論

針對(duì)一起220kV GIS設(shè)備內(nèi)部放電故障，通過現(xiàn)場(chǎng)檢查及返廠解體試驗(yàn)等方法，確定了機(jī)構(gòu)輸出角度不夠是造成刀閘合閘不到位、運(yùn)行后刀閘觸頭發(fā)熱并最終導(dǎo)致氣室炸裂的主要原因，并經(jīng)過多次試驗(yàn)得出彈簧儲(chǔ)能不足是造成機(jī)構(gòu)輸出角度不夠的直接原因。

此類故障是變電站內(nèi)GIS電氣設(shè)備發(fā)生內(nèi)部放電的一個(gè)典型事例，故障輕者發(fā)生閃絡(luò)，重者導(dǎo)致殼體炸裂，嚴(yán)重危害著人身安全及電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，結(jié)合此次故障，分別從設(shè)備隱患排查、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)以及加強(qiáng)帶電檢測(cè)等方面提出了預(yù)防和反事故措施，確保設(shè)備在裝配后以最佳狀態(tài)運(yùn)行。另外，進(jìn)一步明確了專業(yè)技術(shù)人員在檢修中注意的要點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的質(zhì)量控制要求，以

進(jìn)一步規(guī)范GIS設(shè)備的檢修工藝流程。

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郭雷（1977-），男，山東濟(jì)寧人，高級(jí)工程師，主要從事高壓電氣設(shè)備管理方面工作。

作者簡(jiǎn)介