SF6氣體絕緣金屬封閉斷路器氣室的典型故障分析

任敬國，彭 飛，李 杰，鄭 建，師 偉

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250003）

SF6氣體絕緣金屬封閉斷路器氣室的典型故障分析

任敬國，彭 飛，李 杰，鄭 建，師 偉

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250003）

分析某變電站252 kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）斷路器氣室的典型故障，提出一種應(yīng)用于252 kV GIS設(shè)備斷路器氣室故障情況下的分析方法和流程。首先，利用紅外測溫和SF6氣體分解物分析儀定位故障氣室，現(xiàn)場打開觀察孔蓋，初步分析故障原因。接著，返廠解體檢查故障氣室的元部件，進(jìn)一步分析事故原因。然后，采用金屬成分分析和物相分析等試驗(yàn)方法確認(rèn)故障發(fā)生原因。最終，根據(jù)故障氣室內(nèi)部情況和試驗(yàn)結(jié)果確定準(zhǔn)確原因，從而為斷路器氣室的運(yùn)維檢修提供有效的參考。

GIS；組合電器；故障分析；斷路器氣室

0 引言

SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備 （Gas Insulated Switchgear，GIS）具有占地面積小、可靠性高、維護(hù)周期長等優(yōu)點(diǎn)，因此，被廣泛地應(yīng)用到電力系統(tǒng)變電站或電廠的主接線中。但是，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)、絕緣缺陷、密封不嚴(yán)、異物放電等原因造成GIS設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)，其故障氣室的查找和處理工作困難，檢修時(shí)間長且檢修工作量大。因此，GIS設(shè)備的帶電檢測、狀態(tài)檢修和故障分析一直是備受關(guān)注的問題［1-3］。

為了克服內(nèi)部故障對(duì)GIS設(shè)備所帶來的不利影響，需要從設(shè)備的設(shè)計(jì)、工藝、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)維和檢修等多方面進(jìn)行分析，減少設(shè)計(jì)與生產(chǎn)階段的不合理構(gòu)造和工藝，降低運(yùn)輸和安裝過程中的不利因素，加強(qiáng)變電設(shè)備運(yùn)維期間的監(jiān)控和帶電檢測，強(qiáng)化設(shè)備的狀態(tài)檢修，最大限度地提高GIS設(shè)備的可靠性。由于斷路器是GIS設(shè)備中最為重要的單元，因此，對(duì)斷路器氣室的典型故障進(jìn)行分析，有針對(duì)性地提升斷路器氣室的運(yùn)維檢修工作，能夠有效地減低斷路器氣室的故障率，大幅度地提高GIS設(shè)備的安全性和設(shè)備生命周期［4-7］。

以某變電站252 kV GIS斷路器氣室的嚴(yán)重故障為例，給出一種用于斷路器氣室典型故障分析的流程。故障發(fā)生后，利用紅外測溫和SF6氣體分解物測試儀定位故障氣室，并進(jìn)行現(xiàn)場開蓋檢查，初步估計(jì)故障程度和處理方案。然后，進(jìn)行返廠解體檢查，詳細(xì)地評(píng)估故障氣室內(nèi)部的故障程度，分析故障可能的發(fā)生原因和過程；接著，借助于金屬成分分析和物相分析等試驗(yàn)手段來確認(rèn)故障原因。最終，根據(jù)故障氣室內(nèi)部情況和試驗(yàn)結(jié)果確定準(zhǔn)確原因。

1 斷路器氣室故障情況

1.1 故障發(fā)生過程

2015年，某220 kV變電站220 kV母線A段母差保護(hù)、Y線路II線線路保護(hù)動(dòng)作，2A母線及X線路I線213、Y線路II線217斷路器跳閘，動(dòng)作電流30.4 kA。變電站220 kV側(cè)母線為雙母線雙分段接線，X線路I線和Y線路II線運(yùn)行于2A段母線。故障設(shè)備主接線如圖1所示。

圖1 故障前設(shè)備主接線方式

該變電站252 kV組合電器2008年7月生產(chǎn)，型號(hào)為ZF6A-252型，室外布置，于 2008年 11月投運(yùn)。

1.2 現(xiàn)場檢查與氣體分解物分析

現(xiàn)場巡視檢查，252 kV GIS設(shè)備外觀正常，設(shè)備本體接地極均無放電和灼傷痕跡。

經(jīng)現(xiàn)場紅外測溫，Y線路II線217斷路器氣室C相有明顯溫升。經(jīng)SF6氣體分解物測試儀測量，氣體SO2嚴(yán)重超標(biāo)，達(dá)到4 906 μg／mL，其他氣室檢測正常。試驗(yàn)結(jié)果見表1。據(jù)此，可判斷故障點(diǎn)在Y線路Ⅱ線C相斷路器氣室217內(nèi)。

表1 SF6分解物質(zhì)量濃度 μg／mL

1.3 現(xiàn)場解體檢查

現(xiàn)場拆開斷路器氣室的觀察孔蓋板，觀察氣室內(nèi)部的故障情況，如圖2所示。該氣室內(nèi)部有較多的白色粉末，斷路器氣室與下TA氣室導(dǎo)體連接處有對(duì)罐體放電的痕跡。各部件燒損情況具體如下：

經(jīng)現(xiàn)場巡視和解體檢查，初步確定氣室內(nèi)部故障位置位于217斷路器C相氣室與下TA氣室連接處，如圖2（a）所示。

打開217斷路器C相氣室的下部觀察孔，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有較多的白色粉末，觀察孔蓋板上也留有較多的白色粉末，如圖2（b）和圖2（c）所示。

發(fā)現(xiàn)217斷路器C相與下TA氣室導(dǎo)體連接處的屏蔽罩對(duì)罐壁燒灼、放電，罐壁上有較多黑色顆粒，如圖2（d）所示。

圖2 故障斷路器氣室現(xiàn)場解體檢查

2 返廠解體檢查

2.1 打開斷路器故障相盆式絕緣子后的檢查情況

打開C相斷路器與下TA氣室間的盆式絕緣子，從外側(cè)檢查滅弧室、屏蔽罩、罐壁和盆式絕緣子凸面的燒損情況。

斷路器內(nèi)的鑄導(dǎo)體連接面完全燒熔，屏蔽罩有一小部分燒損，罐壁上有明顯的放電灼燒痕跡，斷路器氣室內(nèi)部有大量放電后產(chǎn)生的白色粉末，如圖3（a）所示。

觸頭座和鑄導(dǎo)體間的連接螺釘熔斷，觸頭座完全失去與斷路器內(nèi)鑄導(dǎo)體的金屬連接，梅指觸頭的均壓罩有燒損，盆式絕緣子表面有大量的白色粉末和少量的黑色粉末，如圖3（b）所示。

觸頭座連接面出現(xiàn)大面積的燒熔，連接面局部金屬燒損較多。鑄導(dǎo)體和觸頭座間的連接螺釘全部熔化，觸頭座螺釘孔內(nèi)有較多的金屬殘留物。如圖3（c）和圖3（d）所示。

圖3 下TA盆式絕緣子檢查情況

2.2 移出斷路器故障相滅弧室后的檢查

移出217斷路器C相滅弧室后，檢查滅弧室鑄導(dǎo)體和屏蔽罩、氣室罐壁以及氣室底部情況。

鑄導(dǎo)體的連接面熔化較為嚴(yán)重，左上方有一處連接螺釘熔化后的部分，其他3處螺釘已無法分辨出。屏蔽罩的右下方有一處約30 cm2的燒損，上方有灼燒的痕跡，如圖4（a）所示。

鑄導(dǎo)體和觸頭座連接面的正下方，有較多螺釘熔化后流下的黑色金屬殘?jiān)?，如圖4（b）所示。

罐壁上有一處明顯的持續(xù)放電點(diǎn)，對(duì)罐壁的燒損較為嚴(yán)重，有明顯凹陷的洼坑，如圖4（c）所示。

滅弧室底部有大量放電后的白色粉末，且在鑄導(dǎo)體連接面的正下面有少量的黑色粉末，如圖4（d）所示。

圖4 移出斷路器故障相滅弧室后的檢查

根據(jù)解體檢查結(jié)果，懷疑故障原因是鑄導(dǎo)體和觸頭座連接處的螺釘松動(dòng)，接觸面產(chǎn)生間隙，導(dǎo)致連接螺釘和連接面熔化。接觸面的間隙導(dǎo)致懸浮放電的發(fā)生，結(jié)合高溫效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致SF6氣體的絕緣能力下降，最終造成連接面對(duì)罐壁發(fā)生放電。

2.3 斷路器正常相的解體檢查與對(duì)比

打開217斷路器B相與下TA氣室間的盆式絕緣子，檢查滅弧室、屏蔽罩、罐壁內(nèi)部和盆式絕緣子凸面，如圖5所示，并對(duì)比分析正常相解體檢查情況與故障相情況。

觸頭座與鑄導(dǎo)體連接良好，屏蔽罩完好且表面光滑，滅弧室內(nèi)未發(fā)現(xiàn)任何異物。

觸頭座的螺釘緊固標(biāo)識(shí)未發(fā)生變化，未發(fā)生螺釘松動(dòng)的情況。

梅指觸頭及其均壓罩內(nèi)未發(fā)現(xiàn)異常，盆式絕緣子表面清潔無異物。

圖5 正常相的解體檢查情況

3 后續(xù)試驗(yàn)分析

為了對(duì)放電原因進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)罐體粉末和觸頭螺釘孔內(nèi)殘余物進(jìn)行取樣分析?；贘Y／T 010—1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》和JY／T 009—1996《轉(zhuǎn)靶多晶體X射線衍射方法通則》，分別分析罐體內(nèi)粉末元素成分和物相組成，分析連接螺釘孔內(nèi)殘留物的成分。

經(jīng)過分析，GIS罐體粉末成分主要為F、Al、Cu、S、Fe和Ag，各元素含量如表2所示。物相組成為AlF3，并含有少量CuF2。F、S主要來源于SF6氣體，Al、Cu和Fe來源于內(nèi)部金屬部件和殼體，Ag來源于接觸面鍍層，未發(fā)現(xiàn)有異常元素成分。

螺釘孔內(nèi)殘留物化學(xué)成分主要為F、Cu、C、Al和Fe，各元素含量如表3所示。其中Fe的元素含量較低，表明螺釘已熔化脫落，對(duì)以上推斷結(jié)論提供有力的支撐。

表2 GIS罐體粉末成分

表3 螺釘孔內(nèi)殘留物成分

4 故障原因分析

通過對(duì)故障斷路器的解體檢查和試驗(yàn)分析，判斷此次斷路器的故障原因如下：

故障主要是由于鑄導(dǎo)體和觸頭座間的連接螺釘松動(dòng)造成的。在長期運(yùn)行情況下，運(yùn)行電流流過導(dǎo)體和觸頭座，產(chǎn)生相應(yīng)的電動(dòng)力而使連接部分振動(dòng)，使得鑄導(dǎo)體和觸頭座的連接螺釘逐漸松動(dòng)，進(jìn)而又加劇了振動(dòng)，這種循環(huán)效應(yīng)使得螺釘松動(dòng)持續(xù)發(fā)展。

螺釘?shù)乃蓜?dòng)導(dǎo)致鑄導(dǎo)體和觸頭座間產(chǎn)生間隙，接觸電阻增大。進(jìn)一步產(chǎn)生的效應(yīng)有：一是鑄導(dǎo)體和觸頭間產(chǎn)生電位差，在間隙處產(chǎn)生局部放電情況，進(jìn)而釋放大量的放電粒子到SF6氣體中，降低了氣體絕緣；二是接觸面上的溫度上升而逐漸熔化，導(dǎo)致間隙進(jìn)一步增大，同時(shí)促進(jìn)了局放放電的發(fā)展和帶電粒子的產(chǎn)生；三是隨著間隙的增大，運(yùn)行電流逐漸轉(zhuǎn)移到連接螺釘上，流過螺釘?shù)碾娏髦饾u增大導(dǎo)致螺釘逐漸熔化直至熔斷，導(dǎo)致間隙增大。

鑄導(dǎo)體和觸頭座間的間隙增大至一定程度后，兩者間產(chǎn)生了穩(wěn)定的電弧，電弧在電動(dòng)力作用下移動(dòng)到屏蔽罩附近將屏壁罩燒損，同時(shí)，減小了電弧與罐壁相貫處的距離。在高溫和放電粒子共同作用下，氣室內(nèi)的氣體絕緣降低，故形成了對(duì)罐壁相貫處的固定放電通道，在罐體上形成了凹陷的洼坑。罐體和導(dǎo)體上的黑斑為熔化的金屬和SF6分解物。

螺釘松動(dòng)的主要原因是在裝配過程中，螺釘裝配未符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，螺釘松緊不一，導(dǎo)致螺釘在長期運(yùn)行工況下緊固力矩逐漸減小，最終造成松動(dòng)。造成螺釘松緊不一的原因可能有3種：一是鑄導(dǎo)體和觸頭座連接處的螺釘未按規(guī)定力矩緊固；二是緊固時(shí)沒有使用力矩扳手；三是鑄導(dǎo)體上的部分螺釘孔內(nèi)鎖緊劑涂抹偏少。

5 結(jié)語

詳細(xì)分析某變電站252 kV GIS設(shè)備斷路器氣室的典型故障，給出了斷路器氣室故障的分析方法和流程。利用紅外測溫和SF6氣體分解物分析儀定位故障點(diǎn)，通過現(xiàn)場解體檢查、返廠解體檢查和金屬材料分析方法確定故障的準(zhǔn)確原因，并進(jìn)行詳細(xì)解釋說明。

為預(yù)防相同或者類似的事故再次發(fā)生，建議從設(shè)備制造和運(yùn)行維護(hù)兩方面加強(qiáng)管控：加強(qiáng)安裝工藝質(zhì)量管控，對(duì)螺釘?shù)木o固應(yīng)使用力矩扳手，緊固力矩應(yīng)達(dá)到規(guī)定值，鎖緊劑涂抹量應(yīng)保證在規(guī)定范圍內(nèi)；結(jié)合檢修計(jì)劃，利用測量回路電阻的方法來確定鑄導(dǎo)體與觸頭座連接面的連接情況，排除類似隱患；加強(qiáng)組合電器設(shè)備的帶電檢測工作，重點(diǎn)進(jìn)行斷路器與TA連接處的紅外精確測溫和局放測量。

［1］湯銘華.GIS組合電器典型故障分析及改進(jìn)［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2013.

［2］王晶晶.SF6全封閉式組合電器分解產(chǎn)物診斷技術(shù)應(yīng)用研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2013.

［3］胡紅紅，鐘建靈，鄭亞君.運(yùn)行中SF6全封閉組合電器的故障檢測［J］.中國電力，2010，43（12）：19-22.

［4］張宇嬌，莊曰平，程炯.SF6氣體絕緣全封閉組合電器故障分析［J］.高電壓技術(shù)，2005，31（1）：89-90.

［5］王彩雄，唐志國，常文治，等.氣體絕緣組合電器尖端放電發(fā)展過程的試驗(yàn)研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（11）：157-162.

［6］齊波，李成榕，耿弼博，等.GIS設(shè)備絕緣子高壓電極故障局部放電嚴(yán)重程度的診斷與評(píng)估［J］.高電壓技術(shù)，2011，37（7）：1 719-1 727.

［7］鄭建，任敬國，袁海燕，等.SF6氣體絕緣金屬封閉母線氣室的復(fù)雜故障分析［J］.山東電力技術(shù)，2015，42（12）：42-45.

Typical Fault Analysis Method of SF6Gas Insulated Switchgear Breaker-chamber

REN Jingguo，PENG Fei，LI Jie，ZHENG Jian，SHI Wei
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

A typical fault of gas insulated switchgear（GIS） breaker-chamber is analyzed and an analysis method and procedure for GIS breaker-chamber fault is proposed.First of all，the fault position can be located by the SF6decomposition detector and the infrared thermometer， and the preliminary analysis is made.Next， a thorough strip inspection can be conducted when chambers are returned to the factory and the specific analysis can be carried on.Then，the reason can be determined by some experiments，such as metal element analysis and phase analysis.The accurate reason can be determined finally by strip inspection results and experiment results，which can be referenced for the operation and maintenance of GIS breaker-chamber.

GIS；switchgear；fault analysis；breaker chamber

TM595

B

1007－9904（2017）03－0038－04

2016-10-26

任敬國（1986），男，博士，工程師，從事電力設(shè)備帶電檢測、狀態(tài)評(píng)價(jià)和故障診斷等工作。