氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備電壓互感器擊穿放電故障原因

牛建鴻, 曾慶忠, 王光明, 楊育京, 嚴 新

(西安西電高壓開關(guān)有限責任公司, 西安 710018)

在電力工業(yè)中，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear,簡稱GIS)是電力系統(tǒng)的重要設(shè)備，它將一座變電站中除變壓器以外的一次設(shè)備，包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端和進出線套管等，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計有機地組合成一個整體[1-2]。

電壓互感器(PT)是GIS中的關(guān)鍵元件之一,是專門用作電壓變換的特種變壓器，可將電力系統(tǒng)的高電壓按比例關(guān)系變換成標準二次電壓，對于維持變電站日常運行至關(guān)重要；PT又是發(fā)電廠、變電所等輸電和供電系統(tǒng)不可缺少的一種檢測元件，所提供的實時電壓檢測值可用于電力系統(tǒng)的電氣測量和電氣保護[3-5]。

隨著我國電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對PT性能提出了更高的要求，如果PT的絕緣性能出現(xiàn)問題，將引起PT放電，造成一次或二次繞組擊穿，引發(fā)繼電保護使得PT退出運行，電力線路停運[6-13]。為保證GIS安全運行，筆者根據(jù)相關(guān)文獻以及在多年實際生產(chǎn)中遇到的PT擊穿放電事故，對PT常見擊穿放電類型及其形成原因進行了分析，并提出相應(yīng)的措施，以期減少故障的發(fā)生。

1 PT工作原理

PT在正常工作條件下，其二次電壓實際上與一次電壓成正比，在連接方向正確時，二次電壓與一次電壓的相位差接近于零，PT的一次繞組與電力線路并聯(lián)，線路中的電壓就是互感器的一次電壓，二次繞組外部回路接有測量儀器、儀表或繼電保護、自動控制裝置等，其工作原理如圖1所示[14-15]。

圖1 PT工作原理圖Fig.1 PT working principle diagram

根據(jù)電力線路的電壓等級，PT的一次、二次繞組之間需要設(shè)置足夠的絕緣，以保證所有低壓設(shè)備與高電壓相隔離。

2 PT擊穿放電原因分析及預(yù)防措施

2.1 油類污染引起的擊穿放電

PT在現(xiàn)場安裝時，由于抽真空處理過程未嚴格按操作規(guī)范進行，導(dǎo)致真空泵內(nèi)的油倒流，進入PT氣室中，造成氣室的屏蔽罩或PT線圈等沾染油污。運行前期，真空泵內(nèi)的油作為絕緣油的一種可視作絕緣體，但隨著PT氣室中的一次高壓作用，產(chǎn)生局部放電，導(dǎo)致絕緣油碳化，即絕緣油在高壓作用下，分子鏈分解斷裂形成碳化物，在屏蔽罩或PT線圈上形成黑色附著層，進而形成放電通道，致使PT放電擊穿，如圖2所示。

圖2 油類污染引起的PT放電Fig.2 PT discharge caused by oil pollution: a) coil after PT discharge; b) discharge disc insulator

因此，無論是在PT的生產(chǎn)廠家，還是在安裝現(xiàn)場，抽真空處理時，必須嚴格按標準操作規(guī)范進行，并做好記錄。一旦可能發(fā)生真空泵油倒流的現(xiàn)象，必須按規(guī)定對PT產(chǎn)品進行解體檢查，然后重新安裝；同時，對抽真空的機組需盡可能采用防止真空油倒流的控制裝置，避免對PT氣室形成危害。

2.2 鐵芯夾帶異物引起的擊穿放電

PT在現(xiàn)場運行的安裝方式處于倒裝狀態(tài)時，如圖3所示，由于其運輸、生產(chǎn)過程是正立狀態(tài)，一旦產(chǎn)品在裝配過程中不小心帶入異物，夾在鐵芯或部件的某個部位，當產(chǎn)品帶電運行后，在電磁場作用下鐵芯等產(chǎn)生微小的振動，加上產(chǎn)品倒裝，會導(dǎo)致異物掉落。當異物飄落于間隙距離最小處(即高壓導(dǎo)體與低壓軀殼拔口處電場最不均勻的地方)，電場將產(chǎn)生局部畸變，引起高壓導(dǎo)體對軀殼放電，放電產(chǎn)物噴濺后導(dǎo)致SF6氣體被污染，之后可能引起線圈外側(cè)的均壓屏蔽對軀殼放電、一次線圈沿面放電、絕緣盆子表面放電等一系列不規(guī)則的貫穿性放電現(xiàn)象。

圖3 倒裝狀態(tài)的PT示意圖Fig.3 PT schematic diagram of inverted state

為杜絕上述原因引起的故障，要求在PT鐵芯進行疊裝之前，每片硅鋼鐵芯使用無水酒精進行清潔擦拭，而且疊裝時需要使用疊裝專用工裝，防止由于摩擦產(chǎn)生金屬粉末夾帶于硅鋼鐵芯之中，再隨鐵芯裝配而進入PT氣室中，在PT后期運行引發(fā)故障。

2.3 氣室中微量水分引起的擊穿放電

PT的二次線圈繞線匝數(shù)高達數(shù)萬匝，由于其線圈層間使用的聚酯薄膜絕緣材料、漆包線表面絕緣漆、鐵芯硅鋼片表面的油漆以及PT軀殼內(nèi)表面的油漆等材料均為高分子材料，其表面極易吸附空氣中的微量水分，如果PT線圈在裝配前未嚴格按工藝文件要求進行加熱除潮處理，則容易夾帶部分水分進入PT氣室中。PT運行過程中，由于高壓線圈內(nèi)部溫度較高，其中的微量水分隨即散發(fā)于PT氣室中，如果此時PT氣室中部分零部件存在尖角、毛刺等缺陷，在高電壓的作用下，會產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。氣室中作為絕緣介質(zhì)的SF6氣體可能發(fā)生分解，這些分解物與水發(fā)生化學反應(yīng)，形成具有腐蝕性的氫氟酸、硫酸等腐蝕聚酯薄膜、鋁導(dǎo)體等零部件，從而引發(fā)短路故障。短路大電流會瞬間產(chǎn)生大量熱量，引起絕緣材料氣化變質(zhì)，形成絮狀、粉狀、氧化狀等損壞形態(tài)，圖4為典型的絕緣材料絮狀缺陷引起的PT放電。

圖4 絕緣材料絮狀缺陷引起的PT放電Fig.4 PT discharge caused by flocculent defects of insulating materials

為了盡可能減少PT中水分含量，在產(chǎn)品裝配中，必須嚴格按照裝配工藝文件要求，對PT所使用的一次線圈和二次線圈進行加熱烘干處理，同時保證繞線工序所處的工作環(huán)境達到工藝文件規(guī)定的潔凈度、溫度和濕度要求，嚴格控制在PT繞線工序生產(chǎn)中可能對產(chǎn)品產(chǎn)生不利影響的因素。

2.4 雜質(zhì)引起的擊穿放電

某次PT在現(xiàn)場發(fā)生放電擊穿事故后，對產(chǎn)品進行解體，如圖5所示，可見PT線圈、環(huán)氧澆注絕緣子、安裝線圈底板和軀殼上均布滿粉塵以及放電擊穿所產(chǎn)生的痕跡，與圖6所示的裝配過程中潔凈線圈及底板的現(xiàn)場安裝圖對比，明顯可見發(fā)生故障的產(chǎn)品內(nèi)部存在許多放電粉塵，此時PT運行狀態(tài)不良。

圖5 PT放電后的產(chǎn)品解體形貌Fig.5 Product disassembly appearance after PT discharge: a) coil; b) base plate; c) body

圖6 裝配中潔凈的PT線圈及底板Fig.6 Clean PT coil and base plate during assembly

對PT整體裝配過程分析研究之后，提出為防止裝配過程中引入灰塵等異物，要求定期檢測PT裝配環(huán)境潔凈度,定期更換試驗用SF6氣體;對裝配前涂覆了防銹油脂的零部件必須進行清洗、烘干等，從而避免在裝配階段引入灰塵、異物等；對產(chǎn)品密封面按工藝文件要求涂覆密封膠，防止在產(chǎn)品安裝后微塵等從密封面縫隙滲入產(chǎn)品內(nèi)部。

2.5 鐵磁諧振引起的擊穿放電

在電力系統(tǒng)中有許多鐵芯電感元件，如發(fā)電機、變壓器、電壓互感器、消弧線圈和并聯(lián)補償電抗器等，這些元件大部分為非線性電感元件，它能和系統(tǒng)中的電容元件組成許多復(fù)雜的振蕩回路，在某種大的擾動或操作影響下，非線性電感元件達到飽和狀態(tài)，從而與線路和設(shè)備電容形成特殊的單相或三相共振回路，激發(fā)起持續(xù)的、較高幅值的過電壓或過電流，即鐵磁諧振。

PT發(fā)生鐵磁諧振時，形成諧振過電壓，同時伴隨有較大的過電流，加之諧振持續(xù)時間很長，會在產(chǎn)品內(nèi)部產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致線包內(nèi)部固化膠體融化，使線包固定失效產(chǎn)生位移，最終導(dǎo)致放電。放電污染了SF6氣體絕緣介質(zhì)，使高壓線圈的絕緣性被破壞，造成產(chǎn)品的進一步放電，嚴重情況下甚至能引發(fā)PT爆炸。圖7為鐵磁諧振引起的PT擊穿放電，造成了屏蔽移動故障。

圖7 鐵磁諧振引起的PT放電Fig.7 PT discharge caused by ferroresonance

為增強PT防鐵磁諧振變形能力，首先，PT一次和二次繞組應(yīng)選取優(yōu)質(zhì)銅導(dǎo)線，且導(dǎo)線截面積要盡可能大，以增強產(chǎn)品耐受過電流的能力；另外，要求對緊固螺釘按工藝要求的緊固力矩緊固；特殊螺釘涂覆緊固膠緊固；運輸期間使用沖擊記錄儀記錄運輸過程是否產(chǎn)生了過量沖擊，使PT產(chǎn)品在運輸過程中其薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生損壞。

3 結(jié)論及建議

針對PT產(chǎn)品發(fā)生的擊穿放電故障，總結(jié)出引起擊穿放電故障的主要因素有油類污染、鐵芯夾帶異物、微量水分、雜質(zhì)以及鐵磁諧振等。為減少上述故障的發(fā)生，在PT生產(chǎn)過程中必須嚴格做到以下幾點。

(1) PT裝配過程中的抽真空工序，需嚴格按工藝文件的規(guī)范執(zhí)行，同時填寫相應(yīng)的抽真空記錄。

(2) PT裝配所涉及的各種零部件，需進行清洗和清理，按規(guī)定使用裝配工裝。

(3) PT所用的一次線圈和二次線圈，需嚴格執(zhí)行加熱烘干工藝。

(4) 定期檢測PT裝配環(huán)境的潔凈度，定期更換試驗用SF6氣體，對產(chǎn)品密封面按工藝文件的要求涂覆密封膠等。

(5) PT繞組選取優(yōu)質(zhì)銅導(dǎo)線且導(dǎo)線的截面積應(yīng)盡可能大;對緊固螺釘按工藝要求的緊固力矩緊固，特殊螺釘涂覆緊固膠緊固；運輸期間使用沖擊記錄儀記錄運輸過程是否產(chǎn)生過量沖擊等，增強PT防鐵磁諧振變形的能力。