一例220kVGIS盆式絕緣子接地故障分析與處理

江西省港投集團(tuán)井岡山航電樞紐 尹曉軍 曾 華

GIS設(shè)備具有絕緣性能強(qiáng)、占地面積小、可靠性高、安裝方便、檢修周期長等諸多優(yōu)點(diǎn)，是高壓設(shè)備室內(nèi)布置的理想選擇。為了便于設(shè)備安裝及檢修，GIS往往被設(shè)計(jì)成獨(dú)立的隔室，隔室與隔室之間通過盆式絕緣子進(jìn)行連接、隔離及絕緣。因此盆式絕緣子是保障GIS設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要部件，其內(nèi)部含有氣泡或雜質(zhì)是導(dǎo)致GIS運(yùn)行時(shí)發(fā)生故障的主要原因。

某新建水電廠為燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)133MW，單機(jī)額定功率為22.17MW，機(jī)端額定電壓為10.5kV，采用單母線接線，發(fā)電機(jī)與主變采用“兩機(jī)一變”擴(kuò)大單元接線，通過主變升壓至220kV，220kV亦為單母線接線且采用室內(nèi)布置GIS設(shè)備，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能通過220kV線路送出至對側(cè)220kV變電站。

2020年12月22日某新建水電廠進(jìn)行首臺機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)試驗(yàn)工作，在用首臺機(jī)組對10.5kVⅠ段母線、#1主變、220kVⅠ段母線完成零起升壓及同源核相，正常后、斷開機(jī)組出口斷路器。采用反送電方式對220kV線路及母線充電正常后，計(jì)劃對#1主變進(jìn)行5次沖擊試驗(yàn)（主變高壓側(cè)中性點(diǎn)接地開關(guān)在合位）。12月23日02時(shí)04分#1主變進(jìn)行第一次沖擊后設(shè)備運(yùn)行正常，間隔10min后再次合上#1主變高壓側(cè)201QF開關(guān)對主變進(jìn)行第二次沖擊試驗(yàn)，02時(shí)14分28秒主控室后臺監(jiān)控機(jī)報(bào)“#1主變A套差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作”、“#1主變B套差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作”、“#1主變保護(hù)關(guān)閉導(dǎo)葉動(dòng)作”、“開關(guān)站220kV母線A套保護(hù)動(dòng)作”、“開關(guān)站220kV母線B套保護(hù)動(dòng)作”，“#1主變高壓側(cè)201QF斷路器跳閘”、“220kV線路211QF斷路器跳閘”。

#1主變型號：S11-50000/242、Y/△聯(lián)結(jié)，廠家為正泰電氣股份有限公司；220kV#1主變A套保護(hù)裝置型號：國電南自PST1200U，B套保護(hù)裝置型號：北京四方CSC-316MH；220kV母線A套保護(hù)裝置型號：國電南自SGB-750A，B套保護(hù)裝置型號：北京四方CSC-150A；#1主變差動(dòng)保護(hù)CT變比1700/1，母線差動(dòng)保護(hù)CT變比1700/1。

1 現(xiàn)場檢查及原因分析

故障發(fā)生后，立即現(xiàn)場對220kV#1主變本體、#1主變高壓側(cè)GIS間隔、220kVI母GIS間隔、#1主變低壓側(cè)間隔開關(guān)柜設(shè)備進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。同時(shí)對二次設(shè)備進(jìn)行檢查，220kV線路兩套保護(hù)裝置均未動(dòng)作。但02時(shí)14分24秒985毫秒，220kV#1主變A套保護(hù)（PST1200U）主保護(hù)啟動(dòng)后2865ms縱差差動(dòng)速斷動(dòng)作，A相差流9.249A、B相差流9.247A、C相差流0.005A，高壓側(cè)負(fù)序電壓為15.645V，高壓側(cè) 低 電 壓 為Uab=41.016V、Ubc=22.831V、Uca=53.585V。02時(shí)14分24秒988毫秒，#1主B套保護(hù)（CSC-316MH）保護(hù)啟動(dòng)2843ms后差動(dòng)速斷動(dòng)作，A相差動(dòng)電流Idiff=2.422A、B相差動(dòng)電流Idiff=2.406A。2858ms后比率差動(dòng)動(dòng)作，A相差動(dòng)電流Idiff=8.250A、制動(dòng)電流Ires=4.125A，B相差動(dòng)電流Idiff=8.250A、制動(dòng)電流Ires=4.125A。A、B套保護(hù)“差動(dòng)速斷電流”定值0.35A（5Ie），“差動(dòng)最小動(dòng)作電流”定值0.03A（0.45Ie）。

02時(shí)14分27秒824毫秒220kV母線A套保護(hù)（SGB-750）差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，45ms后I母差動(dòng)動(dòng)作，故障相BN，大差及小差A(yù)相差動(dòng)電流0.009A，制動(dòng)電流0.182A，大差及小差B相差動(dòng)電流3.824A，制動(dòng)電流3.829A，大差及小差C相差動(dòng)電流0.010A，制動(dòng)電流0.174A。02時(shí)14分27秒824毫秒B套保護(hù)（CSC-150D）差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，11ms后I母差動(dòng)動(dòng)作，B相大差及小差差流Icd=1.789A，A、B套保護(hù)“差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)電流”定值均為0.58A。

查看#1主變A、B套保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告，發(fā)現(xiàn)故障時(shí)主變高壓側(cè)B相電流IHB突然增大，A相電流IHA、C相電流IHC基本為0，且主變高壓側(cè)中性有零序電流I0H。查看故障錄波波形，220kVI母B相電壓Ub發(fā)生突降，母線PT開口三角零序電壓3U0突增。綜合分析，很明顯B相發(fā)生了接地故障。受此影響，220kV線路B相電壓（線路PT采集）有被拉低的現(xiàn)象，并短時(shí)有零序電壓產(chǎn)生。

因主變高低壓側(cè)采用Y/△接線，高低壓側(cè)有30°相角差，而北京四方及國電南自主變保護(hù)裝置高壓側(cè)采集的電流均采用軟件進(jìn)行相角換算（即Y側(cè)電流換算至△側(cè)）。#1主變高壓側(cè)B相發(fā)生單相接地故障時(shí)，B相有故障電流，A、C相無電流，因#2機(jī)組處于空載，出口斷路器已斷開，機(jī)端無電流，即主變差動(dòng)保護(hù)低壓側(cè)（機(jī)組）電流為0，高壓側(cè)為故障電流。由換算公式 可知，A相、B相均有差動(dòng)電流產(chǎn)生，可以印證主變A、B套保護(hù)裝置動(dòng)作的正確性。但兩套保護(hù)裝置的差動(dòng)電流不完全一致，可能與主變沖擊時(shí)故障初始時(shí)刻，保護(hù)采樣受勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的高次諧波及非周期分量干擾有關(guān)。

調(diào)閱保信子站（故障錄波裝置上傳）#1主變高壓側(cè)電流波形圖，發(fā)現(xiàn)B相有故障電流，A、C相亦有故障電流，經(jīng)分析，A、C相電流波形相同，幅值和相位基本一致且幅值很小，而B相電流相位與A、C相相差約180°且幅值很大，與上述主變保護(hù)的采樣波形相矛盾。經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)檢查及比較分析，確定#1主變保護(hù)與故障錄波裝置采集的主變高壓側(cè)電流分別取自同一CT的不同二次繞組，且發(fā)現(xiàn)故障錄波裝置端子排上主變高壓側(cè)三相電流星形接線的中性線接線錯(cuò)位，即外部CT引入的中性線接在了空端子上，未與裝置內(nèi)部三相電流的中性點(diǎn)連在一起，相當(dāng)于中性線斷線。從而導(dǎo)致主變高壓側(cè)B相接地故障時(shí)，B相二次側(cè)故障電流與A、C兩相構(gòu)成回路，A、C相成為B相故障電流的分流通道，即IB=IA+IC。

綜上所述，初步推測#1主變高壓側(cè)B相發(fā)生了接地故障，故障應(yīng)在“#1主變差動(dòng)和220kV母線差動(dòng)交叉保護(hù)范圍內(nèi)”，即故障點(diǎn)在220kV#1主變高壓側(cè)201QF斷路器靠母線側(cè)CT與主變側(cè)CT之間，但具體部位不明，需解體檢查。

2 故障排查及處理

為排查故障是否因設(shè)備絕緣受損所致，用5000V絕緣電阻測試儀分別對220kV#1主變201QF斷路器GIS間隔三相主回路對地進(jìn)行絕緣檢測，未發(fā)現(xiàn)異常。同時(shí)，為排查GIS內(nèi)SF6氣體是否因故障被分解，采用SF6氣體分解產(chǎn)物測試儀，首先對#1主變高壓側(cè)GIS間隔CB（201QF斷路器腔室）三相獨(dú)立氣室SF6氣體組分進(jìn)行檢測，SO2、H2S、CO氣體含量均為0ppm，無異常。接著檢測G2（201QF斷路器至#1主變側(cè)腔室）三相連通氣室內(nèi)SF6氣體組分時(shí)，H2S、CO氣體含量均為0ppm，但發(fā)現(xiàn)SO2氣體含量為18.6ppm，大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10ppm警示值。最后對G1（201QF斷路器至母線側(cè)腔室）三相連通氣室內(nèi)SF6氣體組分進(jìn)行檢測，SO2、H2S、CO氣體含量均為0ppm、無異常。通過檢測，初步判斷G2氣室內(nèi)存在故障，但具體故障部位需對該GIS氣室進(jìn)行解體檢查后才能確定。

用SF6氣體回收裝置回收G2氣室SF6氣體，打開其頂部封板，對G2腔體內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)檢查未發(fā)現(xiàn)異常。再回收CB氣室SF6氣體，拆除G2氣室兩側(cè)法蘭面螺栓，分段解體吊出進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)G2腔體內(nèi)、靠主變側(cè)的B相CT一次導(dǎo)電桿及其端部金屬表面上密布不規(guī)則的放電凹點(diǎn)，其中導(dǎo)電桿上有一處凹點(diǎn)大且深、應(yīng)為主放電點(diǎn)。同時(shí)與201QF斷路器連接的盆式絕緣子有大面積變色發(fā)黑的現(xiàn)象，B相CT套管內(nèi)壁上亦有明顯燒熔的放電點(diǎn)及發(fā)黑的邊沿。為排除其他故障，對G2腔體內(nèi)A、C兩相CT氣室內(nèi)盆式絕緣子、導(dǎo)電桿等部位，以及對CB三相氣室內(nèi)部及導(dǎo)電連接件進(jìn)行仔細(xì)檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常及放電痕跡。

綜上可判定故障部位：220kV#1主變高壓側(cè)GIS間隔B相201QF斷路器與主變側(cè)CT連接的盆式絕緣子。故障部位確定后，更換B相故障盆式絕緣子，按裝配圖樣對解體設(shè)備進(jìn)行恢復(fù)，再分別對G2、CB氣室抽真空，在真空度達(dá)到廠家標(biāo)準(zhǔn)要求后，充入SF6氣體至額定值（G2氣室0.58MPa、CB氣室0.62MPa）。待靜置無異常后抽取SF6氣體進(jìn)行微水試驗(yàn)，GIS氣密性及氣室SF6氣體水分含量均符合要求。進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)，測量主回路直流電阻、三相對地絕緣電阻，數(shù)據(jù)均無異常。常規(guī)試驗(yàn)后，采用單相加壓方式（另兩相接地)，逐相對220kV#1主變間隔GIS設(shè)備進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。

交流耐壓合格后，重新向調(diào)度申請進(jìn)行并網(wǎng)操作，經(jīng)對220kVI母3次沖擊合閘試驗(yàn)、對#1主變進(jìn)行5次沖擊合閘試驗(yàn)合格后，220kV線路、I母及#1主變成功并網(wǎng)帶電運(yùn)行。

3 結(jié)論

220kV#1主變高壓側(cè)B相201QF斷路器與主變側(cè)CT連接的盆式絕緣子，因質(zhì)量問題，在#1主變進(jìn)行第二次沖擊合閘試驗(yàn)時(shí)，推測靠#1主變側(cè)的B相CT一次回路導(dǎo)電桿對與201QF斷路器連接的盆式絕緣子發(fā)生放電，由于盆式絕緣子外圓周為鋁制金屬，其連接的套管外殼通過銅排與主地網(wǎng)相連，導(dǎo)致B相發(fā)生接地故障。放電時(shí)，強(qiáng)烈的弧光形成的高溫迅速將盆式絕緣子一側(cè)碳化烤黑，G2氣室內(nèi)SF6氣體也被弧光分解，使得該氣室內(nèi)SO2氣體含量超標(biāo)。同時(shí)，B相CT一次回路導(dǎo)電桿主放電點(diǎn)應(yīng)還對CT套管內(nèi)壁發(fā)生放電，以致其內(nèi)壁上亦有被燒熔的痕跡。并在導(dǎo)電桿至盆式絕緣子的放電路徑上還應(yīng)發(fā)生了沿面閃絡(luò)放電，從而使導(dǎo)電桿端部表面密布大小不一、不規(guī)則的凹坑。

由于故障點(diǎn)發(fā)生在220kV#1主變差動(dòng)保護(hù)與220kVI母差動(dòng)保護(hù)交叉保護(hù)范圍內(nèi)，因此，220kV#1主變A、B套差動(dòng)保護(hù)，220kVI母A、B套差動(dòng)保護(hù)均動(dòng)作出口，220kV#1主變高壓側(cè)201QF斷路器、220kV線路211QF斷路器先后跳閘。因220kV線路保護(hù)啟動(dòng)遠(yuǎn)方跳閘功能投入，211QF斷路器跳閘后啟動(dòng)遠(yuǎn)跳，將線路對側(cè)214QF斷路器跳開。同時(shí)，在#1主變差動(dòng)保護(hù)出口后監(jiān)控系統(tǒng)SOE事故動(dòng)作，#1機(jī)組調(diào)速器緊急停機(jī)動(dòng)作關(guān)導(dǎo)葉，使當(dāng)時(shí)處于空轉(zhuǎn)運(yùn)行的#1機(jī)組停機(jī)。