一起1 100 kV GIS盆式絕緣子擊穿故障分析

劉 石， 蔣 鵬， 彭晨光， 邵先軍

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310000；2.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311200）

一起1 100 kV GIS盆式絕緣子擊穿故障分析

劉 石1， 蔣 鵬1， 彭晨光2， 邵先軍1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310000；2.國網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311200）

介紹某特高壓變電站一起1 100 kV GIS設(shè)備的盆式絕緣子內(nèi)部擊穿故障的發(fā)生過程，結(jié)合故障錄波、SF6氣體、局部放電在線監(jiān)測結(jié)果確定了故障氣室的位置，解體分析該氣室盆式絕緣子內(nèi)部擊穿故障，討論分析該故障可能的原因和發(fā)展過程，指出盆式絕緣子內(nèi)部貫穿性放電是由產(chǎn)品在制造過程中內(nèi)部存在空穴或異物缺陷導(dǎo)致的。

特高壓；GIS；盆式絕緣子；內(nèi)部擊穿

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）設(shè)備因占地面積少、安裝方便、檢修周期長等優(yōu)點在特高壓輸電工程中得到了廣泛應(yīng)用。盆式絕緣子是GIS的關(guān)鍵部件，起到隔離氣室、支撐導(dǎo)體的重要作用[1，2]。隨著特高壓工程的全面鋪開，作為GIS關(guān)鍵部件的1 100 kV盆式絕緣子的運行數(shù)量越來越多，實際運行情況表明，盡管現(xiàn)階段設(shè)備廠商生產(chǎn)盆式絕緣子的工藝、技術(shù)水平已經(jīng)有了巨大的進(jìn)步，但是只要生產(chǎn)、安裝過程中存在微小缺陷，就會造成嚴(yán)重事故，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。而且由于特高壓輸電輸送容量大、影響面廣的特殊性，單次事故就會造成重大的經(jīng)濟(jì)和社會影響。

1 故障事件概況

2015年6月14日21∶27∶58，某特高壓變電站1 000 kVⅠ母第一、二套母差保護(hù)動作，故障電流21.6 kA，持續(xù)時間約40 ms，故障相別為C相，2套母差保護(hù)均正確動作。

故障發(fā)生前，該變電站運行方式如圖1所示，T041開關(guān)、T042開關(guān)冷備用，XYⅠ線檢修，其余設(shè)備均按正常運行方式運行。

圖1 某變電站故障前一次主接線

1.1 故障錄波信息

現(xiàn)場檢查1 000 kVⅠ母第一、第二套母差保護(hù)動作跳閘，故障相別C相。故障電流21.6 kA，持續(xù)時間約40 ms。2套母差保護(hù)均正確動作。T051，T022，T011開關(guān)三相跳閘， 而 T012，T023，T043，T052，T053開關(guān)均未動作，可判斷故障不是發(fā)生在出線以外和Ⅱ母，而應(yīng)發(fā)生在Ⅰ母側(cè)。

1.2 SF6在線監(jiān)測檢查情況

通過后臺SF6在線監(jiān)測曲線圖發(fā)現(xiàn)預(yù)留T021開關(guān)間隔C相6號、8號氣室壓力不斷下降。其中8號氣室正常氣體壓力為0.41 MPa，于21∶13開始增大，21∶28左右達(dá)到最大值0.42 MPa，而后開始下降；6號氣室正常壓力為0.42 MPa，約于21∶28左右開始持續(xù)下降。初步判斷故障發(fā)生在預(yù)留T021開關(guān)間隔C相，需重點關(guān)注。

1.3 局部放電在線監(jiān)測檢查情況

根據(jù)投產(chǎn)以來后臺局部放電在線監(jiān)測情況，預(yù)留T021開關(guān)間隔C相的局部放電傳感器為G11 C相，于2015年4月15日有過1次告警（98次事件），共有34天出現(xiàn)過局部放電事件，次數(shù)為1～98次不等，除了1次形成告警，其余均未達(dá)到告警條件，類型主要為浮動電極放電。

6月8—14日，G11 C相氣室共有4天出現(xiàn)過局部放電事件：6月8日11次、6月 9日13次、6月10日7次、6月14日13次，均未達(dá)到告警條件。6月14日21∶15，G11傳感器出現(xiàn)事件信息，經(jīng)確認(rèn)是故障后開關(guān)、閘刀操作所引發(fā)。在線監(jiān)測設(shè)備未能提前檢測到局部放電信號。

2 故障氣室解體檢查

2.1 現(xiàn)場檢查情況

故障發(fā)生后，現(xiàn)場一次設(shè)備檢查發(fā)現(xiàn)T011，T022，T051開關(guān)三相分位，開關(guān)油壓正常；對重點關(guān)注的預(yù)留T021開關(guān)間隔C相進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)T0211隔離開關(guān)與T0221隔離開關(guān)之間的C相6號與8號氣室間隔盆澆注口外觀異常，并有漏氣現(xiàn)象。對C相相關(guān)氣室做SF6分解物檢測，發(fā)現(xiàn)6號和8號氣室結(jié)果異常，如表1所示，其余氣室均無異常分解物，由此判斷故障發(fā)生在6號與8號氣室。

考慮到現(xiàn)場環(huán)境較差，決定整體更換故障氣室，密封后返廠解體檢查。

2.2 返廠解體情況

2015年6月24日，對預(yù)留T021間隔6號、8號氣室放電筒體進(jìn)行解體，放電盆式絕緣子的凹面如圖2所示，該屏蔽罩下部有一明顯凹痕，在盆體裂口的左側(cè)和屏蔽罩的根部均存在大量黃色絮狀物。盆體裂口處存在大量炸裂的碎片，靠近中心嵌件和盆體中部位置的裂口較大，裂口向下逐漸減小，最終變成2條裂縫。

表1 SF6氣體分解產(chǎn)物檢測數(shù)據(jù)μL·L-1

圖2 盆式絕緣子凹面

盆式絕緣子的凸面如圖3、圖4所示，放電通道貫穿點位于嵌件的中部，該位置的導(dǎo)電橡膠已被燒蝕，在嵌件本體裸露出1個不規(guī)則的凹坑。盆體的右側(cè)裂口存在大量黃色絮狀物，這一位置恰好與凹面的絮狀物位于同一側(cè)。盆體裂口左側(cè)的電弧燒蝕痕跡尤為明顯，可以看出明顯的電弧發(fā)展通道，左側(cè)2條放射狀的黑色痕跡匯集并指向嵌件中心凹坑位置，而右側(cè)基本看不到明顯的電弧燒蝕痕跡。

從圖4來看，盆體的裂口從上到下基本上為由大到小，并在靠近邊緣處逐漸減弱為裂縫。解體后清理的脫落物在盆體內(nèi)部的斷裂面顏色最深，有明顯的碳化痕跡，而脫落物靠盆體表面一側(cè)雖然有很多黑灰，但是用水清洗之后就恢復(fù)白色，表明放電主通道在盆體內(nèi)部。盆體凸面裂口明顯比凹面大，裂口碳化燒蝕情況更嚴(yán)重，脫落物也更多，且凸面?zhèn)鹊拿撀湮锷⒙渚嚯x更遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)達(dá)到了5 m。這表明凸面在放電時所承受的能量強(qiáng)度和時間都遠(yuǎn)高于凹面，結(jié)合嵌件上的貫通點位置可以判斷出主放電通道在盆體內(nèi)部，且位于凸面的裂口。

2.3 解體現(xiàn)象分析

2.3.1 屏蔽罩表面凹痕

如圖2所示，屏蔽罩表面靠近絕緣子部分存在凹痕，這是由于絕緣子局部放電產(chǎn)生的電弧加熱周圍氣體，加熱后的氣流向上擴(kuò)散，帶動電弧向上飄，電弧的巨大熱量使屏蔽罩表面溫度劇烈升高、金屬材質(zhì)在高溫下軟化。最終當(dāng)盆體在劇烈的放電下炸裂時，碎片猛烈撞擊軟化后的屏蔽罩，在屏蔽罩上產(chǎn)生明顯的凹痕。電弧同時在屏蔽罩上留下黑色燒蝕痕跡。

2.3.2 屏蔽罩及盆子裂紋處的絮狀物

盆體裂口處和屏蔽罩上均有大量的黃色絮狀物，這是環(huán)氧在電弧高溫作用下汽化分解而來的，出現(xiàn)這一現(xiàn)象需要相對較長的時間，這表明在貫穿性放電前有較長時間的放電過程。從凸面看，盆體裂口為向右下方延伸的斜線，絮狀物都集中在盆體裂口的右側(cè)，這一側(cè)恰好位置相對靠上；從凹面看，絮狀物也分布在盆體裂口的左側(cè)，且越往上分布越密集，凹面的屏蔽罩也有大量的絮狀物，這一側(cè)位置也相對靠上。這是因為在電弧加熱產(chǎn)生的向上氣流作用下，環(huán)氧汽化后飄向位置靠上的斷口，當(dāng)溫度降低后附著在斷口上形成黃色絮狀物，同樣的，另一部分環(huán)氧汽化后向上飄到屏蔽罩底部，冷卻后形成絮狀物。中心嵌件處絮狀物分布最密集也是同一原因，此位置電弧持續(xù)時間最長、能量密度最高，所以分布最密集。

2.3.3 事故氣室SF6壓力變化情況

分析SF6在線監(jiān)測曲線可知：8號氣室21∶13開始增大，21∶28左右達(dá)到最大值0.42 MPa，而后開始下降；6號氣室正常壓力為0.42 MPa，于21∶28左右開始持續(xù)下降。8號氣室位于事故盆體的凹面?zhèn)?，SF6壓力表靠近事故盆體，6號氣室的SF6壓力表則相對離盆體較遠(yuǎn)，21∶13 8號氣室壓力開始增大，這說明在這一時刻盆體已經(jīng)出現(xiàn)裂紋和局部放電，局部放電加熱SF6氣體使其膨脹，由于8號氣室壓力表離盆體近，很快就檢測到壓力的變化。

在接近21∶28時，8號氣室快速上升，并在6號氣室壓力剛開始下降時略微超過其壓力，這是因為隨著裂紋的增大，6號氣室氣體加速進(jìn)入8號氣室，而與此同時局部放電也在不斷加劇，釋放出的熱量急劇增加，SF6氣體受熱膨脹使得盆體附近的氣壓快速增大，甚至在擊穿時刻從表計上看8號氣室壓力略高于6號氣室，實際上這只不過是因為2個氣室壓力表安裝位置不同而導(dǎo)致的差異。

21∶28左右，盆體擊穿，裂紋貫通，氣體開始通過裂紋向筒體外部泄漏，8號氣室、6號氣室均開始下降。

圖3 盆式絕緣子嵌件放電貫穿點

圖4 盆式絕緣子凸面主放電通道

3 故障原因分析

該盆式絕緣子結(jié)構(gòu)如圖5所示，在中心嵌件和環(huán)氧樹脂之間有一層導(dǎo)電橡膠，該導(dǎo)電橡膠以硅橡膠為基料，均勻摻入玻璃鍍銀、鋁鍍銀、銀等導(dǎo)電顆粒，既具有導(dǎo)電能力又具有粘接效果，起到應(yīng)力的過渡作用[3，4]。但是在環(huán)氧和中心嵌件之間加入導(dǎo)電橡膠層，增加了生產(chǎn)工序，加大了工藝難度，一旦生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題，極易在這一結(jié)合面上引入氣泡或雜質(zhì)。而這一結(jié)合面的邊緣恰好是金屬、SF6氣體以及絕緣材料的結(jié)合處，是整個盆式絕緣子上場強(qiáng)最集中區(qū)域[5]，氣泡或雜質(zhì)又會導(dǎo)致內(nèi)部高壓場強(qiáng)畸變，使缺陷在很低的電壓下產(chǎn)生局部放電。

圖5 盆式絕緣子結(jié)構(gòu)

局部放電產(chǎn)生的帶電質(zhì)點撞擊缺陷附近的絕緣材料，如果帶電質(zhì)點的動能足夠高，則有可能破壞絕緣材料的化學(xué)鍵，破壞支柱絕緣子的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)，使缺陷附近介質(zhì)表面不斷被腐蝕，使局部放電得以擴(kuò)大和延伸[6，7]；同時局部放電產(chǎn)生的空間電荷加強(qiáng)了局部電場，維持放電的不斷發(fā)展。此外，局部放電釋放的熱量會加熱缺陷附近介質(zhì)溫度，溫度升高會促進(jìn)絕緣材料的裂解、老化，增大介質(zhì)損耗和加速局部放電通道的發(fā)展。隨著局部放電通道的發(fā)展，放電通道周圍的絕緣材料快速劣化和老化，再一次加速局部放電通道的發(fā)展。直至放電通道發(fā)展至對側(cè)電極附近，剩余絕緣不足以承受工作電壓，局部放電通道將迅速發(fā)展成為明顯的擊穿通道，絕緣材料發(fā)生內(nèi)部貫穿性擊穿。在GIS運行條件下，因其導(dǎo)通電流較大，當(dāng)盆式絕緣子內(nèi)部發(fā)生貫穿性放電時，在巨大電流的作用下迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀》烹姡陔娀∽饔孟屡枋浇^緣子內(nèi)部被燒蝕碳化，盆體在高溫下炸裂。

4 結(jié)論與建議

對一起1 100 kV GIS盆式絕緣子內(nèi)部擊穿故障進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過故障錄波信息、SF6氣體壓力在線監(jiān)測曲線、SF6分解物檢測確定了故障的準(zhǔn)確位置。通過對返廠解體情況的詳細(xì)分析，認(rèn)為本次故障可能是由盆式絕緣子中心嵌件與環(huán)氧樹脂之間存在內(nèi)部絕緣缺陷所導(dǎo)致的。

盆式絕緣子是GIS設(shè)備的關(guān)鍵部分，建議廠家在以后的生產(chǎn)過程中要加強(qiáng)品控，尤其要提高中心嵌件、導(dǎo)電橡膠和環(huán)氧樹脂之間接觸面的工藝；要重視GIS設(shè)備的出廠試驗，尤其是局部放電時間；建議研究局部放電和典型缺陷之間的關(guān)系，加強(qiáng)設(shè)備運行中的帶電檢測工作，爭取及早發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)備隱患。

[1]劉振亞.特高壓交直流電網(wǎng)[M].北京：中國電力出版社，2014.

[2]劉振亞.特高壓交流輸電技術(shù)研究成果專輯（2008年）[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]陳允，于洋，崔博源，等.1 100 kV盆式絕緣子界面處理工藝及質(zhì)量管控措施[J].絕緣材料，2015，48（5）∶44-49.

[4]張宏建，李金玉，李仰平，等.環(huán)氧樹脂澆注件中內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生的形狀因素和防止措施[J].絕緣材料通訊，1999（5）∶26-28.

[5]許建春，盧鵬.1 100 kV GIS盆式絕緣子的性能[J].電力建設(shè)，2010，31（8）∶91-93.

[6]李盛濤，鄭曉泉.聚合物電樹枝化[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[7]鄭飛虎，張冶文，肖春.聚合物電介質(zhì)的擊穿與空間電荷的關(guān)系[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2006，24（2）∶316-320.

（本文編輯：徐 晗）

Analysis on Breakdown Failure in Basin-type Insulator of 1 100 kV GIS

LIU Shi1，JIANG Peng1，PENG Chenguang2，SHAO Xianjun1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Maintenance Company Branch，Hangzhou 311200，China）

In this paper，an inner breakdown failure of basin-type insulator in GIS of an UHV substation is introduced briefly.By combing the fault recording，SF6and online partial discharge monitoring，the faulty gas chamber is located accurately.By disassembly the inner breakdown fault of basin-type insulator in the gas chamber is analyzed，and the possible causes and degradation of this inner breakdown failure are analyzed.It is pointed out that the inner breakdown discharge is caused by cavities or foreign matters in the process of manufacture.

ultra-high voltage；GIS；basin-type insulator；inner breakdown

TM835.4

B

1007-1881（2016）10-0036-04

2016-03-28

劉 石（1987），男，工程師，從事電氣試驗工作。