GIS設(shè)備盆式絕緣子擊穿故障原因分析及處理探討

劉平（國(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南長(zhǎng)沙410213）

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GIS設(shè)備盆式絕緣子擊穿故障原因分析及處理探討

劉平
（國(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南長(zhǎng)沙410213）

摘要：SF6全封閉組合電器體積小、技術(shù)性能優(yōu)良，是20世紀(jì)70年代初期出現(xiàn)的一種先進(jìn)的高壓電氣配電裝置。國(guó)際上稱這種電器為Gas-Insulater Switchgear，簡(jiǎn)稱為GIS。GIS設(shè)備具有優(yōu)良的技術(shù)性能和占地面積少的特點(diǎn)，維護(hù)工作量小，所以近年來(lái)應(yīng)用發(fā)展十分迅速。由于GIS設(shè)備對(duì)安裝與檢修的工藝要求十分高，所以，在安裝投運(yùn)初期容易發(fā)生事故。本文對(duì)某電站首次帶電試運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的隔離開(kāi)關(guān)氣室盆式絕緣子擊穿故障進(jìn)行分析探討，并提出了相應(yīng)的防范措施。

關(guān)鍵詞：GIS；盆式絕緣子；擊穿；分析；處理

1工程概述

某電站安裝4臺(tái)立式單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，單機(jī)容量（發(fā)電工況）300 MW，總裝機(jī)容量1 200 MW，以一回500 kV電壓等級(jí)并入電網(wǎng)。擔(dān)負(fù)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等任務(wù)。電站樞紐建筑物包括上庫(kù)、下庫(kù)、引水系統(tǒng)、廠房洞室群及500 kV地面開(kāi)關(guān)站與副廠房等。

電站500 kV GIS由地下和地上兩部分組成，以兩回500 kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜連接，所用500 kV干式電纜終端為國(guó)內(nèi)首次使用。地上GIS以一回出線與出線平臺(tái)設(shè)備相連，預(yù)留一回出線。GIS設(shè)備包括管母線、斷路器、隔離刀閘、接地刀閘、快速接地刀閘、避雷器、電容式電壓互感器、出線SF6-空氣套管等。設(shè)備型號(hào)為ZF15－550，額定電壓550 kV，額定電流4 000 A，是國(guó)內(nèi)首套應(yīng)用于抽水蓄能電站的GIS設(shè)備。

2設(shè)備技術(shù)參數(shù)

設(shè)備型號(hào)：ZF15-550

額定電壓：550 kV

額定頻率：50 Hz

額定電流：4 000 A

額定短時(shí)耐受電流(有效值)：63 kA

額定短路持續(xù)時(shí)間：3 s

額定峰值耐受電流：171 kA

SF6年漏氣率：小于0.5 %

斷路器氣室SF6氣體額定壓力：0.60 MPa

其他氣室SF6氣體額定壓力：0.4 MPa

3故障過(guò)程

該電站GIS設(shè)備于2009年4月30日14：16開(kāi)始帶電試運(yùn)行，未帶負(fù)載，5月1日下午19：34分，1 號(hào)/2號(hào)主變間隔50013隔離開(kāi)關(guān)B相氣室內(nèi)部發(fā)生對(duì)地放電故障，查得放電短路電流約15 kA，故障發(fā)生后，我廠500 kV短線保護(hù)未動(dòng)作，140 ms后線路對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘。故障后現(xiàn)場(chǎng)檢查有明顯漏氣聲。

故障140 ms后對(duì)側(cè)變電站接地距離二段動(dòng)作切除故障。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生后該電站短線差動(dòng)保護(hù)A、B套均未動(dòng)作，控制面板上無(wú)任何動(dòng)作信號(hào)及報(bào)警信號(hào)，主變A、B套復(fù)壓過(guò)流保護(hù)、主變零序Ⅰ、Ⅱ段保護(hù)啟動(dòng)報(bào)警燈亮，無(wú)出口信號(hào)。

5月2日晚，廠家技術(shù)人員趕到現(xiàn)場(chǎng)并對(duì)故障部位進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)氣室內(nèi)有大量的粉塵和分解物，隔離開(kāi)關(guān)與TA氣室間的盆式絕緣子有兩條貫穿的裂紋，并且炸裂一大塊，相鄰的CT罐內(nèi)的導(dǎo)體上有220×340 mm2的橢圓形漆層被碳化。隔離開(kāi)關(guān)氣室后部的盆式絕緣子（通盆）表面被電弧熏黑，隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)、靜觸指座屏蔽罩被電弧燒出了孔洞。經(jīng)檢查隔離開(kāi)關(guān)觸頭根據(jù)插入痕跡判斷接觸良好。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他異常。

圖1　CT氣室法蘭面處有燒灼痕跡

圖2　盆式絕緣子被炸出一個(gè)大洞

4故障原因分析

（1）GIS盆式絕緣子由環(huán)氧樹(shù)脂澆注而成，所以，GIS設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生故障時(shí)必然會(huì)沿著絕緣子表面對(duì)外殼進(jìn)行放電。而盆式絕緣子在澆注過(guò)程中若表面粗糙、不平滑、有劃傷或清潔度不夠等缺陷，安裝帶電后在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，表面電場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生畸變，從而使盆式絕緣子表面閃絡(luò)電壓降低，在額定電壓情況下發(fā)生閃絡(luò)放電。

（2）查詢廠家出廠試驗(yàn)報(bào)告，每個(gè)盆式絕緣子單件要進(jìn)行1.2 MPa的水壓強(qiáng)度試驗(yàn)，在0.4 MPa SF6氣體壓力下進(jìn)行740 kV工頻耐壓試驗(yàn)，在381 kV電壓下局放試驗(yàn)值不大于3 PC。產(chǎn)品在車間裝配后，整體進(jìn)行740 kV的工頻耐壓試驗(yàn)。局放試驗(yàn)不大于10 PC。產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)安裝后，還要進(jìn)行740 kV× 80 %=592 kV的工頻耐壓交接試驗(yàn)。盆式絕緣子在出廠及安裝交接試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)了層層考核，可初步排除故障是盆式絕緣子內(nèi)部存在缺陷引發(fā)的。

（3）該故障在GIS設(shè)備帶電近29h后發(fā)生，因此，盆式絕緣子放電擊穿的原因應(yīng)該是在GIS組裝過(guò)程中，由于工藝要求控制不到位，在管母線或?qū)щ姉U等物件對(duì)接過(guò)程中，造成金屬部件摩擦而產(chǎn)生細(xì)微金屬顆粒，或由于零部件清洗不徹底，遺留有灰塵、雜質(zhì)或金屬顆粒，經(jīng)長(zhǎng)途運(yùn)輸，操作的振動(dòng)，落到水平布置的該盆式絕緣子表面。產(chǎn)品帶電后，這些灰塵、雜質(zhì)、金屬顆粒會(huì)在電場(chǎng)的作用下，緩慢漂浮移動(dòng)，當(dāng)某一位置比較集中時(shí)，盆式絕緣子表面閃絡(luò)電壓值降低，就會(huì)造成SF6氣體的氣隙放電或沿盆式絕緣子表面放電。

（4）盆式絕緣子炸裂的原因?yàn)槎搪冯娏鞔螅掷m(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，電弧中心溫度可達(dá)到10 000℃左右，由于熱脹冷縮的作用，造成盆式絕緣子產(chǎn)生裂紋和炸裂。炸裂后電弧又延伸到盆式絕緣子下表面，又引發(fā)相鄰的CT氣室的導(dǎo)體與觸座屏蔽罩間放電。另外，電弧在電場(chǎng)作用下，旋轉(zhuǎn)到隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)、靜觸座的屏蔽罩間，又引發(fā)屏蔽罩間及對(duì)罐放電，使得屏蔽罩燒出了孔洞。

（5）檢查短線保護(hù)閉鎖后的告警時(shí)間，檢查短線保護(hù)在CT檢測(cè)閉鎖短線保護(hù)時(shí)，保護(hù)功能為瞬時(shí)閉鎖，但現(xiàn)地保護(hù)單元告警（LED閃爍）需0.5 s，中央單元閉鎖告警（閉鎖LED點(diǎn)亮）需1 s時(shí)間。因此實(shí)際故障時(shí)，對(duì)側(cè)距離保護(hù)140 ms切除故障，短線保護(hù)由于Current Neutral Direction為Direction1，保護(hù)功能瞬時(shí)閉鎖，而LED告警信號(hào)由于故障已切除，未能發(fā)出?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，保護(hù)功能閉鎖時(shí)現(xiàn)地保護(hù)單元需480 ms才能啟動(dòng)LED告警信號(hào)。至此可以確認(rèn)保護(hù)控制面板無(wú)報(bào)警信號(hào)原因：對(duì)側(cè)保護(hù)經(jīng)過(guò)140 ms切除故障，故障消除，未達(dá)到短線保護(hù)亮故障燈需要故障存在500 ms的啟動(dòng)條件，造成面板指示燈未點(diǎn)亮。

5故障處理及防范措施

（1）立即啟動(dòng)SF6氣體泄漏緊急處置預(yù)案，對(duì)整個(gè)GIS設(shè)備間及其相鄰設(shè)備區(qū)域進(jìn)行封閉，發(fā)出預(yù)警通知，禁止人員進(jìn)入該區(qū)域工作；安裝足夠數(shù)量的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制排風(fēng)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SF6氣體濃度。

（2）檢測(cè)故障區(qū)域內(nèi)SF6氣體含量不超過(guò)1000μL/L（即1 000 ppm）后，撤銷預(yù)警。在故障GIS間隔搭建無(wú)塵工作室與外部環(huán)境進(jìn)行隔離，檢測(cè)工作室內(nèi)濕度不得超過(guò)80 %。

（3）逐步將相鄰氣室壓力進(jìn)行降低回收處理，防止由于單側(cè)氣壓高導(dǎo)致盆式絕緣子損壞。

（4）按照工藝規(guī)程，整體更換50013隔離開(kāi)關(guān)三相裝配，更換CT氣室內(nèi)的導(dǎo)體、觸座裝配與260 mm高的過(guò)渡罐。

（5）采用無(wú)毛紙、丙酮清洗相鄰電纜側(cè)母線罐罐體及導(dǎo)體、觸座裝配。

（6）回收相鄰50033隔離開(kāi)關(guān)A、B、C三相的SF6氣體，開(kāi)蓋檢查內(nèi)部清潔度，經(jīng)檢查內(nèi)部清潔、進(jìn)一步清洗后，更換吸附劑，密封圈。經(jīng)檢查相同結(jié)構(gòu)的50033隔離開(kāi)關(guān)三相氣室，內(nèi)部清潔可以認(rèn)定50013隔離開(kāi)關(guān)B相故障屬于個(gè)案。

（7）對(duì)已處理氣室進(jìn)行抽真空處理，每15 min記錄一次真空度，對(duì)每個(gè)氣室抽真空到40 Pa以下，靜置2h，再檢查真空度，若前后兩者之差不大于67 Pa（極限值為133 Pa），可以認(rèn)定密封良好，繼續(xù)抽真空2 h。

（8）充氣前檢測(cè)備用SF6氣體水分含量不大于65 μL/L，充SF6氣體時(shí)先氣化鋼瓶?jī)?nèi)的SF6氣體，防止液態(tài)SF6直接充入設(shè)備。監(jiān)測(cè)鋼瓶氣壓降至0.14 MPa表壓時(shí)應(yīng)停止充氣。充氣完成24 h后，對(duì)設(shè)備中SF6氣體進(jìn)行濕度、空氣、CF4等項(xiàng)目檢測(cè)，符合GB50150和GB/T8905要求。

（9）對(duì)開(kāi)罐處理過(guò)的所有氣室進(jìn)行氣密性試驗(yàn)和含水量測(cè)量。充氣達(dá)到額定壓力后，靜置24 h，檢測(cè)氣室內(nèi)的SF6氣體水分含量小于250 μL/L；采用局部包扎法進(jìn)行檢漏，SF6氣體泄漏率小于1 %。

（10）對(duì)50013隔離開(kāi)關(guān)B相進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，最高試驗(yàn)電壓為出廠試驗(yàn)的80 %，即592 kV，在耐壓試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行300 kV老練試驗(yàn)，在線監(jiān)測(cè)B相各氣室的局部放電量。若發(fā)現(xiàn)有氣室局放量過(guò)大，則需進(jìn)行開(kāi)蓋檢查后處理。最后，耐壓試驗(yàn)順利通過(guò)。在交流耐壓試驗(yàn)前及試驗(yàn)過(guò)程中，進(jìn)行了超聲波、超高頻局部放電測(cè)量，未發(fā)現(xiàn)異常。

（11）交流耐壓試驗(yàn)完成后，各氣室進(jìn)行了分解物測(cè)試，結(jié)果正常。

（12）保護(hù)專業(yè)人員修改相關(guān)保護(hù)定值。將現(xiàn)1號(hào)主變高壓側(cè)500 kV短線保護(hù)現(xiàn)地單元保護(hù)軟件中Current Neutral Direction從Direction1改為Direction2。將GIS側(cè)500 kV短線保護(hù)現(xiàn)地單元保護(hù)軟件中Current Neutral Direction從Direction1改為Direction2。經(jīng)模擬試驗(yàn)后保護(hù)動(dòng)作正常。

（13）試驗(yàn)結(jié)論正常，保護(hù)測(cè)試正常后，對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行倒送電試驗(yàn)正常，設(shè)備投運(yùn)成功。

（14）加強(qiáng)GIS設(shè)備跟蹤監(jiān)測(cè)，定期開(kāi)展GIS氣室超聲波局放檢測(cè)，觀測(cè)各氣室局放量變化趨勢(shì)。

6總結(jié)

該電站GIS設(shè)備氣室盆式絕緣子擊穿故障的根本原因是生產(chǎn)廠家廠內(nèi)裝配質(zhì)量工藝控制不嚴(yán)，現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中對(duì)于制造廠成套到貨設(shè)備未安排開(kāi)罐檢查，對(duì)于該型設(shè)備的內(nèi)部隱患排查不徹底，而該類故障暴露需要運(yùn)行時(shí)間，不能通過(guò)老化試驗(yàn)或耐壓試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。所以，對(duì)于高電壓、大電流的全密閉電氣設(shè)備應(yīng)加強(qiáng)廠內(nèi)監(jiān)造，加強(qiáng)設(shè)備交接試驗(yàn)驗(yàn)收。對(duì)GIS設(shè)備而言，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水平安裝絕緣子的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，推廣運(yùn)用GIS超聲波、超高頻局放在線裝置，做到設(shè)備狀態(tài)可視化，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

GIS盆式絕緣子放電故障受材料因素、環(huán)境因素、安裝工藝、檢修工藝的影響比較大，只要在安裝或檢修過(guò)程中控制好清潔度、真空度、密閉性等三個(gè)方面，做好GIS設(shè)備投運(yùn)后的巡視檢查和定期工作，基本就可以避免盆式絕緣子故障的發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：劉平（1976-），男，工程師，從事機(jī)電設(shè)備運(yùn)行與檢修業(yè)務(wù)管理工作。

收稿日期：2015-12-16

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.017

中圖分類號(hào)：M595

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）03-0058-03