三維電場分析在GIS絕緣事故分析上的應(yīng)用

陳杰 丁澄 姜波

摘要：本文使用三維電場仿真分析等技術(shù)手段，分析出一起GIS發(fā)生放電的原因。最后，結(jié)合運(yùn)行工況和放電原因?qū)IS的現(xiàn)場安裝、試驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)等方面提出了預(yù)防性的措施和建議。

關(guān)鍵詞：三維電場；GIS；放電；仿真計(jì)算

0引言

SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear， GIS），由于高的可靠性，經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行維護(hù)成本，超過20年的使用壽命得到了用戶的認(rèn)可和廣泛的使用。與傳統(tǒng)GIS產(chǎn)品相比，小型化GIS具備較好的 經(jīng)濟(jì)性、安裝靈活性以及環(huán)保性，是目前GIS設(shè)備發(fā)展的一個趨勢。但近年來小型化GIS設(shè)備產(chǎn)品在電網(wǎng)企業(yè)中運(yùn)行狀況不佳，新投運(yùn)的GIS設(shè)備平均故障率高于平均值。

本文以某220kV變電站一起典型的220kV GIS的放電故障為例，通過現(xiàn)場檢查和解體、三維電場仿真分析及試驗(yàn)研究，找出GIS發(fā)生放電的主要原因，最后，結(jié)合運(yùn)行工況對小型化GIS設(shè)備現(xiàn)場安裝、試驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)等方面的提出了預(yù)防性的措施和建議。

1故障概況

1.1故障前變電站的運(yùn)行方式

某220kV變電站GIS母差保護(hù)動作，跳開母聯(lián)212斷路器、#1主變201斷路器和264斷路器，造成該220kV變電站Ⅰ母失電。

保護(hù)動作前220kV母線并列運(yùn)行，220kVDG1線264、1#主變201開關(guān)運(yùn)行于Ⅰ母；220kVZ1線268、2#主變202開關(guān)運(yùn)行于Ⅱ母；1#主變中性點(diǎn)直接接地，2#主變中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地。當(dāng)日無倒閘操作和檢修工作，天氣晴好。

1.2 現(xiàn)場及解體檢查情況

經(jīng)現(xiàn)場檢查，220kV GIS設(shè)備外觀無異常，各氣室SF6壓力正常。解體后檢查發(fā)現(xiàn)PT218隔離開關(guān)C相氣室內(nèi)壁有大面積電弧燒灼痕跡，放電痕跡區(qū)域主要位于圖1中標(biāo)注的放電位置相對應(yīng)的內(nèi)壁位置，導(dǎo)電桿也有多處金屬熔融痕跡。

2 三維電場分析

根據(jù)內(nèi)壁放電區(qū)域、殼體熔融程度和熔融點(diǎn)位置可得到，放電區(qū)域分布在水平殼體筒與豎直殼體筒交接連線兩側(cè)，本文利用有限元分析軟件建立了三維GIS模型，對放電氣室的電場分布情況進(jìn)行了仿真計(jì)算。施加邊界條件后，對模型進(jìn)行計(jì)算，得到其電場分布情況，圖2為PT218隔離開關(guān)C相氣室電場仿真結(jié)果。從圖2中可以看出水平殼體筒與豎直殼體筒交接連線對GIS內(nèi)部電場分布有較大影響，相比其它部位，該處存在明顯電場畸變情況。

3 故障原因分析

結(jié)合變電站運(yùn)行狀況、設(shè)備解體檢查和仿真計(jì)算結(jié)果，表明PT218隔離開關(guān)C相氣室的放電是由該氣室內(nèi)部原因引發(fā)，由于該型GIS為小型化產(chǎn)品，導(dǎo)電桿距殼體內(nèi)表面的最短絕緣距離由常規(guī)的200mm減小至130mm，雖然提高了內(nèi)部SF6壓力，但電場畸變影響的敏感程度也會相應(yīng)提高。

綜合上所述，其最大誘因和放電過程為，在放電區(qū)域靠PT側(cè)出現(xiàn)的自由導(dǎo)電微粒，引起電場集中部位與導(dǎo)電桿間的放電，該放電造成上方絕緣下降，加之該區(qū)域本身存在電場畸變，進(jìn)而使放電電弧上移，并產(chǎn)生更嚴(yán)重的導(dǎo)電桿對殼放電及燒灼。

由于放電點(diǎn)距PT側(cè)為封閉端（PT隔離盆式絕緣子）很近，其空間體積較小，而豎直殼體筒方向有較大的空間體積，放電引起的膨脹氣體會朝豎直殼體筒方向流動，造成交接連線豎直殼體筒側(cè)SF6氣體絕緣嚴(yán)重下降，驅(qū)使放電電弧往豎直殼體筒漂移，形成更大的放電區(qū)域和更劇烈的放電燒灼，并在豎直殼體筒內(nèi)沿筒壁向上發(fā)展，直至保護(hù)動作后電弧熄滅。

PT218隔離開關(guān)C相氣室的放電是由內(nèi)壁光潔度、內(nèi)部清潔度及設(shè)備小型化等多因素疊加作用造成，但主要誘因是自由導(dǎo)電微粒引發(fā)的導(dǎo)電桿與內(nèi)壁之間的間隙放電。

4防范措施

內(nèi)部放電擊穿是小型化GIS設(shè)備的的易發(fā)故障，本文利用三維電場分析等技術(shù)手段，詳細(xì)分析一起小型化220kV GIS的放電故障，有針對性的提出了相應(yīng)的防范措施。

由于GIS存在大量的現(xiàn)場組裝和金屬部件安裝緊固工序，受現(xiàn)場裝配條件的限制和影響，已經(jīng)處于非常不利的狀況，加之小型化設(shè)備要求各部件加工工藝更高、安裝工藝更嚴(yán)格，所以實(shí)施現(xiàn)場作業(yè)必須嚴(yán)格遵守行業(yè)規(guī)范，才能最大限度地保障GIS設(shè)備正常運(yùn)行。

電網(wǎng)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行部門應(yīng)在加強(qiáng)安裝和驗(yàn)收質(zhì)量管控工作，把好設(shè)備入網(wǎng)關(guān)，同時做好小型化GIS設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，力爭及時發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)備隱患，確保電網(wǎng)設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文利用三維電場分析等技術(shù)手段，詳細(xì)分析一起小型化220kV GIS的放電故障，指出內(nèi)部放電擊穿是小型化GIS 設(shè)備的的易發(fā)故障，并有針對此類故障，在設(shè)計(jì)、安裝、試驗(yàn)及運(yùn)維過程提出了相應(yīng)的預(yù)防性的措施和建議，為電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支撐。

作者簡介：陳杰（1973-）男，四川成都，漢，碩士研究生，工程師，研究方向：開關(guān)類設(shè)備檢修技術(shù)研究、培訓(xùn)及新技術(shù)研究.