一起550kVGIS母線內(nèi)部擊穿故障的原因分析及處理

劉靖羽 李培

摘 要：柱式絕緣子在GIS母線中被廣泛應(yīng)用，其不但起到支撐母線導(dǎo)體的作用，同時將母線導(dǎo)體上的高電位與母線殼體的低電位絕緣開來。雖然柱式絕緣子的材料具有優(yōu)良的機(jī)械和電氣性能，但長期帶電情況下也可能發(fā)生故障。本文對一起550kVGIS母線內(nèi)部的柱式絕緣子故障的原因進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查分析，并提出避免該類故障再次發(fā)生的對策。

關(guān)鍵詞：GIS；柱式絕緣子；內(nèi)部擊穿故障

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）16-0136-03

Analysis and treatment of internal breakdown of a 550 kVGIS bus

LIU Jingyu LI Pei

Abstract： The cylindrical insulator is widely used in GIS bus. It not only supports bus conductor， but also insulates high potential on bus conductor from low potential of bus shell. Although the cylindrical insulator material has excellent mechanical and electrical properties， but long-term electrical conditions may also occur. This paper made a detailed investigation and analysis on the causes of a column type insulator inside the 550kVGIS busbar， and put forward some countermeasures to avoid the recurrence of this kind of fault.

Keywords： GIS；post insulator； internal breakdown fault

GIS母線是一種采用SF6氣體或混合氣體作絕緣介質(zhì)，外殼與導(dǎo)體同軸布置的輸電線路。與電力電纜相比，GIS母線能傳輸更大容量的電能（可達(dá)GW級）。與架空輸電線路相比，GIS母線更適用于高壓和超高壓遠(yuǎn)距離、大容量的電力傳輸。與電力電纜及架空輸電線路相比，GIS母線還具有以下優(yōu)點：不易老化、傳輸功率大、無電磁干擾、運行可靠、維護(hù)成本低、不受外界污染和高海拔等環(huán)境影響及安裝簡便快捷等。GIS母線的故障率非常低，但GIS母線發(fā)生內(nèi)部擊穿故障后，故障點的查找比較困難，檢修時間長，經(jīng)濟(jì)損失大。筆者針對一起550kVGIS母線內(nèi)部的柱式絕緣子故障，通過對故障母線的試驗、解體檢查、故障調(diào)查，發(fā)現(xiàn)柱式絕緣子內(nèi)部的微小缺陷最終導(dǎo)致GIS母線放電。為避免該類故障再次發(fā)生，本文同時提出了相應(yīng)的對策措施[1-3]。

1 故障概況

某變電站550kVGIS一次主接線如圖1所示，采用一倍半接線，共4串（2個完整串、2個不完整串），有10臺斷路器，2條主變進(jìn)線，4條架空輸電線路出線。GIS設(shè)備在故障前正常運行時，所有斷路器及隔離開關(guān)均處于合閘狀態(tài)，2條主母線同時帶電運行。

2016年某日凌晨05：00，該變電站550kVGIS設(shè)備的GCB12、GCB22、GCB31和GCB41斷路器事故跳閘，主母線1的第一套、第二套母差保護(hù)動作，1母失壓。事故電流：6.7kA；持續(xù)時間：2周。

從變電站后臺監(jiān)控系統(tǒng)報文分析，事故發(fā)生前，該變電站550kVGIS設(shè)備未發(fā)生站區(qū)內(nèi)外保護(hù)動作及保護(hù)啟動情況，所有設(shè)備均無異常信號，設(shè)備的SF6氣壓無異常。事故發(fā)生前，無雷電等惡劣天氣現(xiàn)象，事件發(fā)生時，天氣晴朗，當(dāng)時氣溫為20℃，現(xiàn)場沒有檢修人員。

2 故障原因的現(xiàn)場調(diào)查

為查明本次故障的原因，該變電站所屬的供電局、電力研究院、送變電公司及GIS生產(chǎn)廠家的工程技術(shù)人員，進(jìn)行了現(xiàn)場討論并制訂了調(diào)查方案。從故障錄波器的錄波波形圖中發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生在A相。分析認(rèn)為，主母線1的A相母線發(fā)生內(nèi)部擊穿放電，造成了本次故障。

在現(xiàn)場對550kVGIS設(shè)備的外觀進(jìn)行了詳細(xì)檢查，沒有發(fā)現(xiàn)因電弧燒蝕產(chǎn)生的殼體局部變色現(xiàn)象。分析認(rèn)為，短路電流只有6.7kA，持續(xù)時間也短，不足以造成殼體的局部油漆變色。

該變電站550kVGIS設(shè)備主母線1的A相母線，長度為158m，共分9個氣室。為查明具體的故障點，現(xiàn)場對9個氣室的氣體成分進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

經(jīng)現(xiàn)場檢查分析，并結(jié)合測試數(shù)據(jù)，查明本次故障的部位位于主母線1的A相母線，氣室編號為“氣室8”，故障段母線長度為26m，具體故障原因需結(jié)合返廠解體檢查進(jìn)一步明確。

3 故障母線在GIS廠內(nèi)的解體檢查

3.1 故障母線解體調(diào)查結(jié)果

故障母線解體后發(fā)現(xiàn)，該氣室內(nèi)部有大量的白色分解物AlF3，其是母線放電時SF6氣體在高溫下與GIS導(dǎo)體、殼體材料中的鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。內(nèi)部的柱式絕緣子已經(jīng)破裂，破裂的碎塊散落在殼體下部，殼體內(nèi)壁下部同時有燒熔痕跡。柱式絕緣子朝向內(nèi)側(cè)1/5圓周發(fā)生貫穿性破碎，深度25mm，在破損的中心部位，顏色較暗，為放電痕跡。柱式絕緣子破損面右側(cè)，有一條寬約8mm、深約5mm的黑色痕跡，在黑色痕跡的兩端，沒有明顯電弧燒蝕痕跡，推測黑色痕跡為故障發(fā)生后，主母線1上感應(yīng)的較小電流長期持續(xù)作用后留下的痕跡。柱式絕緣子上、下屏蔽導(dǎo)體上，有故障發(fā)生時大電流燒熔的痕跡，同時在柱式絕緣子下端固定法蘭上，也有大電流燒熔痕跡。拆解時的照片分別見圖2、圖3。

3.2 故障母線關(guān)鍵部件的尺寸復(fù)核測量

對拆解后故障母線的關(guān)鍵部件進(jìn)行了尺寸復(fù)核測量，檢查的目的在于確認(rèn)安裝部件是否異常。經(jīng)測量：所測量的零部件重要尺寸全部在圖紙標(biāo)注的公差范圍內(nèi)，零部件尺寸正常，排除了因部件制造不良造成絕緣放電的可能性。

3.3 故障母線內(nèi)部分解物的分析結(jié)果

故障母線拆解后，對放電的柱式絕緣子表面的分解物進(jìn)行了收集和化學(xué)成分分析，具體收集位置見圖4，分解物中各種化學(xué)成分的百分比見表2。

分解物的化學(xué)分析結(jié)果：分解粉末的主要成分為C、O、F、S和Al元素。C、O元素主要來源于柱式絕緣子材料環(huán)氧樹脂，S、F元素主要來源于SF6氣體。除此之外，鑄鋁導(dǎo)體（材料：鑄鋁硅鎂合金ZL101）燒熔后會分解出Al、Mg和Fe等元素，安裝潤滑脂在故障電流產(chǎn)生的高溫下?lián)]發(fā)析出少量Mo元素?；瘜W(xué)分析結(jié)果表明，柱式絕緣子的材質(zhì)正常[4，5]。

3.4 柱式絕緣子的X射線檢查和彎曲試驗

為檢查該變電站550kVGIS設(shè)備中柱式絕緣子的質(zhì)量，對拆解后返回GIS廠的全部柱式絕緣子進(jìn)行了外觀檢查，并隨機(jī)抽取了1件未放電燒蝕的柱式絕緣子，進(jìn)行了X射線檢查和彎曲試驗，試驗時的照片分別見圖5和圖6。

柱式絕緣子X射線檢查結(jié)果表明，支柱絕緣子內(nèi)部無裂紋、氣泡和金屬異物等內(nèi)部缺陷。柱式絕緣子的彎曲試驗結(jié)果表明，支柱絕緣子在0.9T.m（型式試驗值）載荷作用后，X射線檢查仍無異常。試驗結(jié)果表明，柱式絕緣子的制造質(zhì)量正常。

3.5 柱式絕緣子的制造履歷調(diào)查

為進(jìn)一步調(diào)查柱式絕緣子的制造質(zhì)量，查閱了相關(guān)存檔技術(shù)資料。該變電站550kVGIS設(shè)備中柱式絕緣子在出廠檢查時，全部實施了耐電壓試驗及局放試驗，局放值小于3pC，確認(rèn)無異常，出廠檢查為合格品。

柱式絕緣子裝配到母線殼體后，進(jìn)行了裝配狀態(tài)的耐電壓試驗和局放試驗。其中，雷電沖擊耐受電壓試驗：±1 300、±1 425kV和±1 550kV，各1次；結(jié)論：合格。1min工頻電壓試驗：AC740kV×lmin；結(jié)論：合格。局放量檢測結(jié)果：施加電壓740kV×1min后降壓至350kV×5min測量2.5pC以下；結(jié)論：合格。GIS現(xiàn)場耐電壓試驗記錄的調(diào)查結(jié)果：工頻耐壓740kV×0.8kV 1min；結(jié)論：合格。

通過以上制造履歷的調(diào)查，從柱式絕緣子和GIS制造履歷中沒有發(fā)現(xiàn)造成此次故障的主要原因，GIS產(chǎn)品正常地進(jìn)行了生產(chǎn)裝配和相關(guān)性能試驗。

4 母線內(nèi)部擊穿故障的原因分析

根據(jù)拆解調(diào)查的結(jié)果，推測本次母線放電故障的現(xiàn)象如下：①本次放電現(xiàn)象推測為柱式絕緣子的內(nèi)部貫穿性破壞；②一般情況下，造成內(nèi)部貫穿破壞的原因為內(nèi)部缺陷（細(xì)小氣隙、異物等），外表面附著有異物時，會發(fā)生沿面閃絡(luò)，不會發(fā)生內(nèi)部貫穿破壞；③該柱式絕緣子在單件狀態(tài)、GIS裝配狀態(tài)下通過了耐電壓、局放等試驗，說明該柱式絕緣子滿足產(chǎn)品正常的使有工況；④各部件的尺寸合格，安裝中也沒有產(chǎn)生異常載荷的可能。

分析認(rèn)為，造成此次母線內(nèi)部擊穿故障的原因為：柱式絕緣子的內(nèi)部缺陷產(chǎn)生了微小的放電。柱式絕緣子在單品出廠試驗及母線組裝后的局放試驗中沒有檢測到異常，據(jù)此判斷缺陷不是氣隙或異物混入，推測是由于高壓電極局部粘緊力不足，并受到運輸時的振動或者運行后的熱負(fù)荷及機(jī)械振動的影響，高壓電極處產(chǎn)生剝離，逐漸發(fā)展為微小放電，此微小放電在長時間的運行中不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致內(nèi)部貫穿破壞。

5 處理措施及恒久對策

從柱式絕緣子的型式試驗數(shù)值及隨機(jī)抽檢品進(jìn)行的彎曲破壞試驗結(jié)果看，高壓電極與樹脂的粘緊力具有足夠的強(qiáng)度。為確保該變電站550kVGIS設(shè)備的可靠運行，采用UHF法在現(xiàn)場對GIS設(shè)備進(jìn)行了帶電檢測。從檢測結(jié)果看，GIS設(shè)備的局放值在合格范圍內(nèi)，沒有發(fā)現(xiàn)異常。作為恒久對策，在柱式絕緣子的零部件生產(chǎn)過程中，可通過延長局放試驗的時間，比如：從原有的10min延長到20min。同時，對柱式絕緣子逐件進(jìn)行X射線檢查，檢查時特別關(guān)注高壓電極與環(huán)氧樹脂的結(jié)合面情況[6]。

6 結(jié)語

本文對一起因柱式絕緣子的制造缺陷引起的母線內(nèi)部擊穿故障進(jìn)行詳細(xì)分析。柱式絕緣子在GIS開關(guān)設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，盡管因柱式絕緣子制造不良而造成GIS放電的概率極低，但放電故障造成的停電損失還是相當(dāng)大的。建議在柱式絕緣子制造過程中嚴(yán)格做到“三按”生產(chǎn)，嚴(yán)把出廠試驗關(guān)。同時，對運行中的GIS設(shè)備，建議采用UHF法定期對GIS進(jìn)行帶電檢測，及早發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備的安全隱患。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪曉明，何萍，劉衍，等.一起500kVHGIS事故的分析及處理[J].高壓電器，2014（1）：129-132.

[2]劉彥軍，李松琴.戶外SF6斷路器在嚴(yán)寒地區(qū)可靠運行的措施[J].高壓電器，2001（5）：53-55.

[3]林智敏，李慶凱，蔡恒濱，等.一起GIS斷路器合閘故障分析與處理[J].高壓電器，2012（2）：99-101.

[4]張凱，胡春江，孫亞明，等.一起750kV變電站GIS支柱絕緣子故障分析[J].電測與儀表，2015（1）：115-118.

[5]王向陽.SF6斷路器故障分析[J].高壓電器，2001（5）：22-24.

[6]姜炯挺，邵先軍，周建平，等.一起GIS支柱絕緣子內(nèi)部擊穿故障的定位與分析[J].浙江電力，2015（8）：4-8.