500kV SF6罐式斷路器絕緣拉桿放電故障原因分析及處理

楊 東，熊婧江

（1.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川省雅安市 625000；2.國電大渡河流域梯級電站集控中心，四川省成都市 610094）

0 引言

作為斷路器的主要部件，絕緣拉桿是GIS設(shè)備的絕緣重要組成部件和傳動(dòng)部件，在機(jī)械和電氣性能方面均要求具有較高的可靠性。一般絕緣拉桿很少發(fā)生故障，但是絕緣拉桿一旦發(fā)生故障，對于斷路器也會(huì)造成嚴(yán)重的后果[1]。

某電站550kV斷路器為單斷口臥式布置，型號為550SR-K，液壓操作機(jī)構(gòu)，開斷能力63kA，額定電壓550kV，額定電流4000A，額定開斷電流63kA，額定雷電沖擊耐受電壓1675kV，額定操作沖擊耐受電壓1300kV，額定工頻耐受電壓740kV，斷路器絕緣桿材質(zhì)為環(huán)氧樹脂，厚度15mm，寬度40mm，密度為1.1～1.25g/cm3。

1 故障過程

某水電站準(zhǔn)備對其4號主變壓器進(jìn)行恢復(fù)送電操作，電站主接線如圖1所示。上位機(jī)先拉開5032斷路器，再拉開5031斷路器，上位機(jī)報(bào)“TV斷線報(bào)警”“5031斷路器保護(hù)裝置異?！毙盘枴，F(xiàn)場檢查5031斷路器保護(hù)裝置、安控裝置均有TV斷線報(bào)警。上位機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)5032、5031斷路器 T區(qū)處的電壓互感器Uab=0，Uca=306kV，Ubc=305kV?，F(xiàn)場實(shí)際檢查5032、5031斷路器均顯示為分閘。

圖1 電站主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of power station

維護(hù)人員在5032、5031斷路器T區(qū)處的電壓互感器本體端子箱處測得C相二次繞組電壓為55V，A相、B相二次繞組電壓為0V，初步判斷為5031斷路器C相故障。

2 現(xiàn)場檢查情況

故障發(fā)生后，電站立即現(xiàn)場查找故障點(diǎn)及開展故障原因分析，并聯(lián)系省調(diào)將5031斷路器轉(zhuǎn)檢修。斷路器廠家人員趕赴現(xiàn)場后，再次對5031斷路器操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)操作桿位置處于正常的“分閘”，未發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)異常，如圖2所示，初步判定故障原因?yàn)閿嗦菲鲀?nèi)部故障。

圖2 C相操動(dòng)機(jī)構(gòu)位置圖Fig.2 Position diagram of C phase operation mechanism

考慮到斷路器合閘電阻遠(yuǎn)小于接地電阻，若斷路器內(nèi)部實(shí)際狀態(tài)為合閘，該相斷路器接地電阻將遠(yuǎn)小于其余兩相。在未拉開斷路器兩側(cè)接地隔離開關(guān)情況下對5031三相斷路器的接地電阻進(jìn)行測量。測量結(jié)果：A相 273.3uΩ，B相 245.8uΩ，C相 256.0uΩ，未發(fā)現(xiàn)C相數(shù)據(jù)異常。

5031斷路器轉(zhuǎn)檢修后，開始對5031C相斷路器進(jìn)行氣體回收，準(zhǔn)備進(jìn)行開蓋檢查。吊開5031C相斷路器上部法蘭盤。檢查發(fā)現(xiàn)該斷路器動(dòng)、靜觸頭處于正常的分閘狀態(tài)，斷路器整體結(jié)構(gòu)正常，未發(fā)現(xiàn)異物、明顯放電痕跡[2]。用萬用表測量斷路器動(dòng)、靜觸頭接觸電阻為0.6Ω（屬正常狀態(tài)），動(dòng)、靜觸頭與絕緣拉桿未導(dǎo)通，如圖3所示。

圖3 C相斷路器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Internal structure diagram of C phase circuit breaker

再次吊開斷路器上部法蘭盤及下部進(jìn)人孔后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)該氣室存在明顯焦臭味，氣室底部及底部防爆膜處有棕黑色粉末物質(zhì)，如圖4、圖5所示。

圖4 C相斷路器防爆膜圖Fig.4 Explosion proof membrane diagram of C phase circuit breaker

圖5 C相斷路器氣室底部圖Fig.5 Bottom diagram of C phase circuit breaker

對5031C相斷路器進(jìn)行了手動(dòng)慢合試驗(yàn)，合閘正常，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。手動(dòng)慢合完成后，再次對斷路器本體進(jìn)行了外觀檢查，檢查發(fā)現(xiàn)斷路器絕緣拉桿有兩處放電痕跡，其中一處明顯裂開，如圖6所示。絕緣拉桿表面有爬電痕跡，且該痕跡貫穿整個(gè)絕緣拉桿。

圖6 絕緣拉桿放電圖Fig.6 Discharge diagram of insulated rod

檢查絕緣拉桿未發(fā)現(xiàn)新增放電點(diǎn)后，對5031C相斷路器進(jìn)行了手動(dòng)慢分試驗(yàn)，分閘正常。分閘完成后再次對絕緣拉桿進(jìn)行檢查，檢查仍未發(fā)現(xiàn)新增放電點(diǎn)，使用內(nèi)窺鏡對斷路器內(nèi)部進(jìn)行徹底檢查，未發(fā)現(xiàn)其他異?，F(xiàn)象[3]。

3 故障原因分析

對故障絕緣拉桿取下后觀察測量，該拉桿長度570mm，寬40mm，厚15mm。整個(gè)絕緣拉桿共有兩處明顯的放電灼燒點(diǎn)，距離端部分別為182mm和315mm，其中一處有約53mm長的裂紋。整個(gè)絕緣拉桿表面有明顯的爬電通道的痕跡，貫通拉桿兩端靠內(nèi)側(cè)孔口。

測量故障絕緣拉桿絕緣，用萬用表測量，端部相鄰兩孔之間絕緣正常，兩端靠內(nèi)側(cè)的兩孔間絕緣為1.583MΩ。使用絕緣電阻表測量，阻值為643kΩ（電壓為1010V），兩端靠外側(cè)的兩孔間絕緣為1.52TΩ（電壓為5259V），對正常絕緣拉桿測量兩端靠內(nèi)側(cè)的兩孔間絕緣大于5.26TΩ（電壓為5259V）。

由以上檢查情況可以確定，5031C相斷路器絕緣拉桿絕緣已被擊穿，在較低電壓情況下已呈現(xiàn)導(dǎo)通性。

將5031C相斷路器絕緣拉桿鋸開檢查發(fā)現(xiàn)，除拉桿端部未見氣孔，拉桿內(nèi)部沿爬電通道存在較長的氣孔，如圖7所示。

圖7 絕緣拉桿氣孔圖Fig.7 Hole diagram of insulated tie rod

根據(jù)檢查結(jié)果可以分析，5031C相斷路器絕緣拉桿絕緣被擊穿是本次事件是直接原因。故障原因?yàn)椋阂皇墙^緣拉桿內(nèi)部存在氣泡，氣泡在強(qiáng)電場作用下不斷放電，致使絕緣桿內(nèi)氣泡連成一片，最終導(dǎo)致絕緣拉桿被整體擊穿；二是絕緣拉桿材料的配比或固化時(shí)間不滿足相關(guān)要求，致使絕緣拉桿的各部分絕緣強(qiáng)度不均勻，在強(qiáng)電場下，低絕緣處首先被擊穿，然后次低絕緣再被擊穿，最終導(dǎo)致絕緣拉桿被整體擊穿[4]。

4 處理情況

4.1 總體處理情況

5031C相斷路器故障原因確定后，電站安排開展C相斷路器絕緣拉桿更換工作，更換完成后，對氣室抽真空，充氣至額定壓力0.45MPa，靜置24h，進(jìn)行常規(guī)試驗(yàn)（氣室微水、合閘電阻、特性試驗(yàn)、氣體檢漏等）。常規(guī)試驗(yàn)合格后，開展分、合閘情況5031斷路器交流耐壓及局部放電試驗(yàn)，附件恢復(fù)安裝，申請恢復(fù)送電[5]。

4.2 交流耐壓及局部放電試驗(yàn)

從備用線3E處施加試驗(yàn)電壓，試驗(yàn)前，將5031斷路器兩側(cè)所有TA、5032斷路器兩側(cè)所有TA上三相二次回路在本體短接接地，備用線路3E上所有TA二次回路在本體短路接地；拆除試驗(yàn)范圍內(nèi)的電壓互感器。在5031斷路器合閘和分閘狀態(tài)下分別進(jìn)行交流耐壓及局部放電試驗(yàn)[6]。

電站500kV GIS設(shè)備最高運(yùn)行電壓Um=550kV，相電壓出廠試驗(yàn)電壓為Uc＝740kV，現(xiàn)場耐壓最高值為Uf＝Uc×80%＝592kV，時(shí)間為t=60s[7]。

圖8 合閘耐壓及局部放電測量試驗(yàn)加壓時(shí)間順序圖Fig.8 Sequence diagram of pressurization time for closing voltage and partial discharge measurement

如圖9所示，分閘耐壓及局部放電測量試驗(yàn)程序：均勻的將試驗(yàn)電壓升至Uf＝592kV，持續(xù)耐壓時(shí)間60s，耐壓完成后迅速將電壓迅速降為Ur=381kV，測試5031斷路器氣室局部放電量，測試完畢后迅速將電壓降為0kV[9]。

圖9 分閘耐壓及局部放電測量試驗(yàn)加壓時(shí)間順序圖Fig.9 Sequence diagram of pressurization time and partial discharge measurement test

5 結(jié)束語

500kV SF6罐式斷路器絕緣拉桿的質(zhì)量對斷路器安全性和電網(wǎng)安全性非常重要，設(shè)備廠家應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，設(shè)備組裝前應(yīng)對絕緣拉桿進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，必要時(shí)可采用探傷等手段進(jìn)行材質(zhì)檢查。斷路器投入運(yùn)行后應(yīng)定期開展斷路器的特高頻法、超聲法等帶電局放檢測工作，同時(shí)結(jié)合斷路器檢修進(jìn)行離線局放帶電檢測，對于局部放電量異常的斷路器，可以同時(shí)進(jìn)行SF6氣體分解物分析，及早診斷SF6斷路器絕緣的健康狀況，避免發(fā)生設(shè)備事故，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行[10]。