GIS設(shè)備吸附裝置引起的故障分析及改進(jìn)措施

劉 敏，楊 東

（國(guó)家能源集團(tuán)大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川省石棉縣 625409）

0 引言

水電站GIS設(shè)備采用550SR型產(chǎn)品，共10臺(tái)斷路器，有4回進(jìn)線和3回出線（含1回備用線），接線方式為2串3/2接線和1串4/3接線（如圖1所示），2015年8月底投入運(yùn)行。

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

GIS設(shè)備設(shè)計(jì)為同軸圓柱結(jié)構(gòu)，外殼與導(dǎo)體間構(gòu)成稍不均勻電場(chǎng)，在殼體與導(dǎo)體之間充入SF6氣體，利用SF6氣體在電場(chǎng)中很高的絕緣強(qiáng)度組成成套絕緣設(shè)備。全站GIS設(shè)備共配置有362個(gè)吸附劑裝置，安裝于GIS設(shè)備徑向方向、GIS底部位置、GIS上部位置。SF6氣體吸附劑端蓋板均為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、徑向邊沿有4個(gè)卡扣，端蓋板采用卡扣與吸附劑裝置固定，吸附劑端蓋板的卡槽深度約1mm。

1 故障經(jīng)過(guò)

2018年4月8日，500kV開關(guān)站合環(huán)運(yùn)行，1、2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，3、4號(hào)機(jī)組停機(jī)備用。大雅二線正常運(yùn)行，大雅一線因配合電抗器檢修已停運(yùn)，已拉開5012、5013斷路器和50122、50121、50131隔離開關(guān)。在拉開5013斷路器靠Ⅱ段母線側(cè)隔離開關(guān)50132時(shí)，500kV Ⅱ段母線配置的兩套母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘，造成靠Ⅱ段母線的段路器全部跳閘造成母線失電。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

Ⅱ母差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作后，立即在現(xiàn)場(chǎng)查找故障原因，依次打開GIS設(shè)備本體觀察孔發(fā)現(xiàn)異常位置（異常部位如圖2所示），在拆開隔離開關(guān)50132三相氣室觀察孔蓋板檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)50132 A相觀察孔玻璃表面有放電產(chǎn)生的白色粉塵[2]覆蓋（如圖3所示），B相、C相觀察孔玻璃表面及內(nèi)部未見異常（如圖4所示），判斷此次故障就在此部位。

從隔離開關(guān)50132 A相氣室觀察孔進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)該氣室內(nèi)吸附劑端蓋板已脫落，部分吸附劑已露出吸附劑罩外，且動(dòng)靜觸頭及導(dǎo)體部位可見放電[3]、黑化痕跡，但掉落的吸附劑端蓋板未見損壞、放電等異常（如圖5、圖6所示），確定故障點(diǎn)即隔離開關(guān)50132 A相本體內(nèi)部對(duì)外殼放電。

圖2 50132隔離開關(guān)故障部位Figure 2 50132 fault location of disconnector

圖3 50132隔離開關(guān)A相觀察孔Figure 3 A phase observation hole of disconnector

圖4 正常氣室觀察孔Figure 4 Chamber observation hole

3 故障原因分析

發(fā)生GIS設(shè)備內(nèi)部放電的原因大致有以下幾點(diǎn)：

（1）GIS設(shè)備安裝時(shí)基座與導(dǎo)體的連接處不夠牢固，造成導(dǎo)體的接觸電阻增加，再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間通電會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱，甚至引起鋁導(dǎo)體熔化后與其他部位導(dǎo)通造成設(shè)備事故放電。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)基座安裝連接牢固，沒有松動(dòng)的現(xiàn)象，故排除了這種可能。

圖5 隔離開關(guān)50132 A相導(dǎo)體放電痕跡Figure 5 Arc burn marks of A phase conductor

圖6 50132 A相吸附劑端蓋板Figure 6 A phase adsorbent cover plate

（2）即使GIS設(shè)備罐內(nèi)只是存在很小一塊的金屬碎屑都會(huì)使內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生畸變，進(jìn)而引起放電。經(jīng)檢查罐體內(nèi)部無(wú)金屬異物存在且各零部件的結(jié)構(gòu)完好，沒有零部件脫落，排除了這一可能性。

（3）在生產(chǎn)制作過(guò)程中如果盆式絕緣子澆注時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生氣泡或者混進(jìn)了其他雜質(zhì)，運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)造成爬電現(xiàn)象。經(jīng)檢查盆式絕緣子表面未出現(xiàn)爬電的現(xiàn)象，排除這種可能。

（4）如果觸頭與觸指座插入的深度較淺或者出現(xiàn)虛接情況，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)拉出電弧造成設(shè)備放電。經(jīng)檢查觸頭插入深度符合相關(guān)要求，排除了這種可能。

（5）在GIS設(shè)備裝配時(shí)如果盆式絕緣子受力不均勻會(huì)導(dǎo)致盆式絕緣子產(chǎn)生局部應(yīng)力，使盆式絕緣子產(chǎn)生裂紋，長(zhǎng)期使用裂紋逐漸延伸會(huì)引起放電。檢查發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子結(jié)構(gòu)完好，未產(chǎn)生任何裂紋，排除了這種可能。

（6）根據(jù)檢查情況，故障位置位于吸附劑罩下方，且明顯可見吸附劑端蓋板脫落后掉至罐底，分析故障原因?yàn)楦綦x開關(guān)內(nèi)部有異物引起電場(chǎng)畸變，造成導(dǎo)體與下方罐體處放電。

隔離開關(guān)50132吸附劑端蓋板是采用卡扣的形式與吸附劑裝置固定的，且吸附劑端蓋板的卡槽深度只有1mm左右（如圖7所示）。雖然端蓋板不承受吸附劑重量，但在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中存在老化現(xiàn)象，導(dǎo)致卡扣的強(qiáng)度逐漸衰退，卡扣彈力逐漸降低，在多次的斷路器、隔離開關(guān)分合動(dòng)作振動(dòng)沖擊下卡扣慢慢松動(dòng)，導(dǎo)致操作過(guò)程中吸附劑裝置端蓋板脫落引起故障。

圖7 吸附劑裝置Figure 7 Adsorbent device

隔離開關(guān)50132分閘操作時(shí)的振動(dòng)造成了吸附劑端蓋板掉落，在正常運(yùn)行時(shí)GIS導(dǎo)體與殼體間的電場(chǎng)是由同軸圓柱結(jié)構(gòu)[4]與單純的SF6氣體構(gòu)成的稍不均勻分布電場(chǎng)，掉落過(guò)程中變成了氣體和固體的混合物形成的一種動(dòng)態(tài)介質(zhì)，破壞了導(dǎo)體與殼體之間原有的稍不均勻電場(chǎng)分布，進(jìn)一步構(gòu)成極不均勻電場(chǎng)[5]，導(dǎo)致SF6氣體的擊穿電壓急劇下降（注：SF6的氣體特性是在較均勻電場(chǎng)中具有非常優(yōu)良的絕緣特性，但是電場(chǎng)不均勻時(shí)閃絡(luò)電壓將明顯降低。在極不均勻電場(chǎng)中，SF6氣體間隙的擊穿放電電壓甚至低于空氣間隙的擊穿放電電壓[6]），進(jìn)而導(dǎo)致GIS導(dǎo)體對(duì)殼體電弧放電[7]。

4 暴露的問(wèn)題

（1）吸附劑裝置存在設(shè)計(jì)缺陷：吸附劑端蓋板僅采用4個(gè)卡扣與吸附劑裝置固定，固定不夠牢固，在承受斷路器、隔離開關(guān)分合動(dòng)作振動(dòng)沖擊下，卡扣可能松動(dòng)。且蓋板直徑為φ132mm，小于吸附劑法蘭孔直徑φ148mm，存在脫落后引起放電的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）吸附劑布置位置存在隱患：部分吸附劑裝置布置于外殼斜上方，與水平方向約45°角位置，正常狀態(tài)下將承受500g吸附劑的重力作用，在設(shè)備操作振動(dòng)下極易導(dǎo)致吸附劑端蓋板脫落，鑒于吸附劑原始結(jié)構(gòu)不夠牢固，此種布置方式存在很大隱患。

（3）吸附劑端蓋板材質(zhì)存在隱患：此次故障的直接原因?yàn)槲絼┒松w板掉落，該蓋板的材質(zhì)存在缺陷，在設(shè)備投運(yùn)較短的時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)了老化、變形的問(wèn)題，從而造成蓋板把合部位松動(dòng)。

5 處理情況

5.1 改進(jìn)方案

GIS設(shè)備屬于高壓一次設(shè)備，直接影響電網(wǎng)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，不允許再次由于此類缺陷出現(xiàn)故障，故障的處理需要舉一反三徹底消除此類缺陷。除更換故障設(shè)備外，針對(duì)吸附劑端蓋板松脫情況，此次處理計(jì)劃將所有GIS設(shè)備的吸附劑裝置進(jìn)行改進(jìn)（見圖8），吸附劑裝置改進(jìn)方案如下：

圖8 改進(jìn)吸附劑裝置使用的端蓋板Figure 8 Improved separator used for adsorbents

改進(jìn)后的吸附劑端蓋板外徑為φ158，大于改進(jìn)前的端蓋板外徑φ132，也意味著新的端蓋板外徑是大于殼體法蘭直徑φ148的，塑料蓋板由原先的單純靠卡扣卡緊改進(jìn)為由吸附劑裝置與氣室本體上的法蘭共同壓緊，保證了吸附劑端蓋板不會(huì)由于卡扣不緊發(fā)生脫落后掉入氣室內(nèi)部的情況，從而杜絕了再次發(fā)生類似故障的可能性，提高GIS設(shè)備運(yùn)行可靠性。新舊兩種吸附劑裝置對(duì)比如圖9所示。

5.2 處理方案

首先將Ⅱ段母線轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)，將相關(guān)氣室SF6氣體進(jìn)行回收后對(duì)已經(jīng)發(fā)生放電的50132隔離開關(guān) A相本體進(jìn)行解體并更換，其次所有氣室吸附劑裝置均利用設(shè)備停電檢修機(jī)會(huì)進(jìn)行更換，杜絕端蓋板及吸附劑掉落的隱患。

5.3 處理流程

此次故障處理首先將5013、5024、5033斷路器及Ⅱ段母線氣室氣體回收，回收完畢后打開故障隔離開關(guān)50132 A相氣室，對(duì)氣室內(nèi)部進(jìn)行詳細(xì)檢查，檢查發(fā)現(xiàn)除吸附劑端蓋板脫落及放電痕跡外，其余各部位連接牢固沒有松動(dòng)跡象，各零部件結(jié)構(gòu)完好，盆式絕緣子結(jié)構(gòu)完好無(wú)爬電現(xiàn)象，觸頭和觸指插入深度也符合要求，根據(jù)以上檢查情況確定此次故障直接原因?yàn)槲絼┒松w板脫落。

圖9 新舊吸附劑裝置Figure 9 New/Old adsorbent device

得出具體原因后，立安排檢修人員將所有氣室觀察孔蓋板打開，組織專業(yè)組成員對(duì)所有氣室的吸附劑端蓋板逐一排查，發(fā)現(xiàn)個(gè)別氣室的吸附劑端蓋板發(fā)生輕微變形，有脫落的風(fēng)險(xiǎn)，隨即展開故障設(shè)備及其余設(shè)備的檢修工作。通過(guò)此次故障的現(xiàn)象及此前出現(xiàn)過(guò)的類似故障（2016年9月4日操作設(shè)備時(shí)Ⅱ段母線接地隔離開關(guān)5217吸附劑端蓋板脫落導(dǎo)致放電），總結(jié)得出：此設(shè)備吸附劑裝置端蓋板設(shè)計(jì)可靠性不高，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可能再次出現(xiàn)故障，出于對(duì)高壓一次設(shè)備的運(yùn)行可靠性的考慮，須全部更換GIS設(shè)備吸附劑裝置。

利用設(shè)備檢修期將各氣室吸附裝置進(jìn)行整體更換，在更換過(guò)程中要將作業(yè)時(shí)間盡量控制，減少新的吸附劑在空氣中暴露的時(shí)間，然后迅速將更換好的氣室抽真空，并注氣至額定壓力后進(jìn)行保壓、微水含量測(cè)試、SF6氣體檢漏等測(cè)試，然后對(duì)斷路器進(jìn)行分合閘時(shí)間及同期測(cè)試、主回路電阻測(cè)量、最低動(dòng)作電壓測(cè)試。待所有的非破壞性試驗(yàn)全部做完，實(shí)驗(yàn)結(jié)果合格后，將5013、5024、5033斷路器兩側(cè)電流互感器，備用線路3E上所有電流互感器二次回路短路接地，分別對(duì)500kV Ⅱ段母線，5033、5024、5013 斷路器，5033、5024、5013 斷路器的斷口進(jìn)行耐壓，以及5024、5033斷路器回路耐壓。此次耐壓試驗(yàn)順序：在電壓等級(jí)下對(duì)GIS進(jìn)行“老練凈化”時(shí)間為5min，U1=519kV電壓等級(jí)下對(duì)母線進(jìn)行“老練凈化”時(shí)間為3min。GIS設(shè)備的每一部件均達(dá)到了經(jīng)過(guò)完整試驗(yàn)程序并耐受規(guī)定的試驗(yàn)電壓等級(jí)，且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中無(wú)擊穿放電的現(xiàn)象，證明此次耐壓試驗(yàn)范圍內(nèi)的GIS設(shè)備全部合格。

在所有試驗(yàn)合格后，由運(yùn)行人員操作設(shè)備恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)。待Ⅱ段母線停電檢修范圍內(nèi)設(shè)備恢復(fù)后，逐步進(jìn)行其余設(shè)備停電檢修，最終更換所有GIS設(shè)備的吸附劑裝置。

6 結(jié)束語(yǔ)

雖說(shuō)GIS設(shè)備的可靠性很高故障率很低，但在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于吸附劑裝置結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)考慮不周全，在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)就可能造成大事故。導(dǎo)致此種吸附劑裝置結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問(wèn)題的原因?yàn)椋涸谠O(shè)計(jì)吸附劑端蓋板的結(jié)構(gòu)時(shí)考慮不夠周全、吸附劑端蓋板材質(zhì)的耐久性不夠好。本文對(duì)GIS設(shè)備吸附裝置出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，研究出了改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)并應(yīng)用于所有的GIS設(shè)備，進(jìn)一步提高了GIS設(shè)備的運(yùn)行可靠性。