山西電網(wǎng)GIS故障分析及建議

楊冬冬，梁基重，張亦凌

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)天津?qū)氎婀╇姽?，天?301800）

0 引言

氣體絕緣封閉金屬開關(guān)設(shè)備（GIS）是由匯控柜、斷路器、隔離開關(guān)、接地（快速接地）開關(guān)、母線、電流互感器、電壓互感器、套管等一二次設(shè)備組成，由于具有小型化、可靠性高、安全性好、安裝周期短、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大用戶的廣泛歡迎[1-2]。自2006年以來，山西電網(wǎng)35 kV及以上電壓等級GIS設(shè)備裝用量增長約10倍，GIS設(shè)備發(fā)生故障的次數(shù)也隨之增多。為了保證GIS設(shè)備安全、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行，有必要對山西電網(wǎng)近年來GIS設(shè)備缺陷情況進(jìn)行分析研究，凝練出有針對性的技術(shù)監(jiān)督和運(yùn)維檢修策略，供設(shè)備管理人員和生產(chǎn)技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考。

1 山西電網(wǎng)GIS設(shè)備現(xiàn)狀

截至2018年底，山西電網(wǎng)在運(yùn)的35 kV及以上電壓等級的GIS（HGIS） 共有2869間隔。GIS按電壓等級分：35 kV電壓等級38個(gè)間隔，占比1.32%；110 kV電壓等級1746個(gè)間隔，占比60.86%；220 kV電壓等級930個(gè)間隔，占比32.42%；550 kV電壓等級119個(gè)間隔，占比4.15%；1000 kV電壓等級36個(gè)間隔，占比1.25%。GIS按投運(yùn)年限分：投運(yùn)0～5年的有865個(gè)間隔，占比30.15%；5～10年的有1322個(gè)間隔，占比46.08%；10～15年的有531個(gè)間隔，占比18.51%；15～20年的有112個(gè)間隔，20年以上的有39個(gè)間隔?？梢钥闯?，110 kV～550 kV電壓等級的GIS最多，占據(jù)了總間隔數(shù)的97%以上，同時(shí)，近10年新增2187個(gè)間隔，占比76.23%，GIS數(shù)量激增。

2 山西電網(wǎng)近年來GIS故障情況

從近10年來的設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，山西電網(wǎng)GIS存在的缺陷和故障主要包括SF6氣體泄漏、內(nèi)部放電絕緣擊穿、斷路器操動機(jī)構(gòu)故障及二次回路故障等。

2.1 GIS氣室SF6氣體泄漏

SF6氣體泄漏會造成GIS氣室內(nèi)SF6氣體壓力降低，氣室絕緣下降，閉鎖斷路器動作，發(fā)生故障時(shí)會導(dǎo)致斷路器不能分閘，造成事故擴(kuò)大化。根據(jù)對所屬各單位上報(bào)的案例進(jìn)行分析，山西電網(wǎng)GIS氣室SF6氣體漏氣主要發(fā)生在冬季，主要為盆式絕緣子處漏氣。盆式絕緣子漏氣的原因主要有3點(diǎn)：一是安裝時(shí)注膠密封不合格，導(dǎo)致雨水沿著螺栓浸入盆式絕緣子與法蘭之間的潛槽，在螺栓與潛槽部位形成積水，進(jìn)入冬季后，積水結(jié)冰產(chǎn)生膨脹力，使得盆式絕緣子產(chǎn)生裂紋，當(dāng)裂紋穿越密封槽時(shí)引起盆式絕緣子漏氣[3]。二是盆式絕緣子安裝不當(dāng)（如螺栓緊固不當(dāng)、螺栓規(guī)格使用不當(dāng)、高壓導(dǎo)桿偏離GIS外殼中心等），使其受力不均勻，在長期應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致氣體泄漏。三是存在質(zhì)量缺陷，制造廠在零部件加工或階段性檢驗(yàn)過程中存在問題。其他漏點(diǎn)還包括套管法蘭處漏氣、GIS本體砂眼漏氣、SF6密度繼電器管路漏氣等。

案例1：盆式絕緣子漏氣。2012年11月30日，某站220 kV西母2號、3號氣室SF6氣體低氣壓告警，檢修人員進(jìn)行帶電補(bǔ)氣恢復(fù)到正常氣壓，但1天后，2號、3號氣室再次發(fā)生低氣壓告警，緊急申請將220 kV西母停電轉(zhuǎn)檢修。SF6紅外成像檢漏發(fā)現(xiàn)2號、3號氣室之間盆式絕緣子嚴(yán)重漏氣，解體后發(fā)現(xiàn)2個(gè)氣室之間對接面有進(jìn)水腐蝕現(xiàn)象，盆式絕緣子存在明顯的裂紋。原因是廠家在現(xiàn)場安裝時(shí)，未對對接面進(jìn)行抹膠密封，雨水侵入密封處和螺栓孔徑內(nèi)，進(jìn)入冬季后，結(jié)冰產(chǎn)生膨脹力，使得盆式絕緣子出線裂紋，發(fā)生SF6氣體泄漏。

案例2：出線套管頂部法蘭處漏氣[4]。2014年9月，1000 kV特高壓變電站500 kV HGIS 5042間隔50422隔離開關(guān)C相氣室SF6氣體密度繼電器顯示壓力降低，運(yùn)維人員使用FLIR 306紅外檢漏儀進(jìn)行帶電檢測，在出線套管頂部檢測到有黑色煙絮狀陰影（如圖1所示），確認(rèn)存在SF6氣體泄漏。同年10月年度綜合檢修對漏氣出線套管解體檢查，發(fā)現(xiàn)頂部端蓋的注膠螺栓孔內(nèi)有水存在，注膠槽內(nèi)硅橡膠密封膠已經(jīng)氣化消失，并且O型密封圈受到侵蝕。氣體泄漏原因分析為密封圈老化或者受潮失效導(dǎo)致SF6氣體泄漏。

2.2 GIS內(nèi)部放電故障

對近10年發(fā)生的數(shù)起GIS內(nèi)部放電故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致內(nèi)部放電的主要原因是制造廠生產(chǎn)過程管控不嚴(yán)，現(xiàn)場安裝沒有嚴(yán)格按照工藝進(jìn)行，螺栓墊片緊固不緊等，安裝現(xiàn)場未進(jìn)行防塵，導(dǎo)致外部灰塵、雜物遺留在GIS內(nèi)部。

圖1 套管頂端SF6氣體泄漏圖

案例3：出廠安裝不當(dāng)導(dǎo)致運(yùn)行后絕緣盆子閃絡(luò)放電。2010年5月20日，某站220 kV 292間隔故障跳閘，氣體成分分析檢查發(fā)現(xiàn)B相斷路器氣室硫化物成分顯著增高，I母豎式隔離開關(guān)氣室存在少量硫化物。故障斷路器解體后發(fā)現(xiàn)B相斷路器氣室與I母隔離開關(guān)氣室之間的盆式絕緣子產(chǎn)生了裂紋、碎片及放電擊穿孔洞（如圖2所示），動觸頭側(cè)屏蔽罩因電弧作用表面燒黑，中間導(dǎo)向桿偏下部有明顯擠壓、接觸痕跡。技術(shù)人員對該盆式絕緣子的材料、生產(chǎn)過程及出廠試驗(yàn)進(jìn)行了追溯，未發(fā)現(xiàn)問題，排除了該盆式絕緣子制造質(zhì)量的問題。從盆式絕緣子放電后的痕跡分析，故障前絕緣子內(nèi)部已有裂縫，在運(yùn)行中發(fā)生放電，電弧能量在內(nèi)部裂縫中不能迅速釋放，導(dǎo)致盆式絕緣子發(fā)生炸裂，產(chǎn)生了絕緣子碎塊。從故障盆式絕緣子的觸頭燒黑、導(dǎo)向桿擠壓痕跡分析，本次故障主要原因是由于斷路器出廠裝配時(shí)，導(dǎo)電桿安裝中心位置精度控制不到位，導(dǎo)致盆式絕緣子連接后受到應(yīng)力作用，長途運(yùn)輸后產(chǎn)生微小裂紋，帶電運(yùn)行后，裂紋繼續(xù)擴(kuò)大導(dǎo)致絕緣擊穿發(fā)生放電。

圖2 放電擊穿盆式絕緣子

案例4：隔離開關(guān)傳動機(jī)構(gòu)部件變形磨損引起的GIS局放異常[5]。2015年12月12日，某220 kV變電站巡檢過程中發(fā)現(xiàn)220 kV GIS 2085間隔C相有異常響聲，隨即進(jìn)行現(xiàn)場帶電診斷。SF6氣體分析檢測發(fā)現(xiàn)2085間隔氣室SO2體積分?jǐn)?shù)為5 μL/L，H2S體積分?jǐn)?shù)為0.5 μL/L，SO2體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過注意值1 μL/L，表明氣室內(nèi)部有放電；然后利用超聲波和特高頻法進(jìn)行局放檢測和定位。綜合上述幾種帶電檢測結(jié)果判斷，2085-1 C相隔離開關(guān)存在局部放電，放電類型屬于懸浮放電，放電點(diǎn)位于2085-1 C相隔離開關(guān)傳動機(jī)構(gòu)處。解體檢查發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)傳動機(jī)構(gòu)導(dǎo)電桿上集聚大量灰黑色粉末，導(dǎo)電桿內(nèi)側(cè)有摩擦痕跡，導(dǎo)電桿末端銷子嚴(yán)重磨損；夾插兩側(cè)有磨損痕跡，等電位彈簧受擠壓變形失去了彈性。本次故障的主要原因是：在安裝時(shí)，夾插與銷子之間位置配合不當(dāng)，導(dǎo)致等電位彈簧受到擠壓力，長時(shí)間運(yùn)行后等電位彈簧不可逆變形，使得夾插和銷子接觸不良，產(chǎn)生懸浮電位并放電；夾插外側(cè)與導(dǎo)電桿末端磨損可能為制造或者安裝過程中，因材料、制造質(zhì)量或者安裝工藝控制不嚴(yán)，造成位置配合不當(dāng)，或者在出廠試驗(yàn)時(shí)多次分合操作造成接觸面磨損等。

2.3 GIS斷路器操動機(jī)構(gòu)異常

對GIS斷路器操動機(jī)構(gòu)異常案例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)備故障的主要原因是由于設(shè)備廠家早期技術(shù)力量薄弱，斷路器在元件生產(chǎn)工藝控制、安裝工藝控制及出廠驗(yàn)收方面存在嚴(yán)重問題，導(dǎo)致斷路器長期運(yùn)行后出現(xiàn)設(shè)備質(zhì)量隱患。

案例5：某220 kV站GIS設(shè)備斷路器機(jī)械特性異常。2018年5月13日，某220 kV站綜合檢修發(fā)現(xiàn)6臺GIS斷路器合閘時(shí)間及同期時(shí)間嚴(yán)重超標(biāo)，型號為ZF11B-252（L），2014年投入運(yùn)行?，F(xiàn)場對斷路器機(jī)構(gòu)解體后發(fā)現(xiàn)，6臺斷路器彈簧機(jī)構(gòu)的兩輪間隙調(diào)節(jié)全部不合格，合閘彈簧調(diào)節(jié)桿外露尺寸一致性差。主要原因?yàn)樯a(chǎn)廠家在斷路器關(guān)鍵工藝質(zhì)量控制、裝配質(zhì)量控制、關(guān)鍵部件把關(guān)驗(yàn)收和整組設(shè)備出廠試驗(yàn)等環(huán)節(jié)把關(guān)不嚴(yán)，導(dǎo)致設(shè)備在投運(yùn)后性能發(fā)生異常，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下了隱患。

案例6：某500 kV站罐式斷路器油壓低閉鎖合閘異常。2018年5月16日0時(shí)46分，某500 kV站5023斷路器“低油壓閉鎖合閘”報(bào)警，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)5023罐式斷路器液壓彈簧機(jī)構(gòu)高壓油路模塊油輕微滲漏，機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部存在少量液壓油油跡，導(dǎo)致斷路器頻繁打壓至低油壓閉鎖合閘。后對高壓油路模塊解體檢查，發(fā)現(xiàn)滲油原因?yàn)闄C(jī)構(gòu)換向閥處螺絲壓力墊和密封墊安裝錯(cuò)位，密封不嚴(yán)。

2.4 二次回路故障

非全相保護(hù)誤動作。某220 kV站早期GIS斷路器本體非全相功能不完善，在污穢潮濕條件下，斷路器機(jī)構(gòu)箱內(nèi)輔助開關(guān)引出的非全相啟動回路接點(diǎn)與斷路器位置指示燈接點(diǎn)之間形成放電短路，導(dǎo)致斷路器本體非全相保護(hù)誤啟動跳閘。

3 存在的問題及建議

對上述案例進(jìn)行分析后可以得出，造成山西電網(wǎng)GIS設(shè)備常見缺陷和故障的主要原因是工程設(shè)計(jì)階段、設(shè)備制造階段、安裝調(diào)試階段的質(zhì)量管理與控制不嚴(yán)造成的，具體表現(xiàn)為GIS產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原材料質(zhì)量、工廠裝配、現(xiàn)場安裝工藝及交接驗(yàn)收等環(huán)節(jié)存在質(zhì)量控制不嚴(yán)，導(dǎo)致存在隱患的設(shè)備投入運(yùn)行，這些隱患導(dǎo)致嚴(yán)重的電網(wǎng)事故和設(shè)備事故，造成不良影響。因此，要加強(qiáng)設(shè)備入網(wǎng)前期質(zhì)量管控及投運(yùn)后設(shè)備運(yùn)維檢修。

a） 工程設(shè)計(jì)階段。在GIS產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，要結(jié)合設(shè)備實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀，嚴(yán)格按照設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)、公司反事故措施、差異化要求等進(jìn)行設(shè)計(jì)審查，重點(diǎn)是對在原理上可行但實(shí)際運(yùn)行中容易損傷造成設(shè)備隱患的微小元件的運(yùn)行可靠性進(jìn)行審查；對二次控制和信號回路的完整性進(jìn)行審查，二次回路不應(yīng)該有寄生回路，防跳繼電器、非全相繼電器要設(shè)置在匯控箱內(nèi)，不應(yīng)設(shè)置在機(jī)構(gòu)箱內(nèi)；對于易發(fā)生閃絡(luò)的盆式絕緣子，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量水平布置；設(shè)備機(jī)構(gòu)箱內(nèi)要有完善的溫度濕度控制裝置，且布置合理，便于運(yùn)維期間進(jìn)行定整定訂設(shè)置。

b） 設(shè)備制造階段。在原材料料質(zhì)量控制方面，對制造設(shè)備的主要原材料、外購件的證明文件及檢驗(yàn)報(bào)告和質(zhì)量證明文件（材質(zhì)成分報(bào)告、機(jī)械強(qiáng)度報(bào)告等）、制造廠家提交的檢驗(yàn)資料進(jìn)行審查；檢查實(shí)際材質(zhì)與材質(zhì)單是否一致，外協(xié)外購件的尺寸公差、形狀公差、位置公差是否滿足圖紙要求；針對GIS本體及附件易發(fā)生漏氣隱患，重點(diǎn)進(jìn)行GIS密封性檢測；在產(chǎn)品裝配方面，重點(diǎn)檢查工廠設(shè)備裝配記錄是否全面，是否符合產(chǎn)品裝配技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，裝配記錄應(yīng)可追溯。

c）安裝調(diào)試階段。GIS設(shè)備現(xiàn)場安裝時(shí)，應(yīng)采取有效的防塵措施，必要時(shí)搭建專用的防塵室，重點(diǎn)監(jiān)督GIS元件清理過程，防止灰塵顆粒擦拭不干凈及其他金屬小部件遺留在GIS設(shè)備內(nèi)部；監(jiān)督檢查現(xiàn)場安裝工序卡，防止部件錯(cuò)裝、漏裝、安裝不到位等現(xiàn)象發(fā)生；交接試驗(yàn)除了完成規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目外，應(yīng)對影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢查，特別是影響斷路器機(jī)械特性的關(guān)鍵參數(shù)，彈簧機(jī)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)構(gòu)內(nèi)部兩輪間隙、分閘電磁鐵頂桿間隙、合閘簧調(diào)節(jié)桿外露尺寸、脫扣器動作等直接影響開關(guān)可靠分合閘性能的關(guān)鍵部件及裝配工藝等逐項(xiàng)檢查驗(yàn)收并做好記錄；液壓機(jī)構(gòu)重點(diǎn)測試油壓開關(guān)所有微動開關(guān)接點(diǎn)回路，檢查電機(jī)電源回路接線完好，核對監(jiān)控后臺信息，校驗(yàn)分閘、合閘、重合閘閉鎖油壓整定值；GIS設(shè)備耐壓期間要同時(shí)做好局放檢測工作，并記錄局放值。

d）運(yùn)維檢修階段。GIS運(yùn)行中，要加強(qiáng)帶電檢測和在線監(jiān)測工作，按周期開展紅外、特高頻、超聲波帶電檢測，必要時(shí)結(jié)合SF6氣體成分分析進(jìn)行綜合分析判斷；做好SF6氣室壓力巡查及記錄工作，定期進(jìn)行分析對比，提前發(fā)現(xiàn)氣室漏氣缺陷；做好設(shè)備防雨、防塵、通風(fēng)、防潮性能巡查工作；GIS例行檢修，要做好機(jī)械特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)、關(guān)鍵工藝參數(shù)的橫向縱向比對分析；開展非全相繼電器功能校驗(yàn)工作；加強(qiáng)輔助開關(guān)接點(diǎn)的檢修維護(hù)工作。

4 結(jié)語

a） 絕大多數(shù)GIS設(shè)備發(fā)生缺陷、故障的原因?yàn)镚IS在投入運(yùn)行前就帶有隱患。因此，GIS制造廠要嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行設(shè)備質(zhì)量管控，同時(shí)電網(wǎng)公司設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督部門要將監(jiān)督關(guān)口前移，在GIS生產(chǎn)、制造、運(yùn)輸和交接驗(yàn)收各個(gè)階段，嚴(yán)格按照《國網(wǎng)公司GIS驗(yàn)收管理規(guī)定》和《GIS全過程技術(shù)監(jiān)督精益化管理實(shí)施細(xì)則》做好設(shè)備入網(wǎng)投運(yùn)前質(zhì)量把關(guān)工作。

b）做好產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)工作，提高員工的技能水平，積極開展設(shè)備原理結(jié)構(gòu)、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程培訓(xùn)工作，開展實(shí)操和技能競賽工作，努力打造一批高水平生產(chǎn)運(yùn)維人員，為電網(wǎng)設(shè)備安全可靠運(yùn)行做好技術(shù)保障。