220 kV GIS 刀閘故障分析及處理

莊 騫

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司湛江供電局，廣東 湛江 524008）

1 事件經(jīng)過(guò)

2017 年6 月1 日，某升壓站X 主變變高220X開關(guān)合閘后A 相電流出現(xiàn)間歇性波動(dòng)，持續(xù)約38 s后X 主變變高開關(guān)220X 跳閘，保護(hù)屏發(fā)“主變差動(dòng)動(dòng)作”“主變差動(dòng)速斷動(dòng)作”?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)4 號(hào)變高220X 進(jìn)線刀閘220X 間隔A 相部分外殼發(fā)黑，溫度明顯偏高，解體檢查發(fā)現(xiàn)該間隔發(fā)生明顯對(duì)地拉弧放電，內(nèi)部設(shè)備損壞嚴(yán)重。經(jīng)專業(yè)討論，隨即將該間隔拆除并用220 kV 備用開關(guān)的出線間隔A 相整體予以更換，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)后于6 月11 日通過(guò)220 kV 6 號(hào)母線與系統(tǒng)并列，投入運(yùn)行正常。

2 設(shè)備概況

圖1 為220X 開關(guān)間隔示意圖，該間隔于1997年出廠，1999 年投運(yùn)。

3 保護(hù)動(dòng)作分析

對(duì)保護(hù)裝置及相關(guān)二次設(shè)備進(jìn)行檢查，確認(rèn)保護(hù)裝置主一、主二保護(hù)動(dòng)作一致，2 套保護(hù)均為主變差動(dòng)，非電量保護(hù)未動(dòng)作，遠(yuǎn)方報(bào)警信息完整、故障錄波完整，二次設(shè)備無(wú)異常。通過(guò)錄波圖（見圖2） 分析，X 主變變高220X 合閘1.9 s 后，X 主變變高220X 開關(guān)A 相電流開始間歇性波動(dòng)，持續(xù)時(shí)間為38.3 s，期間A 相故障電流共有48 次紋波電流，前47 次持續(xù)的時(shí)間不長(zhǎng)且電流也不大，達(dá)不到保護(hù)出口動(dòng)作定值，最后1 次故障電流幅值大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，電流最大4.952 kA，故障紋波持續(xù)時(shí)間為1.8 s，已達(dá)到主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作定值。在這一次故障電流發(fā)生后，二次保護(hù)正確動(dòng)作，220X 開關(guān)跳閘。

4 刀閘及其操作機(jī)構(gòu)檢查

4.1 刀閘檢查

圖1 220X 開關(guān)間隔示意圖

圖2 X 主變保護(hù)動(dòng)作錄波圖

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)220X 4 刀閘氣室外壁過(guò)熱變色，油漆脫落，故障部位發(fā)黑，解體檢查筒內(nèi)壁及其內(nèi)部元件附著有大量的黃色電弧粉塵。220X 4 動(dòng)觸頭端部燒蝕嚴(yán)重，動(dòng)梅花中間觸頭的均壓環(huán)已燒出1個(gè)孔洞，靜觸頭觸指及均壓環(huán)完全燒損，銅屏蔽罩部分燒熔，刀閘氣室底部的吸附劑盆子灼燒、發(fā)黑，吸附劑金屬外罩也燒毀，該間隔內(nèi)的220X40地刀機(jī)構(gòu)及220XC0 地刀機(jī)構(gòu)無(wú)明顯熔損痕跡。動(dòng)梅花中間觸頭的均壓環(huán)已熔損，燒出一個(gè)大洞；與之對(duì)應(yīng)方向的吸附劑盆子也發(fā)生嚴(yán)重熔損。判斷此兩者之間發(fā)生過(guò)放電燒蝕。220X 4 刀閘的動(dòng)觸頭、靜觸頭都已完全燒毀（見圖3）。動(dòng)觸頭的導(dǎo)電桿頭部表面凹凸不平，還可看到燒熔的金屬顆粒物附著在上面。靜觸頭的屏蔽罩端部完全燒熔，觸指全部燒熔，僅有小部分殘存。判斷動(dòng)觸頭、靜觸頭之間也發(fā)生過(guò)放電燒蝕。

圖3 220X 4 氣室故障動(dòng)靜觸頭

4.2 操作機(jī)構(gòu)檢查情況

220X4 刀閘A、B、C 三相是同一個(gè)氣室，其分、合閘操作是通過(guò)同一個(gè)操作機(jī)構(gòu)箱同步帶動(dòng)的。機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的操作電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)，齒輪帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)拐臂運(yùn)動(dòng)，拐臂帶動(dòng)撥叉運(yùn)動(dòng)，撥叉帶動(dòng)動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿動(dòng)作。但檢查發(fā)現(xiàn)拐臂并沒(méi)有到合閘位，只轉(zhuǎn)動(dòng)到全部行程約2/3 處，那么可以判斷動(dòng)觸頭也只運(yùn)動(dòng)到行程的約2/3 處。

徒手扳動(dòng)拐臂時(shí)，可以感覺(jué)到拐臂從分閘位運(yùn)動(dòng)到合閘位有2 個(gè)階段：一是將拐臂從分閘位扳到故障位，只需一個(gè)較小的扭力，隨后遇到一個(gè)阻力；二是從故障位扳到合閘位，則需一個(gè)較大的扭力才能扳動(dòng)。這是因?yàn)閯?dòng)觸頭導(dǎo)電桿在進(jìn)入靜梅花觸頭后，靜梅花觸頭裝有彈簧觸指使得其能與動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿牢固接觸，因而其摩擦阻力增大，因此判斷A 相合閘動(dòng)作不到位。

通過(guò)刀閘分合閘原理可以知道，刀閘的操作電機(jī)是通過(guò)控制激磁線圈電流的流向來(lái)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)刀閘合閘、分閘。電機(jī)上施加的220 V直流電是由電機(jī)、勵(lì)磁線圈、碳刷接觸電阻R共同分擔(dān)。用萬(wàn)用表測(cè)量該電機(jī)電阻R為10.5 Ω，而測(cè)量其他電機(jī)電阻為5.2 Ω。電機(jī)解體后將碳刷壓片調(diào)整后，電阻降回5.3 Ω。

當(dāng)接觸電阻過(guò)大時(shí)，電機(jī)及激磁線圈上所分得的電壓就偏小，則其輸出轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也較原來(lái)小。如遇阻力大過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，則電機(jī)就會(huì)堵轉(zhuǎn)，無(wú)法推動(dòng)機(jī)構(gòu)繼續(xù)動(dòng)作。在刀閘機(jī)械動(dòng)作回路中動(dòng)觸頭到全行程的2/3 位置后因有彈簧觸指使得阻力增大，而此時(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)如果力矩不足無(wú)法克服變大的阻力則會(huì)導(dǎo)致動(dòng)觸頭無(wú)法進(jìn)一步前進(jìn)與靜觸頭觸指可靠接觸。

5 GIS 刀閘故障原因分析

通過(guò)對(duì)以上設(shè)備的檢查分析，可以推斷出當(dāng)時(shí)的故障過(guò)程。

值班員對(duì)220X 4 刀閘進(jìn)行合閘操作。合閘指令發(fā)出后，220X 4 刀閘機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的操作電機(jī)通電，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)，帶動(dòng)220X 4 刀閘動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿向靜觸頭方向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)運(yùn)動(dòng)阻力較小，電機(jī)可正常帶動(dòng)。當(dāng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)至行程的約2/3 處，即動(dòng)觸頭剛進(jìn)入靜梅花觸頭時(shí)，摩擦阻力增加，動(dòng)觸頭繼續(xù)前進(jìn)合閘所需克服的阻力變大。此時(shí)電機(jī)由于內(nèi)阻偏大的原因，出力不足，導(dǎo)致其不足以克服阻力到達(dá)正常合閘位置，動(dòng)觸頭就停留在中間位置上，此時(shí)A 相的動(dòng)、靜觸頭之間處于臨界接觸狀態(tài)，動(dòng)靜觸頭距離非常小。當(dāng)220X 開關(guān)合閘后，動(dòng)、靜觸頭之間不可避免會(huì)產(chǎn)生電壓差，而此時(shí)動(dòng)、靜觸頭之間的距離很小，此間隙很容易被電壓擊穿而形成放電。由于放電過(guò)程產(chǎn)生極高的溫度，電弧燃燒造成靜觸頭的屏蔽罩和觸指被燒蝕，在電弧燒穿屏蔽罩和觸指后對(duì)吸附劑盆子放電，形成對(duì)地放電通道，產(chǎn)生故障電流，間歇性電弧放電不斷發(fā)展加劇，過(guò)程持續(xù)到38.3 s 時(shí)，故障電流急劇增大，將動(dòng)梅花觸頭、吸附劑盆子也都熔毀，最終故障電流過(guò)大導(dǎo)致二次保護(hù)動(dòng)作，主變跳閘。

通過(guò)以上分析，220X 4 刀閘沒(méi)有完全合到位是導(dǎo)致220X 4 刀閘間隔故障的直接原因，而刀閘操作電機(jī)故障則是導(dǎo)致220X 4 刀閘A 相沒(méi)有合到位的主要原因。

6 GIS 刀閘故障處理

做好停電隔離措施，進(jìn)行氣體回收，制定搶修方案，安排好相關(guān)的人員及工具，準(zhǔn)備密封圈、SF6氣體等材料、備件，聯(lián)系開關(guān)廠家技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助安裝指導(dǎo)，將該間隔拆除并用220 kV 備用開關(guān)的出線間隔A 相整體予以替換，并更換了220X 間隔所拆裝范圍內(nèi)吸附劑、相關(guān)密封。組裝后測(cè)量動(dòng)觸頭行程（198±0.5） mm、開距（172±0.5） mm，動(dòng)靜觸頭的接觸行程（25±2） mm，進(jìn)行抽真空在40 Pa 以下充入SF6氣體至額定壓力0.5 MPa，測(cè)量220X 4 三相回路電阻為102 μΩ、108 μΩ、106 μΩ，SF6氣體濕度檢測(cè)結(jié)果為150 μL/L，全部在廠家技術(shù)規(guī)范要求范圍內(nèi)，滿足投運(yùn)條件。6 月11 日檢修完畢后成功送電。

7 防范措施

a） 對(duì)GIS刀閘機(jī)構(gòu)制定全面排查整改方案，對(duì)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的電氣元器件及控制回路進(jìn)行檢查測(cè)試，特別是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、操作連桿、輔助觸點(diǎn)等曾經(jīng)多次出現(xiàn)故障的設(shè)備要加強(qiáng)檢測(cè)，對(duì)于明顯老化、運(yùn)行不可靠的電氣元器件應(yīng)及時(shí)予以更換。對(duì)相應(yīng)的檢修工藝規(guī)程與檢修作業(yè)文件包及時(shí)進(jìn)行修改，增加二期GIS 刀閘及其操作機(jī)構(gòu)的巡視、檢修和維護(hù)內(nèi)容。

b） 結(jié)合主變及線路停電檢修計(jì)劃制訂相應(yīng)的GIS 間隔的大修計(jì)劃，對(duì)GIS 設(shè)備進(jìn)行解體大修，必要時(shí)可尋求原廠家的支持、配合。

c） 加強(qiáng)對(duì)值班員進(jìn)行GIS 設(shè)備運(yùn)行操作技能及應(yīng)知應(yīng)會(huì)的培訓(xùn)，尤其是如何有效判斷封閉式刀閘合、分閘到位的培訓(xùn)，防止類似事件發(fā)生；提高值班員的電氣專業(yè)技術(shù)水平及責(zé)任心。組織修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)操作票，在該類標(biāo)準(zhǔn)刀閘操作票中應(yīng)單獨(dú)列一項(xiàng)檢查刀閘分合位置的詳細(xì)要求：在刀閘操作過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行刀閘分合閘位置核對(duì)工作要求，通過(guò)“機(jī)構(gòu)箱分合閘指示牌、匯控箱位置指示燈、后臺(tái)監(jiān)控機(jī)的位置指示、現(xiàn)場(chǎng)位置畫線標(biāo)識(shí)確認(rèn)”，明確刀閘分合閘狀態(tài)。

d） 針對(duì)當(dāng)前GIS 設(shè)備使用年限久、近年故障率高、其備品備件已停產(chǎn)多年的情況，考慮GIS 設(shè)備改造可行性及改造方案。