LW30A-550型罐式斷路器故障缺陷分析與處理

葛志成, 宮文濤, 史曉飛, 房崇峰,徐 懌

(1.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長(zhǎng)春 130021；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司，長(zhǎng)春 130028；3.國(guó)網(wǎng)四平供電公司，吉林 四平 136000)

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，500 kV斷路器的設(shè)備數(shù)量逐年增加，其運(yùn)行工況較220 kV電網(wǎng)復(fù)雜得多[1]。近些年電網(wǎng)公司550 kV罐式斷路器發(fā)生多起故障跳閘事件，斷路器內(nèi)的電容器、合閘電阻、絕緣拉桿、粒子捕捉器、罐體內(nèi)屏蔽罩、盆式絕緣子都是引起跳閘故障的原因[2-5]，其中罐體內(nèi)屏蔽罩是故障多發(fā)部位，具體表現(xiàn)為擊穿放電。屏蔽罩在斷路器滅弧室中起著重要的作用，滅弧室燃弧過程產(chǎn)生的金屬蒸汽、電子和離子能以很短時(shí)間擴(kuò)散并吸附到屏蔽罩上冷凝，從而在電流過零時(shí)迫使電弧熄滅。

1 故障過程及動(dòng)作保護(hù)情況

20180512T02：23：00，某500 kV變電站500 kVⅠ段母線失壓，5031斷路器故障。06：34：00，5031斷路器轉(zhuǎn)檢修。10：23：00，Ⅰ段母線恢復(fù)運(yùn)行。5031斷路器A、B、C相外觀基本完好；周圍部分隔離開關(guān)、避雷器等設(shè)備基本完好。500 kVⅠ段母線雙套保護(hù)均為B相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，故障一次電流約為18 kA，套母差保護(hù)分別于故障后6.0、7.5 ms，50 ms后跳開5012、5011、5021斷路器、5031斷路器B相持續(xù)有電流流出，5031斷路器失靈保護(hù)302 ms跳開5032斷路器，368 ms后故障電流消失。該斷路器2007年4月出廠，2007年10月投運(yùn)。雷電沖擊耐受電壓1 675 kV/(1 675+450) kV,工頻耐受電壓740 kV/(740+318) kV，額定電流4 000 A,額定斷開電流63 kV。

2 外觀檢查及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5031斷路器故障后，工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)一次設(shè)備進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)5031斷路器B相機(jī)構(gòu)側(cè)罐體下方有疑似放電擊穿點(diǎn)，并且氣室壓力表指針下降到0.4 MPa以下?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)斷路器A、B、C三相氣室進(jìn)行氣體分解物成分檢測(cè)和微水試驗(yàn)，其中A、C相斷路器本體氣室未發(fā)現(xiàn)氣體分解物及微水含量都符合要求，B相本體氣室分解產(chǎn)物測(cè)試體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)、水分含量超標(biāo)，初步判斷本體內(nèi)部發(fā)生放電擊穿，具體原因需設(shè)備解體檢查確認(rèn)。

3 返廠檢查及故障原因分析

B相斷路器返廠后將本體解體，打開斷路器兩側(cè)蓋板檢查設(shè)備內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)斷路器內(nèi)部動(dòng)側(cè)屏蔽罩有兩處電弧燒蝕點(diǎn)、罐體位置有一處電弧燒蝕點(diǎn)。將滅弧室抽出罐體，徹底檢查滅弧室、斷路器本體。斷路器動(dòng)側(cè)屏蔽罩底部有明顯放電痕跡，屏蔽罩表面燒蝕成一個(gè)直徑約為1.4 cm和一個(gè)直徑約為1.1 cm大小的坑狀燒蝕點(diǎn)(見圖1)。大的燒蝕點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的罐體內(nèi)表面存在大面積熏黑現(xiàn)象，有局部噴濺形點(diǎn)狀發(fā)黑痕跡，中間出現(xiàn)疑似熔融的凹坑，凹坑周圍材質(zhì)不明的熔融產(chǎn)物和灰白色粉末狀物質(zhì)(見圖2)。

圖1 屏蔽罩表面損毀的情況

圖2 罐體表面噴濺情況

較小的燒蝕點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置的罐體內(nèi)表面燒蝕痕跡呈直徑20 cm左右的圓形，中間燒蝕出一個(gè)直徑1.0 cm的小坑，燒蝕痕跡外圍有油漆高溫后噴濺的不規(guī)則花紋(見圖3)。之前外觀檢查發(fā)現(xiàn)的疑似放電點(diǎn)位置是該燒蝕點(diǎn)已將外殼燒穿。因故障相滅弧室屏蔽罩損毀嚴(yán)重，無法判斷缺陷具體形成原因，后續(xù)又將A、C非故障相斷路器本體解體，均發(fā)現(xiàn)屏蔽罩屏蔽旋壓的中空處存在突起鐵刺及金屬顆粒的情況(見圖4)。

圖3 罐體上燒蝕的痕跡

圖4 屏蔽罩端部均壓環(huán)卷口

斷路器滅弧室以SF6作為絕緣氣體，在穩(wěn)態(tài)工頻交流電壓下，在突出物附近形成高電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域。當(dāng)該高電場(chǎng)強(qiáng)度大于SF6氣體的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度則會(huì)發(fā)生尖端電暈放電，在一定程度上改善了整個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，在穩(wěn)定的電暈放電狀態(tài)下，不易形成貫通性的擊穿故障，但在快速暫態(tài)過電壓和雷電過電壓下，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，加之面積效應(yīng)等因素，會(huì)發(fā)展成貫通性放電擊穿故障[6]。

金屬顆粒在電場(chǎng)力等的綜合作用下運(yùn)動(dòng)到高壓電極附近時(shí)，由于自由微粒本身帶有一定量的電荷，所以自由微粒和高壓電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度很高，這導(dǎo)致了自由微粒與高壓電極間的微小間隙擊穿。對(duì)于非常小的顆粒來說，它們單純?cè)陔妶?chǎng)作用下能夠得到的電荷量是非常有限的，但如果是大量的顆粒在一起，可能會(huì)有某些顆粒的電荷量非?？捎^，進(jìn)而在電場(chǎng)的作用下能夠運(yùn)動(dòng)到更高的地方。特別在均壓環(huán)卷口附近的細(xì)小微粒，可能由于上述作用而運(yùn)動(dòng)聚集在屏蔽罩表面上，引起閃絡(luò)擊穿故障。

通過上述理論分析，判定是斷路器機(jī)構(gòu)側(cè)滅弧室屏蔽罩在生產(chǎn)或安裝過程中，頂端均壓環(huán)卷口中鐵屑雜質(zhì)和金屬顆粒未及時(shí)清理干凈，導(dǎo)致此次內(nèi)部絕緣擊穿放電。

4 理論仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 工頻電壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

在斷路器異常位置施加740 kV的工頻電壓時(shí)，斷路器內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為10.634 kV/mm，位于屏蔽罩下方側(cè)面處，其所對(duì)應(yīng)的罐體內(nèi)壁處電場(chǎng)強(qiáng)度為2.432 10 kV/mm，屏蔽罩燒穿處電場(chǎng)強(qiáng)度為5.020 95 kV/mm，其所對(duì)應(yīng)的罐體內(nèi)壁處電場(chǎng)強(qiáng)度為2.856 20 kV/mm(見圖5)。

圖5 工頻電壓電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

4.2 雷電沖擊電壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

在斷路器異常位置施加1 675 kV的雷電沖擊耐受電壓時(shí)，斷路器內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為24.657 kV/mm，同樣位于屏蔽罩下方側(cè)面處，其所對(duì)應(yīng)的罐體內(nèi)壁處電場(chǎng)強(qiáng)度為4.600 32 kV/mm，屏蔽罩燒穿處電場(chǎng)強(qiáng)度為11.390 43 kV/mm，其所對(duì)應(yīng)的罐體內(nèi)壁處電場(chǎng)強(qiáng)度為6.310 97 kV/mm(見圖6)。

圖6 雷電沖擊電壓電場(chǎng)計(jì)算

斷路器內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力為0.6 MPa，最低功能壓力為0.5 MPa，不同氣體壓力時(shí)所允許的電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值不同，見表1。E1為雷電沖擊負(fù)極性電壓下的50%擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，E2為耐受電壓下的允許電場(chǎng)強(qiáng)度值，E3為考慮足夠的絕緣裕度時(shí)的雷電沖擊允許電場(chǎng)強(qiáng)度值。在最低功能壓力下的雷電沖擊允許電場(chǎng)強(qiáng)度29 kV/mm，大于該斷路器的理論計(jì)算值最大值24.657 kV/mm。

表1 氣體壓力對(duì)應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值

4.3 電氣驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證屏蔽罩內(nèi)壁存在異物對(duì)套管整體絕緣性能的影響，人為的在屏蔽筒內(nèi)壁放置了一些細(xì)小的金屬屑。完成裝配后進(jìn)行了工頻耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：將電壓升至550 kV，保壓30 min后無異常；繼續(xù)升壓至740 kV時(shí)放電跳閘，再次升壓至730 kV時(shí)放電跳閘，試驗(yàn)不合格。

通過以上電場(chǎng)計(jì)算及電氣試驗(yàn)，驗(yàn)證了解體檢查分析結(jié)論是正確的。

5 整改措施

a.加強(qiáng)廠內(nèi)裝配過程管控，增加工藝專檢和每一步安裝的吸塵環(huán)節(jié)，防止無毛紙等異物帶入或遺留在滅弧室。

b.運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的套管，應(yīng)在防塵棚內(nèi)再次清理套管內(nèi)屏蔽罩，然后進(jìn)行安裝，采取冗余的清理措施，以防清理環(huán)節(jié)的遺漏。

c.改變罐體側(cè)蓋板拆除工序，規(guī)定下端螺栓最后拆除，且其余螺栓拆除后，增加對(duì)螺紋孔進(jìn)行吸塵器清理環(huán)節(jié)。并在蓋板拆除后立即加裝防塵套。