500kV GIS隔離開(kāi)關(guān)操作過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)分析處理

（山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山西省忻州市 035503）

0 引言

某抽水蓄能電站采用一回500kV輸電線路與變電站相連，電氣主接線方式為四角形接線。GIS主要包括500kV斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電壓互感器、快速接地開(kāi)關(guān)、SF6氣隔等設(shè)備。GIS設(shè)備制造商為日本AE Power公司，因該類(lèi)型GIS隔離開(kāi)關(guān)在其他電廠發(fā)生操作過(guò)電壓造成內(nèi)部接地閃絡(luò)現(xiàn)象[1]，故對(duì)該電站現(xiàn)有GIS隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)分析及故障處理。

1 GIS隔離開(kāi)關(guān)操作電壓分析

該電站GIS隔離開(kāi)關(guān)額定電壓為550kV，額定電流為2500A，額定沖擊耐受電壓為1550kV，操作沖擊耐壓（250/2500Us）斷口間為1250+450kVp，相對(duì)地為1250kVp。

500kV高壓開(kāi)關(guān)極間存在電容，在操作斷路器兩側(cè)隔離斷路器時(shí)，產(chǎn)生的電壓是不同的[2]，當(dāng)斷路器斷開(kāi)后，DS2在合位時(shí)，原理如圖1所示。

圖1 DS2在合位時(shí)電氣原理圖Figure 1 Schematic diagram of DS2 closing

操作DS1時(shí)，Vd2=V2，Vd1=121/（200+121）×V2=0.377V2（37.7%）；DS1產(chǎn)生的電壓為V1-Vd1=100%-37.7%=62.3%。由此操作DS1產(chǎn)生的電壓被斷路器極間電容和GIS對(duì)地電容分壓，該電壓約被減少63%。

DS1拉開(kāi)后，原理如圖2所示。

圖2 DS1分位時(shí)電氣原理圖Figure 2 Schematic diagram of DS1 opening

操作DS2時(shí)：Vd1=5/（275.4+5）×V1= 0.018V1Vd2= 1.8%×121/（200+121）=1.8%×0.38=0.68%；DS1產(chǎn)生電壓為V2-Vd2=100%-0.68%=99.32%，由此可知，在DS1拉開(kāi)后，操作DS2產(chǎn)生的電壓被斷路器極間電容和GIS對(duì)地電容分壓較小，基本為額定工作電壓，操作過(guò)程中可能出現(xiàn)過(guò)壓閃絡(luò)現(xiàn)象，GIS隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖及產(chǎn)生過(guò)電壓部位如圖3所示。

圖3 GIS隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of GIS disconnection structure

500kV GIS系統(tǒng)SF6隔離開(kāi)關(guān)合分母線過(guò)電壓幅值不高，但陡度大，在國(guó)內(nèi)500kV系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)幾次擊穿故障，目前使用方法一般為采用串聯(lián)電感、并聯(lián)電容等方式解決。

2 GIS隔離開(kāi)關(guān)過(guò)電壓檢測(cè)及改造原理

該電站安排500kV線路停電期間進(jìn)行了2臺(tái)隔離開(kāi)關(guān)低電壓下重燃弧沖擊倍數(shù)的測(cè)定。測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隔離開(kāi)關(guān)接近或超過(guò)IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分合充電電流時(shí)重燃弧沖擊倍數(shù)2.0p.u.，2臺(tái)GIS隔離開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)分別為2.11p.u.和1.98p.u.；電源側(cè)分別為2.34p.u.和2.04p.u.，測(cè)試回路示意圖如圖4所示。

圖4 隔離開(kāi)關(guān)測(cè)試回路示意圖Figure 4 Schematic diagram of disconnection test circuit

根據(jù)現(xiàn)地實(shí)施的重燃弧沖擊倍數(shù)的測(cè)試結(jié)果，對(duì)隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改良提升設(shè)計(jì)裕度，以測(cè)定結(jié)果最大值2.34p.u.對(duì)GIS隔離開(kāi)關(guān)構(gòu)造進(jìn)行改造。

為加強(qiáng)動(dòng)觸頭前段對(duì)地絕緣強(qiáng)度，采用結(jié)構(gòu)變化使斷口間放電的開(kāi)離距離變短，主要采用將隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)觸頭前端增加“R”尺寸，斷口間尺寸由145mm調(diào)整為115mm，斷口間屏蔽罩直徑由φ320mm調(diào)整為φ340mm。另為防止電弧燃弧延向固定側(cè)集電子彈簧，則將電源側(cè)屏蔽罩內(nèi)徑由φ155mm變?yōu)棣?5mm，改造前后的機(jī)構(gòu)圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 GIS隔離開(kāi)關(guān)改造前結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）Figure 5 Schematic diagram of GIS disconnection structure before alternation

圖6 GIS隔離開(kāi)關(guān)改造后結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）Figure 6 Schematic diagram of GIS disconnection structure after alternation

GIS隔離開(kāi)關(guān)操作時(shí)，電弧重燃過(guò)程的總時(shí)間隨著隔離開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)不同而異，GIS中DS操作斷口多次重燃或者預(yù)擊穿[3-4]：

（1）GIS以SF6為介質(zhì)，其電子雪崩臨界值為89MV/（m·MPa），只有電壓上升速度≥此臨界值時(shí)，出現(xiàn)預(yù)擊穿或重?fù)舸?/p>

（2）GIS中其斷口出現(xiàn)先導(dǎo)型放電時(shí)才會(huì)形成預(yù)擊穿或重?fù)舸?，在均勻或稍不均勻電?chǎng)中通道形成波的上升時(shí)間Tr可表征為：

式中：Δu——擊穿前電壓，kV；

Kt——Toepler火花常數(shù)，Kt=50kV·ns/cm；

s——火花長(zhǎng)度，cm。

對(duì) SF6絕緣GIS，其中：E/p0=860kV/(cm·MPa)，通常GIS的利用系數(shù)η=Emean/Emax-0.5～0.8，SF6氣 壓p=0.3～0.4MPa ，因此正常的GIS中由DS操作引起的沖擊陡坡Tr=5～20ns。隨著電極的粗糙、Δu/s下降，Tr會(huì)有所增加。暫態(tài)電壓最大陡度為：

在均勻電場(chǎng)中，SF6的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為空氣的2～3倍，在間隙距離相同的情況下，SF6中產(chǎn)生的最大電壓陡度為空氣的4～9倍。

（3）GIS中DS斷口出現(xiàn)預(yù)擊穿或重?fù)舸r(shí)，電磁波將沿DS斷口兩側(cè)傳輸，其間引起的暫態(tài)振蕩頻率既決定于系統(tǒng)的電氣參數(shù)，亦有賴(lài)于兩側(cè)母線的幾何長(zhǎng)度f(wàn)1=v/2l。通過(guò)計(jì)算設(shè)備改造后斷口間可能發(fā)生重燃弧的最大開(kāi)離尺寸為57mm（開(kāi)離度50%），與原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開(kāi)離尺寸85mm（開(kāi)離度59%）相比較縮短了28mm，最大開(kāi)離度位置變短后，降低了斷口間發(fā)生的重燃弧分支電弧沿向罐體側(cè)的危險(xiǎn)性。測(cè)定動(dòng)觸頭對(duì)地方向的電場(chǎng)值在開(kāi)離尺寸為57mm（開(kāi)離度50%），最大耐受電壓值為1800kVp，對(duì)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行“分”操作時(shí)發(fā)生的沖擊電壓試驗(yàn)值為1020kVp，能確保1.75倍裕度。即使針對(duì)GIS內(nèi)最苛刻位置可能發(fā)生的理論上最大沖擊電壓3p.u.（1347kVp），也能確保1.3倍裕度。

3 GIS隔離開(kāi)關(guān)改造實(shí)施步驟

3.1 隔離開(kāi)關(guān)改造前準(zhǔn)備工作

（1）對(duì)SF6氣體回收裝置進(jìn)行全面檢查、保養(yǎng)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行絕緣檢查。

（2）對(duì)回收用氣瓶或氣包內(nèi)殘留氣體進(jìn)行微水和純度檢測(cè)，不滿足要求需要進(jìn)行清瓶處理。

（3）對(duì)隔離開(kāi)關(guān)泄壓氣隔進(jìn)行SF6氣體特性試驗(yàn)，作為改造工作前的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，泄壓氣隔微水含量最大值小于標(biāo)準(zhǔn)值250ppm，斷路器氣隔中微水含量最大值小于標(biāo)準(zhǔn)值150ppm，純度均大于99%。

（4）記錄所有氣隔SF6氣體壓力。所有氣隔SF6氣體壓力基本維持在0.62MPa（27℃）。

（5）改良后的屏蔽罩要在安裝前用細(xì)砂布進(jìn)行打磨、檢查，確認(rèn)無(wú)毛刺，防止安裝后尖端放電。

（6）氣體回收前先進(jìn)行配管，對(duì)接頭用酒精進(jìn)行擦拭干凈避免污染SF6氣體，同時(shí)檢查接口處密封圈以防漏氣。

（7）在氣隔泄壓前必須對(duì)GIS伸縮節(jié)進(jìn)行螺絲調(diào)整，防止泄壓后由于壓力下降，導(dǎo)致伸縮節(jié)被壓縮引起其他氣隔法蘭連接不勻稱(chēng)漏氣。

3.2 隔離開(kāi)關(guān)改造實(shí)施步驟

3.2.1 SF6氣體減壓回收

（1）連接好氣體回收管路后對(duì)管路進(jìn)行抽真空處理，每15min記錄一次真空度。抽真空運(yùn)行約1h左右，確認(rèn)真空度穩(wěn)定且管路不存在滲漏現(xiàn)象。打開(kāi)各氣隔室的排氣隔離閥及氣瓶隔離閥，啟動(dòng)氣體回收裝置，確認(rèn)設(shè)備各表計(jì)壓力值是否正常，現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)氣隔壓力為0MPa后，繼續(xù)運(yùn)行1h，確保盡可能將SF6氣體回收徹底。隨后進(jìn)行抽真空，運(yùn)行3h后，真空度達(dá)到10Pa后停止運(yùn)行。

（2）對(duì)改造隔離開(kāi)關(guān)相鄰氣隔進(jìn)行降壓處理，將SF6氣體壓力由0.62MPa降至0.1MPa。減壓量940kg氣體回收裝置需運(yùn)行7h左右（氣體回收時(shí)間與氣體回收裝置回收能力及其儲(chǔ)存容器壓力有主要關(guān)系，同時(shí)回收裝置上的調(diào)節(jié)閥也可調(diào)節(jié)回收速度）。

（3）根據(jù)Q/GDW 1859—2013 《SF6氣體回收凈化處理工作規(guī)程》當(dāng)設(shè)備內(nèi)氣體壓力小于0.05MPa時(shí)，可視為設(shè)備內(nèi)氣體被抽空。

（4）確認(rèn)氣隔真空狀態(tài)后，關(guān)閉氣隔隔離閥及回收裝置隔離閥，拆除回收氣體管路，緩慢打開(kāi)氣隔隔離閥進(jìn)行充空氣置換。

3.2.2 主要結(jié)構(gòu)拆除及回裝

（1）拆除隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)連桿。先將隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)外連桿拆掉，為后續(xù)拆除內(nèi)部機(jī)構(gòu)做好準(zhǔn)備。

（2）拆除端蓋。拆除端蓋用矩扳手拆除。剩兩個(gè)螺栓時(shí)將吊耳固定后用橋機(jī)帶手動(dòng)葫蘆就位后，拆下螺栓，吊起后將其蓋板放置在規(guī)定區(qū)域。吊裝過(guò)程中注意保護(hù)蓋板密封面，防止磕碰。端蓋拆除后用塑料布將罐體端部蓋住，防止灰塵及異物進(jìn)入。

（3）隔離開(kāi)關(guān)解體。將按照解體動(dòng)、靜觸頭順序分別取出并將相應(yīng)屏蔽罩解體，對(duì)靜觸頭及動(dòng)觸頭零部件進(jìn)行更換安裝就位。固定動(dòng)觸頭與觸頭操作機(jī)構(gòu)并恢復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)要確認(rèn)隔離開(kāi)關(guān)行程尺寸為200mm±5mm，觸頭插入尺寸為50mm±5mm，斷口間尺寸為115mm。

3.2.3 回裝后試驗(yàn)

回裝后的試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括主回路電阻測(cè)定、絕緣電阻測(cè)試等4個(gè)主要項(xiàng)目[5]，試驗(yàn)內(nèi)容和判斷依據(jù)見(jiàn)表1。

表1 隔離開(kāi)關(guān)回裝后試驗(yàn)項(xiàng)目及內(nèi)容Table 1 Test items and contents of disconnection installed

3.2.4 蓋板封裝

封裝蓋板前必須檢查蓋板密封面無(wú)傷痕，無(wú)變形、無(wú)異物附著、O形密封圈裝設(shè)良好。使用力矩扳手緊固螺栓緊固時(shí)應(yīng)對(duì)角緊固。

3.2.5 更換吸附劑

為確保吸附劑的效果，吸附劑在空氣中的暴露時(shí)間不能超過(guò)30min，吸附劑更換完畢后使用力矩扳手緊固螺栓。

3.2.6 抽真空排氣

連接好抽真空排氣用軟管后，以抽真空設(shè)備實(shí)施抽真空排氣確認(rèn)真空度。

3.2.7 SF6氣體的回充

（1）SF6氣體回充時(shí)，應(yīng)先氣化鋼瓶或儲(chǔ)氣罐中的SF6，防止液態(tài)SF6直接充入設(shè)備。當(dāng)氣瓶壓力降至0.1MPa表壓時(shí)應(yīng)停止充氣。安裝連接SF6干燥過(guò)濾器至氣缸閥門(mén)。充氣過(guò)程不易太快，防止裝置結(jié)露。連續(xù)給氣隔室補(bǔ)氣至設(shè)計(jì)操作壓力。首次充氣完成后，隔12h后驗(yàn)證每相的壓力仍在額定操作壓力范圍內(nèi)。

（2）SF6氣體充裝完畢24h后，應(yīng)對(duì)設(shè)備中SF6氣體進(jìn)行濕度、空氣、CF4等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，并符合GB 50150和GB/T 8905的要求。

3.2.8 氣密性試驗(yàn)

對(duì)開(kāi)過(guò)口的部分均安排氣密性試驗(yàn)，使用SF6充氣閥進(jìn)行采樣測(cè)量。充氣后進(jìn)行濕度測(cè)量，測(cè)量進(jìn)入氣隔中的氣體，允許氣體穩(wěn)定4h。可靠的濕度測(cè)量需要注意干凈和預(yù)先制定步驟，特別注意由于分析儀或連接點(diǎn)污染導(dǎo)致的濕度測(cè)量偏差。斷路器內(nèi)單位體積氣體允許的濕度是150ppm以下，氣隔內(nèi)單位體積氣體允許的濕度是250ppm以下。

4 結(jié)論和建議

改變GIS隔離開(kāi)關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)、屏蔽層是防止操作過(guò)電壓的一種有效的措施，該電站隔離開(kāi)關(guān)改造完畢后運(yùn)行情況良好，滿足技術(shù)規(guī)范的要求。

為減少GIS內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生過(guò)電壓對(duì)電氣設(shè)備的影響，在500kV設(shè)備操作時(shí)要注意隔離開(kāi)關(guān)拉合順序[6]，盡量降低過(guò)電壓。