大崗山水電站GIS母線接地故障分析及處理

李曉飛，李秀杰

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

SF6氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)因其占地小、無污染及檢修周期長等優(yōu)點受到用戶的青睞，在高壓及超高壓領域的使用越來越多。但GIS一旦發(fā)生故障，特別是內部放電故障，或者因缺陷需要檢修，涉及的停電范圍及工程量將十分巨大。因此GIS設備的生產(chǎn)工藝及安裝工藝的優(yōu)劣直接決定著設備的安全運行及可靠性。

1 故障概況

大崗山GIS采用現(xiàn)代重工電氣有限公司產(chǎn)品，于2014年安裝，2015年8月投運。該水電站有4回進線，3回出線，接線方式為2串2/3及1回3/4。GIS 設備設計為同軸圓柱結構，構成稍不均勻電場，殼體與導體間充入SF6氣體，SF6氣體在該 電場中絕緣強度很高。全站GIS設備共配置有362個吸附劑裝置，安裝在GIS設備徑向方向、GIS底部位置和GIS上部位置。

2016年9月5日，大崗山電站GIS保護報警跳閘，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)5013DL開關、5033DL開關三相分閘，Ⅱ號母線GIS外觀無異常、靠Ⅱ號母線側開關5013DL、5024DL、5033DL外觀無異常。測試Ⅱ段母線A、B、C三相對地絕緣(15 s)分別為12、19、13 GΩ，未發(fā)現(xiàn)接地點。

廠家人員通過對Ⅱ母及相鄰間隔氣室氣體嗅探和專用試紙測試(見圖1、圖2)，確定故障點在Ⅱ母5217地刀間隔氣室。檢修人員對故障氣室氣體檢測成分：SO2為100 ppm、H2S為123.2 ppm、CO為43.2 ppm。

通過5217地刀觀察孔觀察，5217地刀動靜觸頭和5217地刀觀察孔有放電產(chǎn)生的白色粉塵覆蓋。

圖1 測紙變色情況圖

圖2 觀察孔白色粉末圖

2 GIS放電故障的原因

根據(jù)以往的故障分析引起GIS設備內部放電故障的原因主要集中在GIS內部元件布置的設計、盆式絕緣子及導體等元件選用的材質、元件的制造工藝、設備現(xiàn)場安裝工藝、安裝環(huán)境的潔凈度等方面有關。

1)CIS內部元件布置設計的合理性，直接影響到運行中發(fā)生局部放電的概率。在塵埃，雜質及金屬顆粒易沉積的部位(諸如水平布置的盆式絕緣子和水平母線倒三角形布置的母線筒等)。因此產(chǎn)品設計在保持與導體安全距離的同時，應保留有足夠的裕度。

2)GIS元件材質不良，絕緣子絕緣強度不夠，導體等元件表面較粗糙，均易引發(fā)放電故障。在制造工藝粗糙、表面光潔度差的元件表面的不規(guī)則處，電場強度發(fā)生畸變，尖端形成高電場，易引起局部放電。

3)設備現(xiàn)場工裝質量粗糙也是引起放電的原因。由于裝配尺寸不到位，觸頭接觸不良會引起局部發(fā)熱，而導體與盆式絕緣子的膨脹系數(shù)不同，因此在導體與盆式絕緣子之間會產(chǎn)生間隙，發(fā)生放電現(xiàn)象。

4)設備安裝現(xiàn)場的環(huán)境潔凈度不符合安裝工藝要求是引發(fā)事故的重要因素之一。在安裝過程中若環(huán)境粉塵、雜質密度大，絕緣子表面污穢，會使絕緣子表面的電導率發(fā)生變化。塵埃、雜質及金屬顆粒等在電場作用下，吸附在絕緣子表面，導致大量表面電荷形成，反復之下，最終引發(fā)放電。

3 故障部位拆解情況

拆除Ⅱ母5217地刀檢查母線內部和5217地刀，發(fā)現(xiàn)母線垂直段導體放電中心點距端部460 mm處有直徑約為100 mm左右的放電燒蝕痕跡，GIS殼體內部放電中心點距端部267 mm處有約為200 mm×300 mm的放電痕跡、局部有深約5 mm的放電燒蝕凹點(見圖3)，GIS導體與GIS殼體放電點基本在同一高度。

同時觀察到5217地刀處吸附劑端蓋擋板、吸附劑包散落到GIS垂直母線下端的T型段內，其中一包吸附劑的包裝已燒壞，其吸附劑顆粒散落且部分顆粒變色，另一包吸附劑完整，吸附劑裝置端蓋擋板完好未被電弧燒蝕。

圖3 放電部位照片

4 本次故障原因分析

4.1 現(xiàn)場結構圖

通過拆除Ⅱ母5217地刀查看，發(fā)現(xiàn)5217地刀吸附劑端蓋板脫落和吸附劑散落到5217地刀GIS母線下端T型段。吸附劑端蓋板完好，有一包吸附劑包裝袋破裂(僅剩余100×35 mm見方的包裝袋)。

該故障處GIS吸附劑裝置安裝位置為5217地刀外殼斜下方約45°角(見圖4)。

圖4 吸附劑安裝位置圖

4.2 吸附劑蓋板結構及材質

該吸附劑擋板采用四角卡扣固定結構，卡扣尺寸小于吸附劑外殼，通過卡扣和外殼進行固定(見圖5)。

圖5 吸附劑卡扣結構圖

經(jīng)咨詢廠家，該吸附劑蓋板采用PA66材質注射成型。PA66材質主要使用于抗沖擊性及高強度要求的產(chǎn)品上，有較強的強度和剛度。同時具有良好的耐磨性、耐熱性、耐油性。成型后進行高溫熱處理(96℃熱處理，6 h后常溫冷卻)，確保材質不會因溫度變化而變形。

4.3 原因分析

結合現(xiàn)場情況及設備結構，本次故障原因是GIS開關多次分合閘震動，造成吸附劑端蓋板松動脫落，吸附劑在脫落過程中，減小了母線與殼體間的絕緣強度(吸附劑包吸潮后絕緣強度降低)，改變了電場分布，導致導體通過吸附劑包對殼體電弧放電，繼而跳開500 kV第一串靠Ⅱ段母線側開關5013DL、500 kV第三串靠Ⅱ段母線側開關5033DL，切除故障點。

4.4 暴露的問題

吸附劑裝置存在設計缺陷：吸附劑端蓋板僅采用4個卡扣與吸附劑裝置固定，固定不夠牢固，在承受開關、隔刀分合動作振動沖擊下，卡扣可能松動。且蓋板直徑為φ132 mm，小于吸附劑法蘭孔直徑φ148 mm，存在脫落后引起放電的風險。

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500 g吸附劑的重力作用，在設備操作振動下極易導致吸附劑蓋板脫落，鑒于吸附劑原始結構不夠牢固，此種布置方式存在很大隱患。

5 處理措施

5.1 應急處理

對放電燒傷的Ⅱ段母線B相GIS導體、GIS殼體和接地刀閘進行全部更換，因該吸附劑擋板不具備在現(xiàn)場改型的條件，現(xiàn)場采取的緊急措施為將原吸附劑蓋板及吸附劑取消，設備再重新抽真空、充氣。按照“四不放過”原則和舉一反三要求，對5217地刀A相、C相氣室間隔的吸附劑裝置進行取消處理。

5.2 改進方案

和生產(chǎn)廠家進行聯(lián)系，對該GIS吸附劑蓋板進行改型。取消卡扣結構，通過增大蓋板面積，用筒體直接將蓋板固定，防止類似事件再次發(fā)生。并對所有GIS吸附劑蓋板進行更換。

改進后的吸附劑蓋板直徑大于殼體法蘭的直徑新蓋板外徑為φ158，大于改進前的蓋板外徑φ132，新蓋板外徑是大于殼體法蘭直徑φ148，塑料蓋板由原來的卡扣結構改為由吸附劑裝置與氣室本體上的法蘭共同壓緊，保證了吸附劑擋板不會由于卡扣不緊發(fā)生脫落后掉入氣室內部的情況，從而杜絕了再次發(fā)生了類似故障的可能性，提高了GIS運行的可靠性。

5.3 處理流程

排除故障相氣室氣體，壓縮波紋管取出波紋管導體，拆除ES-母線裝置，清理內部放電污染物。對相鄰氣室進行降壓處理(降壓至0.2 MPa)，更換新的裝置后，對氣室進行抽真空處理，并抽真空后進行保壓、檢漏、微水測試。以上試驗完成后，對斷路器及斷路器斷口進行耐壓試驗。

6 后續(xù)建議

通過本次故障案例分析，GIS雖然屬于“免維護”設備，但因為設計、材質、安裝工藝等多方面的影響，產(chǎn)

品的運行可靠性也并沒有達到理想狀態(tài)。更由于GIS占地面小的優(yōu)點，在檢修時，停電范圍及難度也相應的增加。

因此，建議GIS使用單位應從全方位加強對GIS的監(jiān)督與管理：

1)做好GIS采購管理，盡量選擇市場上設計成熟，運行可靠性高的產(chǎn)品。

2)加強GIS基建監(jiān)督，把控好安裝質量，盡量把缺陷消除在安裝過程中。

3)做好運行中SF6氣體微水、壓力及泄漏監(jiān)測工作，并建立詳細的記錄。

4)與GIS廠家聯(lián)系，對常用備件進行儲備。