一起800 kV斷路器合閘后接地故障原因分析

牛勃，馬飛越，溫泉，倪輝，徐玉華，陳磊，魏瑩

(1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

隨著超/特高壓的快速發(fā)展，GIS、HGIS、罐式斷路器等開關(guān)類設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱GIS設(shè)備)憑借占地面積小、維護(hù)工作量少、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中的裝、用量與日俱增。由于設(shè)備安裝工藝、制造工藝等方面原因，導(dǎo)致GIS設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生了多起停電故障，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行可靠性影響愈加凸顯[1-3]。以西北電網(wǎng)800 kV GIS設(shè)備為例，從2005年甘肅公司、青海公司首次投運(yùn)開始，已累計(jì)裝用設(shè)備811間隔，發(fā)生因設(shè)備內(nèi)部絕緣擊穿而停運(yùn)故障32起，其中故障發(fā)生位置在活動(dòng)氣室(斷路器、隔接組合、快速接地開關(guān))27起，占比84%，靜止氣室(母線、CT等)5起，占比16%。故障原因主要為開關(guān)設(shè)備分合閘過程中罐體內(nèi)部異物跳動(dòng)，該類放電故障占全部故障的60%。

異物放電導(dǎo)致設(shè)備故障的主要原因包括三方面：(1)罐體內(nèi)絕緣裕度設(shè)計(jì)限值較少。雖然斷路器罐體內(nèi)絕緣裕度理論計(jì)算滿足要求，但絕緣裕度設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮電極表面粗糙度、微粒等對(duì)不同部位的設(shè)計(jì)限值影響，一旦存在金屬異物就容易造成屏蔽罩對(duì)地?fù)舸┓烹姽收匣蚪^緣子表面閃絡(luò)故障[4-6]。(2)設(shè)備制造工藝把控不嚴(yán)。鑄件焊接后因酸堿清洗不徹底，使異物隱藏于套管絕緣支撐筒與屏蔽筒縫隙，或隱藏于金屬法蘭根部等部位，在分合閘過程中振動(dòng)激勵(lì)下、氣流帶動(dòng)下造成表面電場(chǎng)畸變閃絡(luò)[7-9]。(3)設(shè)備安裝環(huán)節(jié)工藝控制不良?，F(xiàn)場(chǎng)組裝封蓋前未嚴(yán)格按操作流程和工藝要求進(jìn)行清理，安裝完成后未對(duì)氣室內(nèi)部進(jìn)行全范圍的點(diǎn)檢作業(yè)，導(dǎo)致內(nèi)部殘留灰塵、紙屑、金屬殘?jiān)犬愇颷10-11]。

本文基于一起異物導(dǎo)致的800 kV斷路器合閘后接地故障分析，給出了兩種異物來源途徑以及相應(yīng)的異物飛行軌跡，針對(duì)故障分析結(jié)果提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，防止同類事故的發(fā)生。

1 事故概述

S特高壓換流站年度綜檢后操作7573斷路器，進(jìn)行M線送電，合閘8 s后750 kVⅡ母2套差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，M線2套線路保護(hù)動(dòng)作，7513、7523、7543、7573、7583、7593、75B3、75C3斷路器跳閘。故障斷路器事故前運(yùn)行方式見圖1。

圖1 事故前運(yùn)行方式

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查

2.1 二次設(shè)備檢查

2.1.1 故障保護(hù)動(dòng)作分析

故障7573斷路器處于M線線路保護(hù)及750 kV II母母聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的公共區(qū)域，相應(yīng)的M線CT配置情況如圖2所示。

圖2 M線CT配置

接地故障期間各保護(hù)裝置動(dòng)作正確，圖2中裝置PCS-915C-G報(bào)“差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)，B相變化量差動(dòng)保護(hù)跳Ⅱ母，穩(wěn)態(tài)量差動(dòng)跳Ⅱ母”，顯示最大差電流為12.55 A。裝置WMH-801C-G報(bào)“B相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作”，母線B相差流為12.581 A。M線2套線路保護(hù)動(dòng)作，裝置PCS-931-G報(bào)“B相縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、接地距離Ⅰ段動(dòng)作”，最大差動(dòng)電流12.59 A。裝置NSR-303A-G報(bào)“B相縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、接地距離Ⅰ段動(dòng)作”，最大差動(dòng)電流12.58 A。依據(jù)M線CT二次保護(hù)動(dòng)作情況，分析得出7573B相斷路器內(nèi)部發(fā)生間隙接地故障。

2.1.2 故障錄波分析

通過故障保護(hù)動(dòng)作情況分析7573B相斷路器間隔內(nèi)部發(fā)生間隙接地故障，繼而對(duì)其分閘過程中錄波圖進(jìn)行分析，相應(yīng)的故障斷路器跳閘過程中電壓、電流錄波如圖3所示。

(a)電壓錄波

(b)電流錄波

由圖3可知，99 130 μs時(shí)，斷路器內(nèi)部發(fā)生間歇性接地故障，運(yùn)行電壓、運(yùn)行電流開始畸變，其中運(yùn)行電壓近似分段線性衰減，之后發(fā)生振蕩。分析起始接地故障為電阻接地，之后由于故障電流增加導(dǎo)致電壓超出罐體設(shè)計(jì)裕度而發(fā)生多點(diǎn)接地。故障持續(xù)時(shí)間40 950 μs后，斷路器過流保護(hù)動(dòng)作切除故障，其中故障電流峰值為44.75 kA。

2.2 一次設(shè)備檢查

故障后檢查M線避雷器未動(dòng)作、電壓互感器外觀無異常，故障7573斷路器氣室壓力正常，外部及接地引下線部位無明顯放電點(diǎn)。之后對(duì)故障7573斷路器進(jìn)行SF6氣體成份分析，其中SO2、HF含量：B相超標(biāo)，A、C相結(jié)果正常，判斷為7573斷路器B相本體內(nèi)部發(fā)生絕緣擊穿。氣體成分結(jié)果如表1所示。

表1 7573斷路器SF6氣體成份檢測(cè)結(jié)果 μL/L

3 返廠解體檢查

3.1 斷路器合閘電阻檢查

拆除斷路器底部吸附劑罩蓋板時(shí)發(fā)現(xiàn)合閘電阻碎片，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)1柱阻值為58 Ω的合閘電阻堆發(fā)生炸裂，其它3柱合閘電阻堆防護(hù)套正常，內(nèi)部未發(fā)生電阻片與合閘電阻的氣隙擊穿，阻值測(cè)試結(jié)果滿足±5%要求。分析為設(shè)備內(nèi)部發(fā)生多點(diǎn)擊穿時(shí)有較大的短路電流通過炸裂合閘電阻堆，相應(yīng)的解體結(jié)果如圖4所示。

圖4 電阻散落現(xiàn)場(chǎng)

3.2 斷路器觸頭檢查

拆解斷路器動(dòng)靜觸頭發(fā)現(xiàn)觸頭嚴(yán)重?zé)g，相應(yīng)的燒蝕情況如圖5所示。由于此次短路故障時(shí)斷路器切除短路電流31.5 kA，為設(shè)備開斷短路電流能力值的50%，該電流值遠(yuǎn)超額定運(yùn)行電流6.3 kA，具有較大瞬間能量，導(dǎo)致主觸頭表面產(chǎn)生燒蝕點(diǎn)。依據(jù)文獻(xiàn)[19]以及同類型產(chǎn)品短路能力型式試驗(yàn)結(jié)果知，斷路器開斷短路電流時(shí)允許觸頭發(fā)生一定程度燒傷。

圖5 觸頭燒蝕痕跡

3.3 其他部件檢查

對(duì)故障斷路器擊穿點(diǎn)附近電氣部件、絕緣部件、傳動(dòng)部件的電氣特性、絕緣性能、外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，具體各部件檢查內(nèi)容、檢查結(jié)果如表2所示。

表2 其他部件檢查結(jié)果

3.4 放電軌跡檢查

故障斷路器解體檢查發(fā)現(xiàn)炸裂電阻堆與正常電阻堆連接的屏蔽罩燒蝕嚴(yán)重，炸裂電阻堆端部均壓環(huán)發(fā)生燒蝕。依據(jù)圖3(a)知故障電流流過合閘電阻，持續(xù)時(shí)間不低于3 370 μs，即電壓波形發(fā)生振蕩前故障電流流過合閘電阻，之后內(nèi)部發(fā)生多點(diǎn)接地，接地電壓開始振蕩衰減，從而分析電阻堆連接部分屏蔽罩的放電點(diǎn)為主放電點(diǎn)，電阻堆端部屏蔽罩放電點(diǎn)為衍生放電點(diǎn)[12-15]，相應(yīng)的放電軌跡如圖6所示。

圖6 放電軌跡檢查

4 故障原因分析

4.1 放電氣室材料成分分析

故障斷路器返廠解體后，在內(nèi)部選取8處存在放電痕跡的殘留物進(jìn)行材料成分分析，以此判斷是否為安裝工藝導(dǎo)致單相接地故障。相應(yīng)的分解物采樣位置以及所采樣品的材料成分分析，分別如圖7、表3所示。

圖7 標(biāo)本采樣位置

表3 標(biāo)本成分分析 %

由表3知，筒體底部樣品成分主要為SF6分解物、合閘電阻材料與罐體材料，無其他異物成分；屏蔽罩樣品成分主要為屏蔽罩對(duì)罐體擊穿時(shí)的分解產(chǎn)物；噴濺物中Cu成分疑似為異物成分，其他各采樣點(diǎn)樣品成分與斷路器內(nèi)部材料成分相匹配。

4.2 合閘電阻堆炸裂分析

故障斷路器合閘8 s后電阻堆溫度為120 ℃，阻值由58.0 Ω降至51.04 Ω。8 s后發(fā)生接地故障，電流開始按照近似正弦的規(guī)律上升，當(dāng)電流持續(xù)時(shí)間為3 370 μs時(shí)，斷路器合閘電阻堆溫度達(dá)到1 788.04 ℃，導(dǎo)致其發(fā)生外爆[16-18]。相應(yīng)的合閘電阻堆溫度變化趨勢(shì)如圖8所示。

圖8 合閘電阻堆溫度變化曲線

由圖8知，接地故障后電阻堆溫度隨著時(shí)間變化開始快速提升，相應(yīng)的電阻堆溫度由起始120 ℃上升至1 788.04 ℃。由圖5可知炸裂電阻堆端部的調(diào)整鋁片根部發(fā)生融化，電阻堆表面特種涂層部分發(fā)生燒蝕，表明此時(shí)炸裂電阻堆溫度不低于1 000 ℃，仿真結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)解體結(jié)果符合。

4.3 放電軌跡分析

4.3.1 主放電軌跡分析

主放電軌跡為第一柱電阻堆與第二柱電阻堆之間的屏蔽罩對(duì)罐體。以主放電點(diǎn)處屏蔽罩為模型，分別對(duì)屏蔽罩表面附著1 mm銅屑時(shí)的電場(chǎng)畸變情況以及屏蔽罩表面附著1 mm銅屑時(shí)氣腔內(nèi)不同數(shù)量異物導(dǎo)致氣腔內(nèi)電場(chǎng)畸變情況進(jìn)行電場(chǎng)仿真，相應(yīng)的異物仿真結(jié)果分別如圖9、表4所示。

圖9 主放電路徑仿真模型

由表4仿真結(jié)果可知：屏蔽處與氣腔內(nèi)無異物時(shí)最大場(chǎng)強(qiáng)位于屏蔽表面，場(chǎng)強(qiáng)為18.12 kV/mm；當(dāng)屏蔽罩表面存在1 mm銅屑時(shí)，電場(chǎng)畸變?yōu)?5.75 kV/mm；當(dāng)氣室內(nèi)存在不同數(shù)量異物時(shí)電場(chǎng)發(fā)生變化，其中屏蔽罩表面電場(chǎng)畸變程度變化較小，但隨著氣腔內(nèi)異物數(shù)量的增加，氣腔內(nèi)電場(chǎng)畸變程度呈逐漸上升趨勢(shì)。分析主放電點(diǎn)放電原因?yàn)閿嗦菲鞑賱?dòng)合閘過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)使罐體底部異物發(fā)生跳動(dòng)，或斷路器操動(dòng)過程中罐體殘留異物通過合閘氣流運(yùn)動(dòng)至屏蔽罩表面，并在屏蔽罩與下方氣腔內(nèi)懸浮，最終導(dǎo)致?lián)舸?/p>

表4 主放電路徑異物仿真結(jié)果

4.3.2 衍生放電軌跡分析

衍生放電軌跡為第一柱電阻堆端部均壓環(huán)對(duì)罐體，放電主要原因?yàn)槎搪窌r(shí)端部電壓瞬間提升以及擊穿過程中SF6氣體絕緣強(qiáng)度下降。以圖3中100.8 ms合閘電流為計(jì)算點(diǎn)，當(dāng)流過合閘電阻的短路電流持續(xù)時(shí)間為3 030 μs時(shí)，炸裂電阻堆端部最高電壓值為1 467 kV，而電阻堆端部屏蔽罩對(duì)罐體間絕緣裕度為3 838 kV，分析衍生放電點(diǎn)間隙擊穿的原因?yàn)?1)合閘電阻堆端部電壓抬升；(2)主放電點(diǎn)間隙擊穿使氣室SF6絕緣性能下降。

4.4 放電原因分析

4.4.1 金屬異物

基于3.2觸頭檢查結(jié)果以及同類型斷路器運(yùn)行特征分析，罐體內(nèi)金屬異物可能來源為(1)前期動(dòng)觸頭燒蝕后所產(chǎn)生的異物，在氣流的帶動(dòng)下飛行至主放電軌跡下方的罐體；(2)壓氣缸內(nèi)部存在異物，在開關(guān)每次分合操作時(shí)，金屬異物受操作氣流的影響從壓氣缸內(nèi)部逸出落至罐底。相應(yīng)的異物飛行路徑如圖10所示。

(a)金屬異物飛行路徑1

(b)金屬異物飛行路徑2

壓氣缸內(nèi)部異物飛行路徑見圖10。壓氣缸內(nèi)部異物通過熱能閥片1，沿著氣流通道2，進(jìn)入到噴口位置3，由噴口進(jìn)入到泄壓空間4，接著從泄壓區(qū)域飛行到鑄件靜觸頭座處5，并吸附在靜觸頭系統(tǒng)附近(包括導(dǎo)電桿及均壓電容)，之后從靜觸頭座處5飛出后分成兩個(gè)方向，質(zhì)量較輕的粒子繼續(xù)向外，經(jīng)過觸頭座的位置6最終吸附在導(dǎo)電桿處，質(zhì)量較大粒子向下運(yùn)動(dòng)吸附在均壓系統(tǒng)附近或落至粒子捕捉器附近。

4.4.2 非金屬異物

斷路器合閘電阻堆解體檢查發(fā)現(xiàn)，部分合閘電阻片內(nèi)表面存在損傷，合閘電阻堆與絕緣支撐柱之間氣隙距離為1.8 mm(安裝要求0.5 mm)。在該氣隙中的不同位置進(jìn)行電阻碎片對(duì)電場(chǎng)畸變程度仿真，分析氣隙內(nèi)碎片對(duì)合閘電阻堆電氣性能影響。相應(yīng)的仿真模型如圖11所示。

圖11 電場(chǎng)仿真模型

基于圖11仿真模型，分別將長(zhǎng)度0.2 mm的不規(guī)則合閘電阻碎片在氣隙中間、靠近電阻堆及靠近絕緣桿等位置進(jìn)行電場(chǎng)仿真，碎片位于不同位置時(shí)的電場(chǎng)分布如圖12所示。

圖12 碎片位于不同位置時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖12電場(chǎng)仿真結(jié)果可知，電阻碎片的存在會(huì)在碎片處產(chǎn)生電場(chǎng)集中點(diǎn)，極大提高電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)碎片與電阻接觸時(shí)，電場(chǎng)畸變最嚴(yán)重，為16.01 kV/mm。電阻與絕緣桿接觸時(shí)次之，為7.43 kV/mm。當(dāng)電阻位于氣隙中時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度低于前兩種情況，但仍大于無碎片時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度2.14 kV/mm。若合閘電阻裝配過程中電阻片內(nèi)表面與絕緣支撐桿外表面存在損傷，在長(zhǎng)期局部放電情況下，最終會(huì)破壞合閘電阻片的電氣特性、應(yīng)力特性，導(dǎo)致故障的發(fā)生。

5 結(jié) 論

介紹了某800 kV GIS設(shè)備接地故障的事故過程以及現(xiàn)場(chǎng)檢查、返廠解體檢查情況，并針對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行溫度場(chǎng)、電場(chǎng)仿真，依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)異物來源、異物飛行軌跡進(jìn)行了分析。為避免運(yùn)行過程中同類事故發(fā)生，提出如下建議：

(1)加強(qiáng)斷路器出廠時(shí)壓氣缸內(nèi)部異物的檢測(cè)，以及斷路器分合閘過程中主動(dòng)觸頭電擊穿所產(chǎn)生異物的檢測(cè)，避免異物在氣流帶動(dòng)、罐體振動(dòng)等特殊情況下彈跳，導(dǎo)致氣室內(nèi)電場(chǎng)畸變，繼而造成對(duì)地?fù)舸┕收希?/p>

(2)斷路器合閘電阻堆組裝過程中，應(yīng)避免電阻片內(nèi)表面與絕緣支撐桿外表面損傷，同時(shí)應(yīng)控制電阻堆與絕緣支撐之間的氣隙距離，避免氣隙內(nèi)局部放電導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，以及氣隙內(nèi)異物流出導(dǎo)致罐體內(nèi)電場(chǎng)畸變。