500kV變電站主變壓器跳閘故障分析

王江偉，李 杰，師 偉，孫景文，張丕沛

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

封閉式氣體絕緣組合電器（GasInsulatedSwitchgear，GIS）與常規(guī)高壓電器相比，具有占地面積小、檢修周期長、安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于高壓輸變電系統(tǒng)中。但是組合電器對生產(chǎn)裝配工藝要求高，如果在生產(chǎn)裝配過程中殘留異物，可能導(dǎo)致放電故障。組合電器因其全封閉性，一旦發(fā)生放電故障，新品更換和故障分析難度較大，而組合電器往往應(yīng)用在高壓系統(tǒng)中，因此放電故障造成的停電影響較大［1］。為減少組合電器放電故障，應(yīng)對相關(guān)故障案例進(jìn)行深入全面的分析，確定故障原因，不斷改進(jìn)后續(xù)生產(chǎn)裝配工作。

介紹了一起組合電器內(nèi)部藏匿殘留異物引起的放電故障，通過現(xiàn)場檢查、解體檢查、試驗驗證確認(rèn)了故障原因，并對后續(xù)工作提出了建議。

1 故障概況

某500 kV 變電站3 號主變壓器擴(kuò)建工程啟動送電過程中，3 號主變壓器差動保護(hù)動作，500 kV 側(cè)5051 斷路器、220 kV 側(cè)203 斷路器跳閘，5042 斷路器充電過流保護(hù)動作跳閘。故障相關(guān)部分簡化接線圖如圖1 所示。

發(fā)生故障前，3 號主變壓器500 kV 側(cè)5051 斷路器運(yùn)行、5052 斷路器分位，220 kV 側(cè)203 斷路器運(yùn)行；500 kV 5042 斷路器投入充電過流保護(hù)，經(jīng)500 kV 1 號母線、5051 斷路器對3 號主變壓器進(jìn)行充電，1 號母線其他斷路器分位（5031 斷路器）。

圖1 故障相關(guān)部分簡化接線

2 現(xiàn)場檢查

2.1 保護(hù)動作時序檢查

故障時，3 號主變壓器保護(hù)差動動作，5042 斷路器保護(hù)充電過流保護(hù)動作，故障相為B 相，故障電流約20 kA。動作時序如表1 所示。

表1 保護(hù)動作時序表

故障時刻中壓側(cè)電壓波動較小，高壓側(cè)電壓驟降接近為零，初步判斷故障點(diǎn)位于高壓側(cè)設(shè)備，錄波如圖2 所示。

圖2 故障錄波

2.2 組合電器檢查

500 kV 及220 kV GIS 設(shè)備氣室壓力無異常，通過分合指示觀察，5051、5052、203 斷路器及其隔離開關(guān)均已到位。檢查發(fā)現(xiàn)50521 隔離開關(guān)B 相氣室氣體分解物檢測異常 （H2S、SO2體積百分比均超過99.9 μL／L），其他間隔氣室氣體分解物檢測無異常［2］。初步判斷故障點(diǎn)為3 號主變壓器50521 隔離開關(guān)B相氣室。

500 kV GIS 串內(nèi)設(shè)備交流耐壓及帶母線交流耐壓試驗過程中，無擊穿及閃絡(luò)等異?，F(xiàn)象發(fā)生，試驗合格。超聲波局部放電檢測與空氣背景值相同，未檢測到GIS 內(nèi)部有局部放電信號，局部放電檢測結(jié)果正常，試驗結(jié)果如表2、表3 所示。

表2 串內(nèi)設(shè)備交流耐壓試驗結(jié)果

表3 串內(nèi)設(shè)備帶母線交流耐壓試驗結(jié)果

2.3 主變壓器檢查

現(xiàn)場檢查3 號主變壓器外觀無異常，主變壓器三側(cè)套管及引線無異常，檢查主變壓器本體壓力釋放閥、瓦斯繼電器、油流速動繼電器、油枕油位、油溫指示均正常。由于主變壓器經(jīng)受一次短路沖擊，現(xiàn)場開展在線及離線油色譜分析，檢測結(jié)果正常。

2.4 現(xiàn)場解體檢查

對50521 隔離開關(guān)B 相氣室進(jìn)行現(xiàn)場檢查，現(xiàn)場開蓋檢查發(fā)現(xiàn)：5051217 接地隔離開關(guān)氣室盆式絕緣子與導(dǎo)電桿插接處的屏蔽罩燒蝕，形成明顯坑洞，筒壁有明顯放電點(diǎn)且大面積燒黑現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖3 接地隔離開關(guān)氣室燒蝕情況

3 返廠檢查

將設(shè)備返回廠家后在大修車間對50521 隔離開關(guān)、5051217 接地隔離開關(guān)進(jìn)行解體分析。

3.1 放電通道

拆解接地隔離開關(guān)，在支撐導(dǎo)體屏蔽罩處發(fā)現(xiàn)一處坑洞，罐體上發(fā)現(xiàn)一處放電點(diǎn)，如圖4 所示，判斷為主要放電通道。

圖4 放電通道

3.2 接地隔離開關(guān)底部絕緣盆情況

對絕緣盆表面粉塵進(jìn)行取樣，分別編號為接地隔離開關(guān)絕緣盆-01、接地隔離開關(guān)絕緣盆-02、接地隔離開關(guān)絕緣盆-03。清理粉末后發(fā)現(xiàn)絕緣盆部分表面被熏黑，未見明顯放電通道，如圖5 所示，綜合判斷為屏蔽罩對罐體氣隙放電。

3.3 接地隔離開關(guān)動靜觸頭情況

檢查接地隔離開關(guān)動觸頭和靜觸頭，發(fā)現(xiàn)動觸頭頂端有兩處黑色絮狀物，如圖6 所示，并進(jìn)行取樣，編號為接地隔離開關(guān)動觸頭-01。在接地隔離開關(guān)靜側(cè)觸座內(nèi)發(fā)現(xiàn)一金屬絲，如圖7 所示，進(jìn)行取樣，編號為接地隔離開關(guān)靜觸頭-01。

圖5 絕緣子表面情況

圖6 動觸頭情況

圖7 靜觸頭情況

3.4 檢查50521 隔離開關(guān)

收集50521 隔離開關(guān)氣室盆式絕緣子上粉塵，取樣并編號為隔離開關(guān)絕緣盆-01，在盆式絕緣子上發(fā)現(xiàn)一處疑似金屬微粒，如圖8 所示，取樣并編號為隔離開關(guān)絕緣盆-02。

3.5 接地隔離開關(guān)其他部位檢查

檢查接地隔離開關(guān)動靜觸頭座、觸指、傳動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)體、屏蔽罩、螺栓，在此過程中未發(fā)現(xiàn)有磨損痕跡，未見其他異物、缺件、螺栓松動等情況，絕緣拉桿外觀無異常，除放電點(diǎn)外，未見其他異常。

圖8 盆式絕緣子情況

4 試驗驗證

4.1 成分檢測

對現(xiàn)場7 處取樣進(jìn)行成分分析，未見異常元素成分，異物及粉塵成分為放電殘留物，結(jié)果如表4 所示。其中，接地隔離開關(guān)靜觸頭座內(nèi)發(fā)現(xiàn)的金屬絲（靜觸頭-01）主要成分為鋁，而動靜觸頭均主要為銅材質(zhì)，且動靜觸頭、觸指未見磨損跡象，說明此金屬絲非內(nèi)部磨損產(chǎn)生［3］。

表4 取樣成分分析結(jié)果

4.2 盆式絕緣子試驗

對5051217 接地隔離開關(guān)底部盆式絕緣子進(jìn)行耐壓局部放電試驗、玻璃化溫度試驗、密度測試，結(jié)果均合格，X 光檢測和著色探傷檢測均未發(fā)現(xiàn)缺陷或裂紋，盆式絕緣子各項性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求［4］。

5 故障原因分析

5.1 放電過程

本次故障原因為5051217 接地隔離開關(guān)氣室內(nèi)部藏匿殘留異物，在設(shè)備操作及帶電過程中，異物在電場、振動、氣流等的作用下移動至接地隔離開關(guān)底部支撐導(dǎo)體屏蔽罩與殼體之間，導(dǎo)致接地隔離開關(guān)支撐導(dǎo)體屏蔽罩對殼體放電擊穿，發(fā)生接地故障。放電電弧使屏蔽罩、殼體發(fā)生燒蝕，使絕緣盆、殼體內(nèi)壁大面積熏黑［5］。

5.2 異物來源分析

根據(jù)返廠解體檢查情況，異物來源有廠內(nèi)裝配環(huán)節(jié)殘留異物、現(xiàn)場裝配過程產(chǎn)生異物兩種可能。

5.2.1 廠內(nèi)裝配環(huán)節(jié)殘留異物

5051217 接地隔離開關(guān)氣室靜觸頭座內(nèi)金屬絲成分主要為鋁、硅、碳、氧、氟元素，鋁元素占比為39.2%、硅元素占比為1%，其中硅元素是潤滑脂的主要成分。接地隔離開關(guān)裝配元件中含鋁元素材質(zhì)為屏蔽罩和殼體，屏蔽罩所使用鋁合金牌號為1060，鋁元素含量為99.6%，殼體材質(zhì)分為三種，如圖9 所示，含量分別為：6063（鋁元素96.95%）、5052（鋁元素97.95%）、鑄鋁104（鋁元素90.15%），金屬絲元素比例與鋁合金材質(zhì)不一致。該金屬絲應(yīng)為放電殘留物，但無法排除其他裝配環(huán)節(jié)進(jìn)入異物的可能［6］。

圖9 5051217 接地隔離開關(guān)氣室罐體材質(zhì)

5.2.2 現(xiàn)場裝配過程產(chǎn)生的異物

5051217 接地隔離開關(guān)現(xiàn)場有2 個對接面進(jìn)行現(xiàn)場裝配，在對接過程中需要對導(dǎo)體和殼體同時進(jìn)行對接，對接過程中螺栓緊固和殼體對中環(huán)節(jié)會產(chǎn)生鋼鋁件的摩擦產(chǎn)生金屬異物，安裝過程中產(chǎn)生的金屬異物可能會進(jìn)入屏蔽罩與絕緣子縫隙處或其他隱蔽位置。

5.2.3 綜合分析

在廠內(nèi)裝配階段及現(xiàn)場裝配階段均存在引入異物可能性，異物藏匿在隱蔽處，在設(shè)備操作及帶電過程中，異物在電場、振動、氣流等的作用下移動至接地隔離開關(guān)底部支撐導(dǎo)體屏蔽罩與殼體之間引起擊穿放電。

6 后續(xù)工作建議

細(xì)化廠內(nèi)裝配、現(xiàn)場安裝工藝流程，優(yōu)化工期安排，盡量創(chuàng)造良好的GIS 安裝環(huán)境，現(xiàn)場應(yīng)搭設(shè)合格的防塵棚，對于觸指、觸頭座、屏蔽罩及緊固件等位置應(yīng)重點(diǎn)清理，點(diǎn)檢時應(yīng)檢盡檢，并做好記錄。

完善廠內(nèi)200 次機(jī)械操作后罐體清理工藝，細(xì)化清理流程，制造、監(jiān)造的關(guān)鍵過程除留存紙質(zhì)資料外，應(yīng)留存相應(yīng)的影像、照片。

GIS 耐壓試驗時加強(qiáng)局放檢測，應(yīng)使用可與耐壓電源頻率進(jìn)行同步的局放檢測設(shè)備。

7 結(jié)語

介紹了一起組合電器放電故障，該故障導(dǎo)致主變壓器跳閘，通過現(xiàn)場檢查、解體檢查、試驗驗證，確認(rèn)故障原因是組合電器內(nèi)部藏匿殘留異物，在設(shè)備操作及帶電過程中，異物在電場、振動、氣流等的作用下移動至接地隔離開關(guān)底部支撐導(dǎo)體屏蔽罩與殼體之間，導(dǎo)致接地隔離開關(guān)支撐導(dǎo)體屏蔽罩對殼體放電擊穿，發(fā)生接地故障。根據(jù)返廠解體檢查情況，異物來源有兩種可能：廠內(nèi)裝配環(huán)節(jié)殘留異物、現(xiàn)場裝配過程產(chǎn)生的異物。后續(xù)應(yīng)細(xì)化廠內(nèi)裝配、現(xiàn)場安裝工藝流程，完善清理工藝，留存生產(chǎn)過程資料。