220 kV電壓互感器GIS放電引起主變跳閘故障的分析

陳天英

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021)

電容式電壓互感器是電力系統(tǒng)重要的電氣設(shè)備，比普通電壓互感器多了一套電網(wǎng)分壓裝置[1]，主要用于將一次側(cè)電壓信息傳遞給測(cè)量、計(jì)量、保護(hù)和控制裝置，廣泛應(yīng)用于110 kV及以上電壓等級(jí)的電網(wǎng)中[2]。

由于受設(shè)計(jì)水平、工藝水平、原材料和環(huán)境因素影響，電壓互感器常出現(xiàn)二次電壓波動(dòng)、電磁單元油位過(guò)高、投運(yùn)時(shí)有異響等故障[3]。本文對(duì)某220 kV變電站發(fā)生的一起電壓互感器GIS放電引起主變跳閘故障進(jìn)行詳細(xì)介紹，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和解體檢查找到故障原因，提出相應(yīng)的解決措施及合理化建議。

1 故障情況

1.1 故障概述

2019年4月3日，220 kV某變電站內(nèi)3號(hào)主變WBH-801主變保護(hù)裝置差動(dòng)速斷和差動(dòng)保護(hù)出口跳閘，負(fù)荷由2號(hào)主變轉(zhuǎn)帶，未損失負(fù)荷。經(jīng)查，3號(hào)主變220 kV側(cè)C相電壓互感器(GIS)內(nèi)部放電，主變外觀無(wú)異常，瓦斯繼電器內(nèi)無(wú)氣體，未發(fā)信號(hào)，220 kV GIS、110 kV GIS外觀無(wú)異常、主變10 kV側(cè)引線(xiàn)橋、避雷器、開(kāi)關(guān)柜內(nèi)設(shè)備外觀無(wú)異常，A、B相互感器及主變未見(jiàn)異常。

1.2 保護(hù)動(dòng)作分析

3號(hào)主變WBH-801主變保護(hù)裝置差動(dòng)速斷和差動(dòng)保護(hù)出口跳閘，差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為12 ms，縱差保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為20 ms，3號(hào)主變?nèi)齻?cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作跳閘，保護(hù)動(dòng)作燈亮。

故障前3號(hào)主變220 kV側(cè)A、B相電壓電流無(wú)明顯變化,有微弱零序電壓。故障后C相電壓降低，產(chǎn)生故障電流。主變110 kV側(cè)C相電壓由于高壓側(cè)感應(yīng)引起降低，A、B相無(wú)變化，差動(dòng)跳213、113、513開(kāi)關(guān)后，故障消失，保護(hù)正確動(dòng)作。綜合上述信息，初步判斷故障點(diǎn)位于高壓側(cè)C相。

2 試驗(yàn)測(cè)試

由于故障錄波顯示故障發(fā)生在220 kV側(cè)，對(duì)差動(dòng)保護(hù)范圍內(nèi)的213電壓互感器、避雷器、213-4接地開(kāi)關(guān)、主變進(jìn)線(xiàn)套管間隔氣室及3號(hào)主變壓器進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。

圖1 220 kV GIS間隔

2.1 213間隔微水及分解物檢測(cè)結(jié)果

測(cè)試過(guò)程中220 kV主進(jìn)213電壓互感器氣室內(nèi)(三相通過(guò)管路連通)氣體有明顯刺激氣味。220 kV主進(jìn)213電壓互感器氣室硫化氫及微水含量嚴(yán)重超標(biāo)，避雷器氣室、213-4隔離氣室、進(jìn)線(xiàn)套管氣室數(shù)據(jù)無(wú)異常。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 213間隔微水及分解物檢測(cè)結(jié)果 mg/L

2.2 變壓器檢測(cè)結(jié)果

對(duì)變壓器進(jìn)行了繞組直流電阻、介損及電容量、低電壓短路阻抗、繞組變形(頻響法)測(cè)試，并與2011年的交接及2019年5月14日例行試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，未見(jiàn)異常。

3 解體檢查分析

a.拆除二次接線(xiàn)盤(pán)

打開(kāi)二次接線(xiàn)盒，盒內(nèi)未見(jiàn)放電痕跡，二次繞組直阻測(cè)試未見(jiàn)異常。

b．拆除絕緣盆

絕緣盆拆解后未發(fā)現(xiàn)放電痕跡，因產(chǎn)品為倒置結(jié)構(gòu)，絕緣盆上的黑色附著物為上方放電產(chǎn)生的分解物掉落所致，黑色附著物如圖2所示。

圖2 絕緣盆上黑色附著物

c．觀測(cè)屏蔽管

屏蔽管靠近均壓罩側(cè)存在燒蝕痕跡如圖3所示，屏蔽管內(nèi)彈簧(即一次引線(xiàn))斷開(kāi)，如圖4所示。

圖3 屏蔽管燒蝕部位

圖4 導(dǎo)電管內(nèi)壁彈簧

d．殘留物化驗(yàn)

將外筒體拆除后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品內(nèi)部存在大量燒蝕后殘留的粉末及塊狀物。對(duì)取出的屏蔽管內(nèi)壁粉末、盆式絕緣子表面粉末、絕緣子壁黑色物質(zhì)、均壓罩接口處粉末、底板粉末等進(jìn)行化驗(yàn)分析，檢驗(yàn)出含鋁、氟、硅等分解物，不含有鐵等分解物，能夠排除螺栓等鐵質(zhì)材料及其余材料遺落至產(chǎn)品內(nèi)的可能性。

e．觀測(cè)均壓罩

觀測(cè)均壓罩表面，與屏蔽管及一次引線(xiàn)連接附近有2個(gè)燒穿的熔洞。此位置與屏蔽管燒蝕位置相對(duì)應(yīng)，如圖5所示。均壓罩的中側(cè)部位燒蝕程度嚴(yán)重如圖6所示。

圖5 均壓罩燒蝕與屏蔽管燒蝕位置相對(duì)應(yīng)

圖6 均壓罩中側(cè)位置燒蝕

f．觀測(cè)側(cè)、底屏蔽板

側(cè)、底屏蔽板對(duì)應(yīng)于均壓罩位置有放電燒蝕痕跡，側(cè)、底屏蔽板連接的接地線(xiàn)燒斷，如圖7所示。

圖7 側(cè)、底屏蔽板燒蝕位置與均壓罩對(duì)應(yīng)

g．觀測(cè)筒體內(nèi)壁

筒體內(nèi)壁有放電燒蝕痕跡，放電位置在對(duì)應(yīng)均壓罩處如圖8所示。

圖8 筒體內(nèi)壁放電痕跡均壓罩擊穿位置對(duì)應(yīng)

h．解體一次繞組

將一次繞組對(duì)應(yīng)位置劃線(xiàn)標(biāo)識(shí)，以便查驗(yàn)，并從器身上拆下。一次繞組下部燒蝕嚴(yán)重(即一次引線(xiàn)部位)，如圖9所示。

圖9 一次繞組與均壓罩對(duì)應(yīng)均在中間偏側(cè)位置燒蝕

隨著由一次繞組外層被逐步拆解，線(xiàn)圈燒蝕程度減輕，但發(fā)現(xiàn)線(xiàn)圈沿軸向燒蝕程度不一致，在15～20層明顯發(fā)現(xiàn)靠近中間位置嚴(yán)重，兩側(cè)較輕，不符合外部燒蝕引起線(xiàn)圈損壞的現(xiàn)象[4]，如圖10所示。

圖10 層層剝離一次繞組(中間部位燒蝕嚴(yán)重)

由此可斷定故障起始位置應(yīng)該位于線(xiàn)圈內(nèi)部，且在15～20層位置(由于線(xiàn)徑很細(xì)，且層間、匝間與絕緣燒結(jié)在一起，未能進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)引線(xiàn)斷裂、短路的具體位置),拆除至約26層后無(wú)放電及燒蝕痕跡。

經(jīng)查看一次繞組繞制記錄，在38.52 kΩ處存在接頭。通過(guò)一次繞組整體電阻值計(jì)算，接線(xiàn)焊接處在外層至內(nèi)層約18層處。

4 故障分析

結(jié)合產(chǎn)品解體過(guò)程及放電痕跡分析，可以明確故障電流的通道為高壓引線(xiàn)屏蔽管-線(xiàn)圈屏蔽罩-側(cè)屏蔽板(屏蔽板接地線(xiàn)燒斷)-筒體。

引發(fā)故障原因是一次繞組18層處焊接不當(dāng)，露出銅線(xiàn)頭，劃破鄰近漆包銅線(xiàn)，匝間絕緣劣化，引起匝間輕微放電并產(chǎn)生熱量。繞組層間絕緣電壓約為1 kV，匝間、層間絕緣破壞，導(dǎo)致匝間、層間短路引起二次電壓變化較小，產(chǎn)生微弱零序電壓，不足以引起保護(hù)裝置動(dòng)作，與故障錄波圖中跳閘前的微弱零序電壓相吻合。

隨著熱量緩慢增加，臨近導(dǎo)線(xiàn)和薄膜溫度升高，銅線(xiàn)漆膜融化(130 ℃)，多匝間絕緣劣化。缺陷繼續(xù)發(fā)展，層間薄膜融化(256 ℃)，層間絕緣劣化，絕緣強(qiáng)度迅速下降，導(dǎo)致絕緣擊穿，產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

5 結(jié)論及建議

a.綜上分析，斷定故障電壓互感器產(chǎn)生擊穿的原因?yàn)橐淮卫@組焊接不當(dāng)，露出銅線(xiàn)頭，劃破鄰近漆包銅線(xiàn)，導(dǎo)致匝間絕緣不良，電壓作用下引起匝間輕微放電并產(chǎn)生熱量。隨著熱量緩慢增加，臨近導(dǎo)線(xiàn)和薄膜溫度升高，引起多匝間絕緣劣化、層間絕緣劣化。絕緣劣化程度積累加劇，產(chǎn)生出金屬微粒，形成從高壓引線(xiàn)屏蔽管-線(xiàn)圈屏蔽罩-側(cè)屏蔽板(屏蔽板接地線(xiàn)燒斷)-筒體之間的放電通道。

b.今后工作中,對(duì)同型號(hào)在運(yùn)的通信號(hào)電壓互感器進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)排查，開(kāi)展內(nèi)部局部放電、SF6體分解產(chǎn)物等項(xiàng)目跟蹤檢測(cè)。

c.對(duì)線(xiàn)圈繞制責(zé)任人繞制的其他互感器開(kāi)展重點(diǎn)監(jiān)控，對(duì)加裝在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)備，定期開(kāi)展數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

d.加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行巡視工作，組織檢修、試驗(yàn)、運(yùn)維部門(mén)開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)巡視，重點(diǎn)檢查氣體壓力降低、滲漏、異響等缺陷。