雷電過電壓誘發(fā)的110 kV GIS內(nèi)部放電故障

陳祖?zhèn)?，姚聰偉，王增彬，呂鴻，胡平，汪林?/p>

（1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣州 510080； 2. 廣東省電力裝備可靠性企業(yè)重點實驗室，廣州 510080）

0 前言

氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear, GIS）具備占地面積小、維護(hù)工作量小、使用壽命長等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[1-2]。然而，一旦GIS發(fā)生內(nèi)部故障，通常需要開展解體檢修工作，且檢修周期較長，可能增加電網(wǎng)的運行風(fēng)險[3-4]。為有針對性地制定搶修方案，加快GIS搶修進(jìn)度，盡快恢復(fù)設(shè)備供電，保障電網(wǎng)運行可靠性，必須快速而準(zhǔn)確定位故障點，并判斷故障原因。在各類GIS故障中，內(nèi)部放電破壞性大，通常會對設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p壞，同時也是占比最高的故障類型之一[5]。GIS內(nèi)部放電類型可以包括絕緣件體內(nèi)放電、絕緣氣固界面沿面閃絡(luò)和導(dǎo)體與導(dǎo)體間的絕緣氣體擊穿等，而引起放電的原因則多種多樣，可能是設(shè)備過熱、絕緣件內(nèi)部氣泡缺陷、沿面污穢等[6]。在工頻、操作或雷電等過電壓的作用下，GIS內(nèi)部的絕緣缺陷更容易暴露。本文采用理化分析和雷電監(jiān)測等手段，對一起由雷電過電壓引起的110 kV GIS內(nèi)部放電故障進(jìn)行分析，推斷其故障根本原因，并對風(fēng)險防控措施提出建議。

1 故障發(fā)生經(jīng)過

某220 kV變電站110 kV區(qū)域GIS內(nèi)部發(fā)生放電故障，導(dǎo)致110 kV #1母線、#5母線跳閘。在故障發(fā)生前，變電站為單主變，母線并列運行方式。故障發(fā)生過程如圖1所示

圖1 故障發(fā)生過程

1.1 故障分析

故障GIS設(shè)備投運未滿1年，本次故障很有可能是在生產(chǎn)、安裝階段存在或引入的絕緣缺陷導(dǎo)致，因此對故障GIS設(shè)備的生產(chǎn)監(jiān)造、交接驗收和歷史運維數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱。結(jié)果發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)、安裝和交接驗收均滿足相關(guān)要求，運維也按照要求開展，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。

1.1.1 故障錄波

故障錄波如圖2所示。可見，約03時38分03秒078毫秒，110 kV#1母線B相電壓下降為零，即出現(xiàn)接地短路故障，隨后，C相和A相出現(xiàn)接地短路故障。故障錄波系統(tǒng)所記錄到的#1母線零序電壓3U0峰值約為-271.06 kV。#1主變變中1101間隔三相故障短路電流有效值在5～6.5 kA之間，故障錄波系統(tǒng)所記錄到的零序電流3I0峰值約為-20.65 kA。

圖2 故障錄波

1.1.2 SF6氣體成分檢測

在故障發(fā)生后的第一時間，對GIS氣室進(jìn)行SF6分解產(chǎn)物測試?？梢姡?1主變變中11011刀閘氣室SF6分解產(chǎn)物已超過設(shè)備量程，嚴(yán)重超過規(guī)程注意值。變中1101開關(guān)氣室檢出H2S和CO，110 kV母聯(lián)1012開關(guān)氣室檢出SO2、H2S和CO，但均未超過注意值，#1主變變中11012刀閘氣室、110 kV母聯(lián)10122刀閘氣室和10121刀閘氣室檢出CO，但均未超過注意值。其他氣室均沒有發(fā)現(xiàn)SF6氣體分解產(chǎn)物?？梢源_定，放電故障發(fā)生在11011刀閘氣室，變中1101開關(guān)氣室和1012開關(guān)氣室中的SO2、H2和CO應(yīng)為開斷了短路電流而產(chǎn)生。

1.1.3 設(shè)備開蓋檢查

在確定故障氣室后，對故障氣室進(jìn)行解體檢查?？梢?，在11011刀閘及與其相連的110 kV #1母線氣室中，導(dǎo)體和絕緣件均覆蓋有大量灰白色的放電分解粉末。此外，刀閘與母線氣室之間的氣通絕緣盆子在#1母線一側(cè)的表面已熏黑，母線氣室側(cè)的B相轉(zhuǎn)向?qū)w有明顯的放電燒蝕痕跡，且存在非放電產(chǎn)生的劃痕，母線氣室筒壁也有放電燒蝕痕跡（虛線框）。#1母線氣室兩側(cè)的氣隔盆子表面未見明顯異常，確認(rèn)放電故障發(fā)生于11011刀閘氣室和#1母線氣室相連的氣通盆子位置，且位于#1母線氣室一側(cè)。

1.1.4 回路電阻測量

11011刀閘氣室開蓋后，對三相導(dǎo)體進(jìn)行回路電阻測量，回路電阻測量范圍包括了故障位置，測量端子連接于母線氣室的氣隔盆子觸頭座上。測量發(fā)現(xiàn)A相回路電阻21.35 μΩ，B相回路電阻25.48 μΩ，C相回路電阻24.94 μΩ。受A相氣隔盆子觸頭座位置的影響，少測量了一個插接位置，因此回路電阻低于另外兩相。因此，可以判定回路電阻測試結(jié)果正常。

1.1.5 故障部件解體檢查

對11011刀閘氣室及#1母線氣室進(jìn)行解體檢查，對開蓋檢查明確的放電故障范圍進(jìn)行檢查。

1）氣通盆子：解體檢查發(fā)現(xiàn)，11011刀閘氣室與#1母線氣室之間的氣通盆子表面已被熏黑，但盆子絕緣沒有發(fā)現(xiàn)明顯的沿面閃絡(luò)通道，盆子內(nèi)嵌導(dǎo)體沒有發(fā)現(xiàn)明顯的放電或過熱燒蝕痕跡。

2）轉(zhuǎn)向?qū)w：對#1母線與氣通盆子相連接的轉(zhuǎn)向?qū)w進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)A、B和C三相轉(zhuǎn)向?qū)w與母線插接部分及其彈簧觸指鍍銀層完整，無放電或過熱燒蝕痕跡。A、B和C三相轉(zhuǎn)向?qū)w接近盆子的導(dǎo)體表面均發(fā)現(xiàn)多處對應(yīng)的相對地和相間放電點，就燒蝕嚴(yán)重程度而言，B相導(dǎo)體最嚴(yán)重的，C相導(dǎo)體次之，A相導(dǎo)體燒蝕情況較輕。

3）母線導(dǎo)體及氣室殼體：對母線導(dǎo)體進(jìn)行檢查，可以發(fā)現(xiàn)母線導(dǎo)體與轉(zhuǎn)向?qū)w插接的部位存在放電痕跡。檢查氣室殼體可以發(fā)現(xiàn)，殼體三相均存在對殼體放電留下的痕跡，與三相導(dǎo)體對地放電點一致。

1.1.6 放電產(chǎn)物（固體粉末）分析

開蓋檢查和解體檢查時，分別采集了11011刀閘氣室及其相鄰的#1母線氣室的放電分解粉末進(jìn)行成分分析。分析結(jié)果表明，11011刀閘氣室與#1母線氣室的放電產(chǎn)物（固體粉末）成分主要為F和Al元素，有少量的C、O和Mg元素，未檢測到Fe和Cu等元素。說明發(fā)生放電故障時，沒有Fe或Cu元素含量較高的金屬異物參與放電反應(yīng)。

圖3 放電分解粉末成分檢測

1.1.7 落雷與避雷器檢查情況

1）落雷情況：根據(jù)雷電監(jiān)測系統(tǒng)，故障時變電站110 kV出線桿塔附近有一次較強(qiáng)的落雷。落雷時間與#1母線的母差保護(hù)啟動時間相同。因此，該落雷與本次#1母線放電故障具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性。

2）避雷器動作情況：分別檢查了故障前后各110 kV出線間隔與#1主變變中間隔的避雷器動作次數(shù)，如表1所示。可見，在兩次檢查之間，共有4相避雷器有動作，各動作1次。其中，某某乙線1228間隔B相避雷器在兩次動作計數(shù)檢查之間動作過一次，可能與本次故障有關(guān)。其他三次均為A相動作。對110 kV區(qū)域避雷器進(jìn)行帶電試驗，試驗結(jié)果合格，可排除避雷器失效可能性。

表1 避雷器動作次數(shù)檢查

1.2 原因分析與討論

1.2.1 故障原因

根據(jù)故障錄波情況，可確定放電過程為#1母線B相先發(fā)生接地短路故障，并迅速引發(fā)三相接地短路故障。放電故障位置為11011刀閘氣室和#1母線氣室相連的氣通盆子附近，且位于#1母線氣室一側(cè)。

結(jié)合雷電監(jiān)測系統(tǒng)，在母差保護(hù)啟動時刻，變電站出線桿塔附近有較強(qiáng)落雷，可判斷#1母線放電故障誘因應(yīng)是雷電過電壓。

開蓋與解體檢查等工作發(fā)現(xiàn)，發(fā)生故障的#1母線導(dǎo)流回路的回路電阻無異常，各導(dǎo)體插接部位無過熱燒蝕痕跡，可以確定本次放電不是過熱缺陷造成。對放電分解產(chǎn)物粉末的檢測結(jié)果表明放電過程中，含有大量Fe元素的金屬異物參與放電的概率較低。氣通絕緣盆子表面及其內(nèi)嵌導(dǎo)體無明顯沿面閃絡(luò)或放電痕跡，且放電粉末成分中，C元素含量低，判斷絕緣盆子存在絕緣缺陷的可能性較低，放電故障應(yīng)不是起始于絕緣盆子沿面閃絡(luò)，而是起始于氣隙擊穿。

雷電過電壓誘發(fā)GIS氣隙擊穿的可能性分析如下：110 kV區(qū)域避雷器為無間隙氧化物避雷器，其殘壓最大值為281 kV。在避雷器正常動作的情況下，進(jìn)入#1母線的雷電過電壓最大可達(dá)281 kV，高于交接試驗工頻耐壓值（230 kV）。因此，雖然GIS設(shè)備通過了出廠與交接時的工頻耐壓試驗，但不能保證GIS設(shè)備可以承受避雷器殘壓。

此外，與工頻耐壓試驗相比，雷電沖擊電壓峰值更高，可在導(dǎo)體表面微小毛刺或異物處產(chǎn)生更高電場強(qiáng)度，更能暴露導(dǎo)體表面的微小毛刺或異物缺陷。因此，當(dāng)導(dǎo)體表面存在微小毛刺或異物時，GIS正常工作時的工頻電壓可能不足以引發(fā)放電擊穿故障或可檢測到的局部放電，但在雷電過電壓作用下，則可能會發(fā)生放電擊穿故障[7-9]。

綜上所述，判斷放電故障根本原因是生產(chǎn)裝配或現(xiàn)場安裝過程中，存在清潔度控制不足、打磨工藝不佳或?qū)w表面刮蹭等問題，導(dǎo)致導(dǎo)體表面存在微小毛刺，形成GIS內(nèi)部絕緣缺陷。

1.2.2 風(fēng)險防控措施

1）由于現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范未強(qiáng)制要求110 kV GIS設(shè)備在出廠試驗和交接試驗中開展雷電沖擊耐壓試驗，部分GIS導(dǎo)體微小毛刺缺陷可能難以通過工頻耐壓或局放試驗發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致設(shè)備帶病入網(wǎng)運行。因此，對于重要等級較高的110 kV GIS設(shè)備可以考慮增加雷電沖擊耐壓試驗，并研發(fā)適用于現(xiàn)場雷電沖擊耐壓的試驗裝備[10]。

2）提高生產(chǎn)監(jiān)造與現(xiàn)場安裝技術(shù)監(jiān)督階段對生產(chǎn)安裝現(xiàn)場清潔度、導(dǎo)體表面光滑度的檢查力度，研發(fā)定量檢查手段，提升入網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量管控水平[11]。

2 結(jié)束語

本文針對一起110 kV GIS 內(nèi)部放電故障進(jìn)行了分析，通過第一時間檢測SF6氣體分解產(chǎn)物，快速確定了故障氣室；通過測量回路電阻和檢查對導(dǎo)體電接觸位置，排除了電接觸狀態(tài)不良導(dǎo)致導(dǎo)體過熱引起的放電；通過檢測放電產(chǎn)物與開蓋解體檢查，排除了異物侵入和絕緣子表面缺陷引起的沿面閃絡(luò)可能性；最終，根據(jù)雷電定位系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)放電故障時刻，變電站附近存在較強(qiáng)落雷的情況，結(jié)合上述檢查試驗情況，判斷本起故障為導(dǎo)體表面毛刺或微小顆粒引起的導(dǎo)體間的SF6氣體擊穿故障。為進(jìn)一步提升入網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量，建議增強(qiáng)對現(xiàn)場清潔度和導(dǎo)體光滑度的檢查力度，同時，研發(fā)現(xiàn)場雷電沖擊試驗設(shè)備，并在出廠試驗與交接試驗階段增加雷電沖擊試驗，以充分暴露110 kV GIS存在的微小絕緣缺陷。