一起800 kV GIS設(shè)備盆式絕緣子閃絡(luò)故障分析及建議

張濟(jì)麟，吳文濤，馬小林

(國(guó)網(wǎng)青海省電力公司檢修公司，青海 西寧 810021)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱GIS)在出廠裝配和現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，極有可能由于工藝或材質(zhì)的問題將異物帶入設(shè)備內(nèi)部。當(dāng)GIS設(shè)備內(nèi)部存在異物時(shí)其電場(chǎng)分布發(fā)生改變，電場(chǎng)較為集中的位置上會(huì)產(chǎn)生局部放電，同時(shí)長(zhǎng)期運(yùn)行中由于絕緣的累計(jì)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致局部放電逐漸發(fā)展為擊穿或者閃絡(luò)。本文就一起由異物及VFTO(快速暫態(tài)過電壓)共同作用的800 kV GIS設(shè)備CT氣室放電故障進(jìn)行了原因分析，提出了相應(yīng)的防范措施。

1 故障經(jīng)過及檢查情況

1.1 故障經(jīng)過

2018年11月20日,某750 kV變電站750 kV Ⅱ母停電檢修完工后供電過程中，在合上75221隔離開關(guān)后，7520開關(guān)C相動(dòng)作跳閘，7520開關(guān)重合閘動(dòng)作，重合失敗，故障測(cè)距0 km。現(xiàn)場(chǎng)檢查一次設(shè)備外觀無(wú)明顯異常，二次設(shè)備動(dòng)作正確，對(duì)故障相別相應(yīng)位置氣室進(jìn)行SF6氣體分解產(chǎn)物測(cè)試結(jié)果見表1所示。7522斷路器靠75221側(cè)C相電流互感器氣室分解產(chǎn)物SO2及H2S嚴(yán)重超標(biāo)，判斷放電故障位于該氣室，如圖1所示。

表1 故障跳閘線路C相各氣室氣體組分檢測(cè)數(shù)據(jù)表

圖1 故障氣室平面布置圖

1.2 檢查情況

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

2018年11月21日，故障氣室進(jìn)行氣體回收及開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)7522斷路器靠75221側(cè)隔離開關(guān)CT氣室殼體內(nèi)壁附著大量灰白色粉塵，靠7522斷路器側(cè)盆式絕緣子表面已被放電黑灰色產(chǎn)物覆蓋，盆子壓接金屬法蘭靠導(dǎo)體側(cè)可見大面積燒熔痕跡，見圖2。

圖2 7522斷路器靠75221隔離開關(guān)側(cè)CT氣室開蓋檢查

1.2.2 解體檢查

2018年12月4日-6日，對(duì)7522斷路器及兩側(cè)CT氣室、75221隔離開關(guān)氣室設(shè)備進(jìn)行返廠解體檢查，直觀現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果一致，故對(duì)盆式絕緣子進(jìn)行了進(jìn)一步檢查及檢測(cè)：

(1)分解物取樣分析

對(duì)故障盆式絕緣子表面及電連接屏蔽罩、CT筒體內(nèi)及故障盆式絕緣子分解物取樣并分析。結(jié)果為：無(wú)其他引入的金屬雜質(zhì)元素。

(2) 盆式絕緣子檢查

故障盆子整體清擦后可確定主放電通道(如圖3黑色曲線)及多條電樹枝及貫穿放電痕跡(如圖3白色虛線)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況判斷其他電樹枝為重合閘時(shí)形成的二次放電。

圖3 故障盆式絕緣子表面電樹枝及導(dǎo)電通道

故障盆式絕緣子進(jìn)行X射線檢查、解體檢查、玻璃化溫度檢測(cè)均符合技術(shù)要求。

1.2.3 隔離開關(guān)解體檢查

拆解75211隔離開關(guān)高位盆式絕緣子，可見內(nèi)部觸頭及底部無(wú)放電痕跡及異物，氣室底部清潔；更換75211隔離開關(guān)高位盆式絕緣子，注氣后進(jìn)行特性試驗(yàn)，測(cè)試數(shù)據(jù)合格。

2 故障原因分析

由盆式絕緣子表面情況判斷放電主路徑為7522斷路器靠75221側(cè)盆式絕緣子(CT氣室側(cè))電連接屏蔽罩至盆子壓接金屬法蘭靠導(dǎo)體側(cè)沿盆式絕緣子表面發(fā)展的沿面閃絡(luò)，根據(jù)運(yùn)行條件、異物來源及放電路徑對(duì)盆式絕緣子放電原因進(jìn)行綜合分析。

2.1 運(yùn)行條件改變,VFTO造成放電

在75221隔離開關(guān)從斷開到閉合的操作過程中，發(fā)生故障。故根據(jù)當(dāng)時(shí)運(yùn)行條件對(duì)該變電站800 kV GIS設(shè)備各節(jié)點(diǎn)的VFTO進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算時(shí)按電源電壓與負(fù)荷側(cè)殘余電荷(1.0 p.u.)極性相反時(shí)重燃從嚴(yán)考慮。計(jì)算發(fā)現(xiàn)75221隔離開關(guān)、7522斷路器靠75221隔離開關(guān)側(cè)CT、7520斷路器為計(jì)算中相對(duì)較大的點(diǎn)，峰值電壓最大為1 713 kV，未達(dá)到800 kV GIS的雷擊耐雷水平2 100 kV，正常絕緣水平下，該VFTO不應(yīng)造成GIS故障。

2.2 盆式絕緣子表面異物造成放電

2.2.1 檢修過程引入異物或金屬顆粒

通過對(duì)該間隔設(shè)備自投運(yùn)至故障前的運(yùn)行情況及帶電檢測(cè)情況檢查，排除了在運(yùn)維檢修階段帶入異物雜質(zhì)以及氣室底部存在自由金屬顆粒的可能。

2.2.2 出廠、施工過程異物的進(jìn)入

設(shè)備在出廠和施工過程中異物的來源有兩種途經(jīng)：

(1)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)接筒體及導(dǎo)體時(shí)帶入異物，盆式絕緣子清擦不到位，且對(duì)接后無(wú)法對(duì)對(duì)接面盆式絕緣子進(jìn)行二次清擦及點(diǎn)檢，屬于安裝過程中的盲區(qū)，故對(duì)接過程中引入的異物無(wú)法直觀的發(fā)現(xiàn)并清理。

(2)設(shè)備出廠前盆式絕緣子法蘭與壓接法蘭壓接過程中，壓接面密封涂抹的密封劑過量，長(zhǎng)期運(yùn)行后密封劑液化逐漸沿緊固螺栓及密封圈溢出。

2.3 放電路徑分析

經(jīng)檢查盆式絕緣子表面沿面閃絡(luò)，且主放電通道的放電路徑在盆式絕緣子表面出現(xiàn)“拐彎”的情況，如圖4所示。從主放電通道“拐點(diǎn)”處的取樣成分分析中可見碳元素含量均超過60 %，可推斷在這幾個(gè)碳沉積部位放電強(qiáng)度大、電場(chǎng)較為集中，疑似存在異物。

圖4 主放電通道

結(jié)合異物來源進(jìn)行放電原因分析：

(1)現(xiàn)場(chǎng)氣室對(duì)接時(shí)帶入異物，由于盆式絕緣子絕緣裕度足夠，在交流耐壓過程中并未發(fā)生絕緣擊穿或閃絡(luò)，設(shè)備投運(yùn)后經(jīng)歷過多次操作，且該隔離開關(guān)未加裝并聯(lián)分合閘電阻，故每次操作時(shí)的VFTO都會(huì)作用在故障盆式絕緣子上。異物附著在盆式絕緣子表面改變了電場(chǎng)分布，逐漸發(fā)展成為電樹枝，由于“累積效應(yīng)”電樹枝的發(fā)展逐漸惡化，直至恢復(fù)供電電操作時(shí)的VFTO導(dǎo)致電樹枝發(fā)展為貫通的導(dǎo)電通道，最終盆式絕緣子沿面閃絡(luò)。

(2)若在出廠裝配時(shí)壓接法蘭與盆式絕緣子法蘭間密封劑涂抹過量，在設(shè)備交接及初期運(yùn)行過程中不一定會(huì)出現(xiàn)問題，但密封劑在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中逐漸液化，體積增大，沿壓接法蘭緊固螺栓及密封圈流出(圖5)，同時(shí)在整個(gè)壓接面向下流動(dòng)，從壓接縫隙中流出(圖6)。故障盆式絕緣子對(duì)側(cè)隔離開關(guān)高位盆式絕緣子對(duì)接面拆解后也可見大量密封劑(圖7)。

圖5 疑似密封劑溢出痕跡

圖6 壓接縫隙流出密封劑

圖7 盆式絕緣子密封面

液化的密封劑可稱為“流體異物”，若在無(wú)界面壓力的情況下會(huì)受重力作用沿圖8中標(biāo)出的1號(hào)軌跡及2號(hào)軌跡下落，流經(jīng)導(dǎo)體落至垂直對(duì)應(yīng)位置，但因?yàn)檫\(yùn)行中的設(shè)備充有SF6氣體，其氣室額定壓力為0.5 MPa，氣體壓力和重力的合成力作用在“流體異物”上，極有可能以3號(hào)軌跡沿盆子內(nèi)壁流動(dòng)，且“流體異物”本身有粘滯系數(shù)，與其流過的表面存在摩擦，流速較慢。放電路徑上“拐點(diǎn)”均是盆式絕緣子表面曲率半徑較小的位置，如圖8所標(biāo)位置，“流體異物”的流速在這些位置會(huì)進(jìn)一步減慢，形成聚集。

圖8 溢出密封劑流動(dòng)、滴落示意圖

結(jié)合本次母線供電時(shí)操作隔離開關(guān)產(chǎn)生的過電壓，初步判斷為“流體異物”在盆式絕緣子表面聚集改變了電場(chǎng)分部，在過電壓的作用下引發(fā)了沿面放電，主放電路徑發(fā)生方向改變的位置即為“流體異物”聚集的位置。“流體異物”出現(xiàn)的時(shí)間并不短，隔離開關(guān)在運(yùn)行過程中的操作過電壓的累計(jì)效應(yīng)作用在盆式絕緣子上，逐漸形成主放電通道電樹枝，最終在恢復(fù)供電操作時(shí)引發(fā)通道貫通。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

根據(jù)返廠設(shè)備解體檢查發(fā)現(xiàn)的痕跡、分解物取樣成分分析以及VFTO仿真計(jì)算結(jié)果初步判斷,造成本次盆式絕緣子發(fā)生沿面閃絡(luò)故障的主要原因?yàn)椋号枋浇^緣子表面附著“流體異物”，導(dǎo)致電場(chǎng)分布的改變，在隔離開關(guān)操作產(chǎn)生VFTO的作用下，沿盆式絕緣子表面按照異物流動(dòng)軌跡及聚集點(diǎn)的排列與盆式絕緣子壓接法蘭之間形成貫通的導(dǎo)電通道，導(dǎo)致發(fā)生單相接地短路故障。

異物的來源：設(shè)備出廠前，壓接法蘭與盆式絕緣子法蘭壓接過程中密封面涂抹的密封劑過量，長(zhǎng)期運(yùn)行后密封劑液化，沿緊固螺栓及密封圈溢出，由于重力及氣室壓力的作用形成“流體異物”并或沿盆子內(nèi)壁向6點(diǎn)鐘方向流動(dòng)，在盆子曲率半徑較小的位置聚集。

本次放電故障可分為兩個(gè)階段：第一階段，形成貫通導(dǎo)電通道后能量的釋放導(dǎo)致氣室內(nèi)部產(chǎn)生大量分解物，氣體絕緣降低，分解物附著在CT氣室內(nèi)壁及盆式絕緣子表面，沿面電弧的高溫將電連接屏蔽罩表面燒熔，金屬熔點(diǎn)沿電場(chǎng)方向飛濺在盆子底部；第二階段，重合閘時(shí)形成，由于發(fā)生的是單相接地故障，暫態(tài)地電位和GIS殼體暫態(tài)電位升高，且該氣室及盆式絕緣子整體絕緣強(qiáng)度嚴(yán)重破壞，電場(chǎng)兩極電位差降低，二次放電的發(fā)展不再是單純的由導(dǎo)體向地電位發(fā)展，而是電極兩側(cè)同時(shí)發(fā)展，除主放電通道外，盆子表面再次出現(xiàn)發(fā)展方向不同的多處電樹枝和放電通道。

就此次故障來看，單純的過電壓或者盆子表面異物并不能導(dǎo)致CT氣室盆式絕緣子的沿面閃絡(luò)，故障的發(fā)生是兩方面因素共同作用的結(jié)果。

3.2 建議

3.2.1 防止雜質(zhì)、異物進(jìn)入GIS設(shè)備

提升廠內(nèi)盆式絕緣子裝配質(zhì)量及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備對(duì)接工藝質(zhì)量，加強(qiáng)質(zhì)量控制，增加點(diǎn)檢部位并形成過程資料，真正做到檢查無(wú)死角，全覆蓋。

3.2.2 采取有效措施降低VFTO的危害

目前在限制VFTO的措施中最有效的應(yīng)用是在隔離開關(guān)斷口并聯(lián)分合閘電阻，操作時(shí)先串入電阻，利用其阻尼作用使行波上升時(shí)間減小，降低過電壓的陡度，使重燃減少或不發(fā)生，同時(shí)吸收VFTO的能量降低過電壓幅值。