330 kV GIS設(shè)備接地故障研究分析*

楊明凱

(國(guó)網(wǎng)青海省電力公司，青海 西寧 810001)

0 引 言

隨著氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)(Gas Insulated Switchgear，GIS)設(shè)備投入量及使用時(shí)間的增加，發(fā)熱故障越來(lái)越突出，而GIS設(shè)備密封在充有SF6氣體的金屬外殼內(nèi)，對(duì)于內(nèi)部發(fā)熱的分析手段欠缺，發(fā)熱不易發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理。在環(huán)境溫差變化較大時(shí)，熱脹冷縮導(dǎo)致的應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱加劇，進(jìn)而造成絕緣氣體分解，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體融化從而發(fā)生更嚴(yán)重的設(shè)備停運(yùn)故障[1]。筆者針對(duì)某330 kV變電站GIS接地故障，采用故障現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和仿真分析的方法，判定GIS內(nèi)部有發(fā)熱情況應(yīng)結(jié)合停電及時(shí)處理，以免事故擴(kuò)大，導(dǎo)致設(shè)備停運(yùn)。

1 故障概況

2021年7月，某變電站330 kV GIS主變間隔B相分支中一氣室發(fā)生單相接地故障，最大故障電流22.6 kA，導(dǎo)致該主變兩套電氣量保護(hù)全部動(dòng)作，該主變?nèi)齻?cè)斷路器動(dòng)作跳閘，故障持續(xù)時(shí)間為54 ms。故障前電網(wǎng)電壓、電流等參數(shù)無(wú)異常，經(jīng)核查確認(rèn)保護(hù)裝置正確動(dòng)作。

330 kV GIS局部主接線圖如圖1所示，故障位置如圖中虛線框所注位置所示。故障前330 kV甲線檢修，該間隔所屬3330及3331斷路器冷備用，其余750 kV設(shè)備、330 kV設(shè)備及66 kV設(shè)備正常運(yùn)行，站內(nèi)無(wú)操作。故障當(dāng)天該變電站所處位置天氣晴朗，氣溫約20 ℃，故障前一周該地持續(xù)高溫(氣溫同比增長(zhǎng)5～7 ℃)，地面受熱膨脹導(dǎo)致站內(nèi)出現(xiàn)地磚凸起、硬質(zhì)水泥路路面擠壓破裂等現(xiàn)象。

圖1 330 kV GIS局部主接線圖

發(fā)生故障分支B相位于跨站內(nèi)道路“幾”字形布置區(qū)西側(cè)，如圖2(a)虛線框所示；其下方拐角處所安裝波紋管底部燒穿形成長(zhǎng)寬約(10×4)cm的孔洞，孔洞正下方筒體接地排部分熔斷，如圖2(b)所示(圖片視角為從地面至天空)；拆除該波紋管，氣室內(nèi)部燒蝕嚴(yán)重，波紋管東側(cè)導(dǎo)通式盆式絕緣子表面存在大量故障分解物噴濺痕跡，導(dǎo)體與盆子對(duì)接處屏蔽罩底部被完全燒穿，導(dǎo)體可見(jiàn)部分發(fā)現(xiàn)燒蝕孔洞四處，底部位于屏蔽罩外沿處的不規(guī)則孔洞長(zhǎng)寬約(4.7×3.7)cm，該孔洞面積最大且位置與波紋管燒穿位置基本一致，初步判斷為主故障點(diǎn)，如圖2(c)所示。

圖2 故障現(xiàn)場(chǎng)檢查圖

2 氣體組分分析、解體檢查情況及故障前帶電檢測(cè)情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)故障點(diǎn)所在的分支各氣室氣體組分進(jìn)行分析，對(duì)故障點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步解體檢查，并對(duì)該變電站歷史帶電檢測(cè)情況進(jìn)行調(diào)查。

2.1 氣體組分分析

故障后對(duì)該主變間隔分支母線各氣室及分支母線所連3360、3361斷路器氣室開(kāi)展氣體組分分析，對(duì)主變進(jìn)行了絕緣油色譜分析。主變絕緣油色譜試驗(yàn)結(jié)果正常；氣體組分分析結(jié)果顯示3 360斷路器B相氣室存在特征氣體，其中SO2為11.0 μL/L、H2S為0.6 μL/L、CO為0.9 μL/L，判斷為故障期間斷路器滅弧所致，在故障后連續(xù)多天檢測(cè)中，特征氣體組分持續(xù)降低，其余氣室檢測(cè)數(shù)據(jù)正常。

2.2 解體檢查情況

對(duì)故障位置波紋管、盆子、屏蔽罩、截?cái)嗟膶?dǎo)體(含觸頭)和接地排做進(jìn)一步解體檢查。

2.2.1 接觸電阻測(cè)量

使用回路電阻測(cè)試儀采用100 A電流對(duì)截取的導(dǎo)體和觸頭間進(jìn)行接觸電阻測(cè)量，測(cè)量結(jié)果平均值為631 μΩ，設(shè)計(jì)值為≤7 μΩ，分析其原因是故障造成導(dǎo)體和觸頭間接觸不良。

2.2.2 X射線檢測(cè)

對(duì)導(dǎo)體和觸頭部分進(jìn)行X射線檢測(cè)，結(jié)果如圖3(a)所示，發(fā)現(xiàn)燒熔孔洞清晰可見(jiàn)，彈簧均勻分布在凹槽內(nèi)，位置無(wú)異常，整體燒損嚴(yán)重。

對(duì)盆子進(jìn)行X射線檢測(cè)，結(jié)果如圖3(b)所示，發(fā)現(xiàn)黃色通道是一道僅存在于盆子表面的凹槽，位于盆子凹面，并未貫穿，通道外側(cè)垂直方向有5道橫向裂紋，最外側(cè)橫向裂紋已貫穿且斷口無(wú)污染，判斷黃色通道是由于故障高溫鋁溶液流經(jīng)時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂熱分解所致。

圖3 X射線檢查

2.2.3 X射線衍射分析

對(duì)盆子表面黃色通道內(nèi)殘留的粉末狀物質(zhì)進(jìn)行提取制樣，并開(kāi)展X射線衍射分析，結(jié)果顯示該物質(zhì)主要成分為Al2O3(95%)與SiO2(5%)。該物質(zhì)主要成分與盆子高溫分解后剩余固體粉末成分一致，可判斷故障時(shí)高溫使盆子表面從屏蔽罩燒蝕最嚴(yán)重的底部開(kāi)始分解形成溝槽，沿隨機(jī)性路徑抵達(dá)邊緣法蘭處。

2.2.4 切割分離檢查

使用電火花切割機(jī)對(duì)導(dǎo)體與觸頭進(jìn)行切割，進(jìn)一步觀察其內(nèi)部狀態(tài)，切割后形狀如圖4。導(dǎo)體最大孔洞軸向位置在三圈壓緊彈簧處，最大孔洞在接觸面附近的燒蝕面積大于導(dǎo)體外部燒蝕面積，呈現(xiàn)出由接觸面向兩側(cè)燒熔擴(kuò)散的痕跡。未被燒熔的彈簧固定槽及其內(nèi)部彈簧無(wú)明顯形變或被擠出的情況。

圖4 切割分離檢查

對(duì)軸向位置相同的其余三個(gè)孔洞進(jìn)行徑向切割，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象與最大孔洞相似，即由分界面向兩側(cè)燒熔擴(kuò)散，三個(gè)孔洞位置相對(duì)分散，如圖5所示。

圖5 三個(gè)孔洞徑向切割

將上述切割體的導(dǎo)體和觸頭剝離，進(jìn)一步證實(shí)由接觸面向兩側(cè)燒熔的現(xiàn)象，觸頭靠近盆子側(cè)的一圈彈簧已被完全燒熔，其余兩圈彈簧外側(cè)有不同程度的燒斷痕跡，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)體與觸頭剝離

綜合現(xiàn)場(chǎng)及解體檢查情況，初步判斷本次故障的直接原因是母線導(dǎo)體與觸頭間接觸電阻過(guò)大導(dǎo)致的焦耳損耗增加，長(zhǎng)期異常發(fā)熱使接觸面兩側(cè)的鋁合金受熱熔化[2-3]，鋁熔液在滴落過(guò)程中造成內(nèi)部氣隙閃絡(luò)。

2.3 故障前帶電檢測(cè)情況

2.3.1 氣室內(nèi)特征氣體異常情況

2020年年度例行帶電檢測(cè)工作中首次發(fā)現(xiàn)故障氣室存在SO2特征氣體，含量為5.4 μL/L，超過(guò)《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的SO2含量≤1 μL/L的注意值，其余氣室均無(wú)異常。隨后對(duì)該氣室進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，SO2特征氣體持續(xù)存在，數(shù)據(jù)變化情況如圖7所示。

圖7 氣室SO2含量變化曲線

2.3.2 接地排發(fā)熱

2020年年度帶電檢測(cè)紅外測(cè)溫期間發(fā)現(xiàn)該主變間隔存在多處發(fā)熱點(diǎn)(接地排軟連接、波紋管連接螺栓等)，最高溫度達(dá)163 ℃，其中故障點(diǎn)所在波紋管附近存在2處發(fā)熱點(diǎn)，最高溫度為57.2 ℃。2020年年度帶電檢測(cè)結(jié)束后，對(duì)部分發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行了螺栓接觸點(diǎn)打磨和導(dǎo)電液噴涂等處理，處理后運(yùn)行正常。判斷發(fā)熱原因?yàn)殂~排接觸不良。

2021年帶電檢測(cè)紅外測(cè)溫期間發(fā)現(xiàn)該主變間隔存在多處發(fā)熱點(diǎn)，故障點(diǎn)波紋管附近未見(jiàn)發(fā)熱。

2.3.3 帶電檢測(cè)及重癥監(jiān)護(hù)

2020年，在年度帶電檢測(cè)發(fā)現(xiàn)氣室存在特征氣體后，連續(xù)三天對(duì)該氣室進(jìn)行了特高頻和超聲波局部放電檢測(cè)，信號(hào)未見(jiàn)異常；間隔十天后，對(duì)該氣室再次進(jìn)行了特高頻和超聲波局部放電檢測(cè)，信號(hào)未見(jiàn)異常。隨后對(duì)該氣室加裝了GIS設(shè)備(特高頻)重癥監(jiān)護(hù)裝置，直至2021年4月拆除，期間未捕捉到異常放電信號(hào)。

3 仿真分析

為進(jìn)一步確認(rèn)故障發(fā)生原因，對(duì)于溫度變化導(dǎo)致的GIS內(nèi)部應(yīng)力變化和鋁液滴落導(dǎo)致的GIS內(nèi)部電場(chǎng)分布變化進(jìn)行仿真分析。

3.1 GIS運(yùn)行期間應(yīng)力變化仿真分析

結(jié)合故障氣室設(shè)計(jì)尺寸設(shè)置邊界條件，采用有限元仿真模擬對(duì)運(yùn)行的GIS筒體及內(nèi)部導(dǎo)體受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析。故障點(diǎn)西側(cè)為長(zhǎng)拉桿溫度補(bǔ)償單元，溫差應(yīng)力變形均在長(zhǎng)拉桿內(nèi)吸收，因此有限元仿真模擬部位的選取西側(cè)至故障點(diǎn)西側(cè)第一個(gè)波紋管處，東側(cè)至門(mén)型架西側(cè)豎直段，如圖2(a)所示。

根據(jù)故障點(diǎn)所在位置設(shè)備的幾何尺寸建立三維實(shí)體模型，將模型導(dǎo)入到Abaqus軟件中，同時(shí)設(shè)置故障點(diǎn)的邊界條件如下：以門(mén)型架限制水平方向運(yùn)動(dòng)，模擬右邊強(qiáng)支撐；運(yùn)行狀態(tài)下，導(dǎo)體與觸座間始終存在20 mm間隙；導(dǎo)體隨著左側(cè)波紋管的溫度補(bǔ)償作用，可在內(nèi)部正常移動(dòng)，筒體溫差取80 ℃，進(jìn)行加載運(yùn)算分析。如圖8、9所示。

圖8 等效應(yīng)力云圖

圖9 等效應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)有限元仿真計(jì)算，等效應(yīng)力云圖如圖9所示，在自重和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下，盆式絕緣子產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，該集中應(yīng)力可能造成盆子表面出現(xiàn)裂紋。等效應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示，在自重和扭轉(zhuǎn)力作用下，故障點(diǎn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，波紋管上部和觸頭下部位移變化較大，可能造成導(dǎo)體與觸頭間接觸面結(jié)合不均勻、接觸壓力發(fā)生變化。

3.2 鋁液滴落時(shí)內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)變化仿真分析

基于COMSOL的二維靜電場(chǎng)仿真，對(duì)鋁液在穿透導(dǎo)體下降時(shí)GIS內(nèi)部電場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真分析[4-5]，二維仿真模型如圖10(a)所示。按廠家設(shè)計(jì)方案，該型號(hào)產(chǎn)品在0.45 MPa氣壓下內(nèi)部許用場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)值為≤22.6 kV/mm。正常運(yùn)行時(shí)腔體內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在導(dǎo)體邊緣，最大場(chǎng)強(qiáng)為3.35 kV/mm，如圖10(b)所示。

圖10 仿真模型及仿真結(jié)果

鋁液懸掛工況：采用長(zhǎng)度為6 mm、直徑為2 mm的鋁材質(zhì)尖端開(kāi)展鋁液剛穿透導(dǎo)體懸掛在導(dǎo)體外表面而未滴落時(shí)GIS筒體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布的仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果，此工況下GIS筒體內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在鋁液滴最底部，場(chǎng)強(qiáng)最大值為11.5 kV/mm，遠(yuǎn)小于許用場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)值，該工況下GIS筒體內(nèi)不會(huì)發(fā)生氣隙擊穿故障。

鋁液滴落工況：為模擬觸頭持續(xù)發(fā)熱導(dǎo)致鋁液滴開(kāi)始滴落時(shí)GIS筒體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)情況，采用鋁材質(zhì)尖端+鋁液滴模型開(kāi)展仿真計(jì)算，其中尖端長(zhǎng)度為6 mm、直徑為2 mm，液滴長(zhǎng)度為9 mm、端部直徑2 mm，液滴上端距離尖端底部16 mm。根據(jù)仿真結(jié)果，此種工況下GIS筒體內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在已經(jīng)滴落的鋁液滴頂端，場(chǎng)強(qiáng)最大值為42.1 kV/mm，大于許用場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)值，該工況下腔體極易發(fā)生氣隙擊穿故障。

鋁液滴落后的工況：為模擬鋁液滴穿過(guò)氣隙滴落在底部波紋管后GIS筒體內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)情況，采用鋁材質(zhì)尖端+鋁液滴+球狀鋁液模型開(kāi)展仿真計(jì)算，其中尖端長(zhǎng)度為6 mm、直徑為2 mm，液滴長(zhǎng)度為9 mm、端部直徑2 mm，液滴上端距離尖端底部16 mm，球狀鋁液直徑2 mm。根據(jù)仿真結(jié)果，此種工況下GIS筒體內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)仍出現(xiàn)在已經(jīng)滴落并且正在穿越氣隙的鋁液滴頂端，場(chǎng)強(qiáng)最大值為42.9 kV/mm，大于許用場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)值，該工況下腔體也極易發(fā)生氣隙擊穿故障。

3.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)GIS運(yùn)行期間應(yīng)力變化仿真分析，在導(dǎo)體自重和扭轉(zhuǎn)力作用下，故障點(diǎn)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，波紋管上部和觸頭下部位移變化較大，造成導(dǎo)體與觸頭間接觸壓力發(fā)生變化。

靜電場(chǎng)仿真分析結(jié)果顯示，當(dāng)鋁液滴離開(kāi)導(dǎo)體表面開(kāi)始滴落時(shí)，鋁液滴頂端局部場(chǎng)強(qiáng)急劇增大，迅速超過(guò)許用場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)值，腔體內(nèi)極易發(fā)生氣隙擊穿。

4 結(jié)論及建議

該330kV GIS分支氣室故障發(fā)生機(jī)理為：故障發(fā)生前該氣室已發(fā)現(xiàn)SO2特征氣體，首次發(fā)現(xiàn)SO2特征氣體與故障發(fā)生之間的11個(gè)月間SO2特征氣體持續(xù)存在且均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)注意值，但未檢測(cè)到局部放電信號(hào)，判斷故障前該部位已經(jīng)存在發(fā)熱情況，并且局部溫度已達(dá)到SF6氣體的初始分解溫度(350 ℃左右)，此后發(fā)熱情況持續(xù)存在，但由于發(fā)熱源在導(dǎo)體內(nèi)部，因此前期并未造成故障。

故障發(fā)生前幾日當(dāng)?shù)爻掷m(xù)高溫天氣，氣溫同比增長(zhǎng)5～7 ℃，導(dǎo)致母線筒出現(xiàn)大范圍熱脹冷縮位移，進(jìn)一步導(dǎo)致母線觸頭應(yīng)力不均，根據(jù)GIS應(yīng)力變化仿真分析及接觸面發(fā)熱理論，熱脹冷縮導(dǎo)致的觸頭應(yīng)力變化將導(dǎo)致觸頭接觸電阻增大，觸頭位置發(fā)熱加劇，溫度達(dá)到660 ℃時(shí)鋁合金導(dǎo)體和觸頭熔化形成鋁熔液，鋁熔液滴落過(guò)程中局部場(chǎng)強(qiáng)急劇增大，造成導(dǎo)體與波紋管間氣隙擊穿。

提出以下建議：定期(每季度或每半年)對(duì)變電站GIS設(shè)備開(kāi)展SF6氣體組分帶電檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)SO2、H2S等特征氣體含量異常時(shí)，應(yīng)立即分析異常原因并加強(qiáng)跟蹤監(jiān)測(cè)，必要時(shí)結(jié)合停電檢修進(jìn)行處理。開(kāi)展GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱檢測(cè)研究和應(yīng)用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱問(wèn)題，防患未然避免設(shè)備帶病運(yùn)行造成事故擴(kuò)大。