220kV GIS設備隱患排查

馮菁敏

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東日照 276800）

1 GIS簡介

1.1 設備簡介

SF6氣體絕緣封閉開關設備（Gas Isolated Switchgear，GIS）具有運行安全可靠、結構緊湊、占地面積小、不受環(huán)境干擾及安裝方便等諸多優(yōu)點，近年來獲得廣泛應用，同時其安全穩(wěn)定運行對整個系統(tǒng)來說至關重要。但GIS也有其固有缺點，GIS是全封閉結構，其斷路器、互感器、隔離開關、母線、連接件及出線終端等全部封閉在金屬接地的外殼中，在封閉的金屬殼體內(nèi)充有一定壓力的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，這就導致一旦GIS設備出現(xiàn)隱患或故障，其隱患排查、故障定位及檢修較為困難，且事故發(fā)生后平均停電檢修時間比非密閉式結構設備長，停電范圍大，常涉及到許多非故障元件。

1.2 SF6氣體簡介

SF6是一種無機化合物，正常情況即常溫常壓下為無毒、無色、無臭且不燃燒的穩(wěn)定氣體，少量的SF6氣體被視為對人體無害，但當其達到一定濃度后，會造成缺氧，出現(xiàn)窒息的風險。

SF6氣體的電氣絕緣強度很高，在均勻電場中約為空氣絕緣強度的2.5倍，而在交流電弧電流過零時，SF6對電弧弧道的冷卻作用比空氣強得多，其滅弧能力約為空氣的100倍。

由于其優(yōu)良的滅弧性能、絕緣性能及良好的化學穩(wěn)定性，20世紀60年代中期以來，SF6氣體被廣泛應用于高壓電氣設備，例如，高壓斷路器、GIS等。近年來，隨著電氣技術的不斷發(fā)展，SF6氣體作為滅弧介質(zhì)，在超高壓及特高壓斷路器中，已逐漸取代油及壓縮空氣，成為主要的絕緣介質(zhì)。

2 GIS設備隱患排查步驟

由于GIS隱患十分隱蔽，通常無法直接觀察到隱患發(fā)生的部位及隱患類型，排查隱患時間較長。要想縮短隱患排查時間，必須合理優(yōu)化處理過程，綜合利用多種檢測方法，形成有效的GIS隱患排查步驟，做到在GIS發(fā)生隱患之后在最短時間內(nèi)，確定隱患原因、隱患氣室及隱患嚴重程度等信息，提高設備的檢修效率。根據(jù)日常的運維檢修經(jīng)驗，在保護未動作情況下，GIS隱患排查步驟如下。

（1）檢查GIS一次設備外觀。GIS存在隱患時，由于GIS全封閉結構使得隱患較為隱蔽，設備外殼溫度和形狀通常都不會發(fā)生變化。

（2）對可能的隱患氣室進行SF6氣體組分試驗。找出SF6氣體組分超標的氣室，并根據(jù)不同隱患氣體組分含量的不同，初步判斷隱患類型，確定隱患氣室。

（3）分段對出現(xiàn)隱患的母線進行回路電阻測試，確定隱患氣室，為下一步的解體檢查確定方向。

（4）解體檢查。確定隱患氣室之后，為進一步確定隱患點和隱患類型，需要對隱患氣室進行解體檢查。明確隱患原因之后，可以安排對隱患氣室或隱患點進行更換以及返廠大修。

3 回路電阻試驗

3.1 試驗目的

回路電阻試驗是GIS出廠交接、檢修驗收及日常維護中一個非常重要的項目。由于GIS設備的特殊性及密閉性，日常點檢維護中，作業(yè)人員無法直接通過觀察設備外觀判斷是否發(fā)生隱患，甚至使用專業(yè)紅外測溫儀也難以進行檢測。

回路電阻試驗的目的是檢查GIS安裝質(zhì)量是否合格，回路是否完整，觸頭接觸情況是否良好。同時試驗還可發(fā)現(xiàn)GIS設備在運行中由于機械松動等原因產(chǎn)生的接觸不良缺陷，避免因接觸不良而導致事故，該試驗是保證設備安全穩(wěn)定運行的重要手段。

3.2 原理

回路電阻試驗的基本原理是歐姆定律，通常采用四線制接線即電流電壓測量方法。這種測量方法也可在大電流（100A及以上）工作條件下消除測量引線電阻的影響，提高測量的精度。

回路電阻試驗一般由高頻開關電源輸出100A或更大的電流，將測試電流施加于被測設備的兩端。由于GIS設備接地開關的接地側(cè)及外殼一般是絕緣的，通過活動接地片或軟連接將GIS金屬外殼接地，因此在GIS設備回路電阻試驗中，通常將活動接地片或軟連接打開，利用回路上的兩組接地開關進行回路的測量。將采樣電路采集到的壓降模擬信號，經(jīng)過前置放大器放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)微處理器對數(shù)據(jù)進行濾波、運算及處理，最終得到回路電阻值。

3.3 注意事項

（1）測量時應注意避免引線和接觸方式的影響，應注意測量電壓的導線要接在被測回路電阻兩端，測量電流的導線應接在電壓線外側(cè)，接線良好。

（2）如測試結果GIS主回路電阻增大或超過標準值，可將GIS中的斷路器及隔離開關進行數(shù)次電動合閘后再進行測試。若測試值仍很大，則應分段測試（根據(jù)情況可利用GIS的活動接地片、隔離開關、斷路器等的分合狀態(tài)進行分段測試），以確定接觸不良的部位，并通知安裝或檢修人員進行處理。

（3）在測量回路中若有CT（電流互感器）串入，應將CT二次進行短路，防止保護誤動。

（4）測試時，電流測量回路嚴禁開路，開關不能分閘。

（5）GIS回路電阻試驗需注意防止產(chǎn)生測試電流的分流情況，特別是在運行設備停電時進行回路電阻測量。例如，一些與測量無關的刀閘、開關在沒有分開的情況下與母線等設備構成測試電流的分支回路，以及被測試設備上固定的接地線或接地刀閘的引出端對地絕緣不良等原因，會造成測試電流通過大地產(chǎn)生分支回路。

3.4 試驗步驟

（1）用GIS內(nèi)部隔離開關將被測部位進行隔離，用接地開關將GIS被測部位接地放電。

（2）將要測試的GIS斷路器及隔離開關電動合閘。可利用進出線套管注入電流進行測量，根據(jù)被測GIS的結構，在母線較長并且有多路出線的情況下，應盡可能分段測量，以有效找到缺陷部位。

（3）目前生產(chǎn)的GIS接地開關的接地側(cè)與外殼一般是絕緣的，通過活動接地片或軟連接將GIS金屬外殼接地。測試時可將活動接地片或軟連接打開，利用回路上的兩組接地開關進行待測回路電阻的測量。

（4）檢查測試接線，接線應良好。

（5）接通儀器電源，調(diào)整測試電流不小于100A（回路電阻測試儀有的可自動穩(wěn)定在100A，不需要調(diào)節(jié)），電流穩(wěn)定后讀出回路電阻值。如發(fā)現(xiàn)GIS主回路電阻三相不平衡或超過標準值，可分段查找，進行隱患處理。

（6）測試結束后，恢復GIS斷路器、隔離開關、接地開關、接地連接片或軟連接。

3.5 測試標準及要求

檢修或交接驗收時，回路電阻試驗結果數(shù)值參照廠家規(guī)定，例如，GIS中斷路器回路電阻試驗結果數(shù)值一般不大于廠家規(guī)定值的120%。

回路電阻試驗結果數(shù)值不僅要與廠家規(guī)定的數(shù)值比較，還應與之前歷次試驗結果比較。注意觀察試驗結果的發(fā)展趨勢，由此判斷最易發(fā)生隱患或故障的氣室。同時在進行回路電阻試驗時，也應比較相同起始位置三相的試驗結果，三相的試驗結果應相近且不超過允許值。測試前應先將斷路器及隔離開關分合幾次，目的是清除觸頭表面金屬氧化膜的影響。當發(fā)現(xiàn)回路電阻三相不平衡或超過標準值時，可以采取分段測試，從而確定隱患的具體部位，進行隱患處理。

4 實例分析

4.1 情況介紹

某公司220kV變電站為雙母線雙分段結構，其部分運行接線方式如圖1所示。GIS布置情況由左至右依次為E01 220kV #1主變201間隔、E02母聯(lián)一200A間隔、E03鑄鐵線211間隔、E04山鐵線212間隔、E05 220kV 2APT Y22A間隔、E06 220kV 1APT Y21A間隔、E07鐵鋼線213間隔、E08 220kV #2主變202間隔、E09分段一21F間隔、E10分段二22F間隔。

圖1 某220kV變電站運行接線方式

4.2 停電

為安全可靠地排查隱患所在氣室，確定隱患類型，首先調(diào)整母線運行方式。隱患排查期間，220kV #1A、#1B、#2A母線由運行轉(zhuǎn)檢修；#1主變201開關轉(zhuǎn)檢修（中、低壓側(cè)保持運行）；#2主變由運行轉(zhuǎn)檢修；為保證供電可靠性，降低風險，其他變電站均參與負荷平衡。

4.3 隱患描述

2021年8月4日，在操作鐵鋼線過程中發(fā)現(xiàn)220kV變電站#1A母線C相電流有偏差，三相電流不平衡。對#1A母線三相進行回路電阻測試。

對220kV #1A母線A、B、C三相進行200A-D6至21F-1A-D1回路電阻測試。首先將母聯(lián)一200A間隔分200A-D5、合200A-1、200A，220kV #1A母線C相第1次回路電阻測試，將母聯(lián)一200A間隔200A-1分合1次，回路電阻為950μΩ；220kV #1A母線C相第2次回路電阻測試，將母聯(lián)一200A間隔200A-D5分合1次，回路電阻為960μΩ；220kV #1A母線C相第3次回路電阻測試，將母聯(lián)一200A間隔200A分合1次，回路電阻為960μΩ；同理對A相、B相分別進行回路電阻試驗，試驗數(shù)據(jù)為298μΩ與296μΩ。通過上述5次試驗結果可見，220kV #1A母線A、B、C三相電阻不平衡，且C相阻值較大，排除隔離開關、地刀、斷路器問題，判斷C相母線可能存在問題。試驗對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 母線三相回路電阻測試數(shù)據(jù)

5 隱患判斷與檢測

5.1 初步判斷

5.1.1 GIS氣室SF6氣體分解產(chǎn)物檢測

經(jīng)過SF6氣體組分試驗并未確定隱患氣室，判斷未發(fā)生放電閃絡或輕微放電。

5.1.2 回路電阻測試分段分析

隨即分段對220kV #1A母線C相進行回路電阻測試。將鐵鋼線213間隔合213-D5、213開關、213-1刀閘，220kV #1A母線C相200A-D6至213-D5回路電阻第1次測 試 數(shù)據(jù) 為1000μΩ；220kV #1A母 線C相200A-D6至213-D5回路電阻第二次測試數(shù)據(jù)為992μΩ；220kV #1A母線C相213-D5至21F-1A-D1回路電阻第一次測試數(shù)據(jù)為200μΩ。

通過上述3次分段試驗，數(shù)據(jù)結果排除220kV#1A母線C相213-D5至21F-1A-D1段異常。

將 山 鐵 線212間 隔 合212-D5、212開 關、212-1，220kV #1A母 線C相212-D5至213-D5回 路 電 阻 第1次測試數(shù)據(jù)為963μΩ；220kV #1A母線B相212-D5至213-D5回路電阻第1次測試數(shù)據(jù)為258μΩ。

隨后將山鐵線212間隔分212開關，通過此兩次分段試驗，數(shù)據(jù)結果排除220kV #1A母線B相異常。試驗對比數(shù)據(jù)見表2。

表2 母線回路電阻測試數(shù)據(jù)

經(jīng)測試，判定1APT Y21A間隔與鐵鋼線213間隔之間電阻值大于正常值，需拆開檢查。

5.2 解體檢查

通過分析，對隱患發(fā)生的部位進行了確定，為解體分析提供了明確的方向。為進一步確定隱患類型及正確排查隱患，對1APT間隔Y21A C相G1氣室進行解體檢查。對1APT Y21A間隔G1氣室及相鄰氣室回收氣體，拆除1APT G1氣室蓋板、Y21A刀閘C相母線G1氣室小蓋板，壓縮1APT與鐵鋼線間隔之間的母線伸縮節(jié)，聞到刺鼻的臭雞蛋氣味。

對解體氣室再次進行回路電阻測試，1APT C相Y21A電極至213-D5回路電阻測試數(shù)據(jù)為625μΩ；1APT C相Y21A母線導體至213-D5回路電阻測試數(shù)據(jù)為124μΩ；1APTC相Y21A母線至鐵鋼線213間隔213-D5回路電阻測試數(shù)據(jù)為128.8μΩ。

由此判定電阻異常位置為Y21A母線導體與觸座（電極）連接處。試驗對比數(shù)據(jù)見表3。

表3 母線C相回路電阻復測數(shù)據(jù)

圖2為1APT Y21A觸座（電極）與1APT Y21A母線導體連接處，即隱患發(fā)生部位。

圖2 隱患部位

拆除1APT與鐵鋼線間隔之間的中間母線組件，清理被拆除的中間母線及套管。拆解發(fā)現(xiàn)母線觸座處有輕微放電痕跡并存在少量SF6氣體分解產(chǎn)物。放電原因為1APT間隔Y21A C相G1氣室母線觸座未安裝表帶觸指簧片，導致電阻增大，造成三相電流不平衡。

圖3 母線觸座

拆解母線組件，安裝表帶觸指簧片后測量母線電阻恢復正常值，與其他兩相趨于平衡。復測#1A母線三相回路電阻，隱患排查后進行微水檢漏、耐壓試驗等，驗收合格后恢復送電。#1A母線三相回路電阻復測對比數(shù)據(jù)見表4。

表4 三相回路電阻復測數(shù)據(jù)

6 結束語

近年來隨著GIS的廣泛應用，隱患及故障也時有發(fā)生，隱患排查及故障解決難度較大且停電檢修時間較長，常常涉及許多非故障元件。此次隱患是由于廠家在安裝過程中觸座未安裝表帶觸指簧片，導致導體接觸不良，從而造成三相電流不平衡。若沒有及時準確進行隱患排查，GIS設備相當于“帶病運行”，會造成非常嚴重的后果。在今后的GIS設備建設與安裝中應認真仔細，避免此類事情發(fā)生。