一起220 kVGI S設(shè)備故障分析與運(yùn)維策略研究

黃芷寓 魏嘉隆

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

0 引言

隨著城市的發(fā)展與電氣設(shè)備技術(shù)的更新迭代，越來(lái)越多的城市變電站采用GIS（Gas Insulated Switchgear）設(shè)備作為建站方案。相比于傳統(tǒng)的敞開式變電站，GIS變電站設(shè)備布局更緊湊，占地面積更小，抗災(zāi)能力更強(qiáng)，設(shè)備故障率更低。然而，由于GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦發(fā)生故障其影響范圍更大，故障排查難度也更高，因而對(duì)設(shè)備運(yùn)維人員的技術(shù)技能水平提出了更高的要求[1]。

本文重點(diǎn)研究了某220 kV GIS變電站發(fā)生的一起設(shè)備故障事件經(jīng)過，分析了設(shè)備故障的排查過程與故障表象背后的原因，最后針對(duì)該類故障提出了GIS設(shè)備運(yùn)維策略的改進(jìn)方案。

1 事件經(jīng)過

如圖1所示，某220 kV GIS變電站采用雙母線接線方式，站內(nèi)共有2個(gè)主變間隔、4個(gè)線路間隔、1個(gè)母聯(lián)開關(guān)間隔。正常運(yùn)行方式下，母聯(lián)2012開關(guān)合位，220 kV 1M、2M并列運(yùn)行，#1主變變高2201開關(guān)、電廠甲線2988開關(guān)、變電站甲線4398開關(guān)掛1M母線運(yùn)行，#2主變變高2202開關(guān)、電廠乙線2989開關(guān)、變電站乙線4399開關(guān)掛2M母線運(yùn)行，#1主變220 kV側(cè)中性點(diǎn)接地。

圖1 220 kV GIS變電站主接線

某日11：51，變電站綜自系統(tǒng)報(bào)警。運(yùn)行人員檢查發(fā)現(xiàn)220 kV母差保護(hù)A套設(shè)備與B套設(shè)備同時(shí)出現(xiàn)差流越限告警信號(hào)，其中大差電流為0，母線小差電流C相差流二次測(cè)量值達(dá)0.08 A（0.06 A報(bào)警），其余兩相差流為0 A。同時(shí)母差保護(hù)屏出現(xiàn)“C相母聯(lián)TA斷線”告警，如圖2所示，在主控室后臺(tái)監(jiān)控機(jī)母聯(lián)2012開關(guān)間隔圖上發(fā)現(xiàn)2012開關(guān)A相電流為280 A，B相電流為285 A，C相電流為69 A。母差保護(hù)未動(dòng)作，未造成負(fù)荷損失。

圖2 220 kV母差保護(hù)告警報(bào)文

2 故障排查

情況上報(bào)后，該供電局變電管理所立即組織各專業(yè)班組對(duì)該220 kV變電站GIS設(shè)備進(jìn)行外觀檢查、紅外測(cè)試、局放測(cè)試等工作，均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

根據(jù)母差保護(hù)屏告警信號(hào)與母聯(lián)2012開關(guān)電流的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為查明母聯(lián)2012開關(guān)間隔有無(wú)故障存在，20：02由廣東中調(diào)斷開了2012開關(guān)，發(fā)現(xiàn)母聯(lián)2012開關(guān)三相電流為0，電廠甲線2988開關(guān)、變電站甲線4398開關(guān)、電廠乙線2989開關(guān)、變電站乙線4399開關(guān)三相電流都出現(xiàn)了不平衡現(xiàn)象，并且4條線路間隔C相電流的幅值與A、B兩相有明顯區(qū)別，#1主變變高2201開關(guān)、#2主變變高2202開關(guān)三相電流基本對(duì)稱，如表1所示。

表1 主變與線路電流二次測(cè)量值

經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，電廠甲線CT測(cè)量電流+電廠乙線CT測(cè)量電流矢量和三相基本對(duì)稱，變電站甲線CT測(cè)量電流+變電站乙線CT測(cè)量電流矢量和三相基本對(duì)稱，如表2所示。

表2 線路電流二次測(cè)量值矢量和

另外，在母聯(lián)2012開關(guān)斷開的同時(shí)，220 kV母差保護(hù)A套設(shè)備與B套設(shè)備仍有告警，且兩套保護(hù)小差差流C相均有越限。該供電局變電繼保班對(duì)母差保護(hù)涉及的所有間隔電流矢量進(jìn)行了六角圖測(cè)試，并將場(chǎng)地GIS刀閘拐臂指示與母線保護(hù)裝置上的位置指示進(jìn)行了比對(duì)，發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置的采樣數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合，保護(hù)裝置刀閘指示位置與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吻合，兩條220 kV母線均有小差差流，大小相等、方向相反。至此，根據(jù)上述現(xiàn)象，初步懷疑兩條220 kV GIS母線內(nèi)部有導(dǎo)體跨接現(xiàn)象，跨接導(dǎo)體上的電流不經(jīng)過電流互感器，因此造成了母線小差差流大小相等、方向相反的現(xiàn)象。

為進(jìn)一步求證該變電站兩條220 kV GIS母線內(nèi)部是否存在導(dǎo)體跨接，次日凌晨該變電站經(jīng)中調(diào)許可后陸續(xù)將#2主變變高2202開關(guān)、變電站乙線4399開關(guān)、電廠乙線2989開關(guān)斷開，將220 kV 2M母線由運(yùn)行轉(zhuǎn)熱備用，斷開了220 kV 2M母線222PT低壓側(cè)二次空開，同時(shí)在222PT低壓側(cè)二次空開上端測(cè)量發(fā)現(xiàn)220 kV 2M母線C相電壓仍然存在，至此可以基本判定在兩條220 kV GIS母線C相內(nèi)部有導(dǎo)體跨接。

調(diào)取設(shè)備運(yùn)行記錄發(fā)現(xiàn)，該變電站母聯(lián)2012開關(guān)電流歷史上共出現(xiàn)過3次不平衡的情況：第1次出現(xiàn)于電廠甲線2988開關(guān)、電廠乙線2989開關(guān)在保護(hù)更換工作結(jié)束后進(jìn)行啟動(dòng)倒母時(shí)，第2次出現(xiàn)于電廠甲線停電期間，第3次出現(xiàn)于電廠乙線停電期間。因此，可將母線內(nèi)部跨接位置基本鎖定在電廠甲線2988開關(guān)間隔、電廠乙線2989開關(guān)間隔內(nèi)，而GIS母線筒常年密封，因此該跨接現(xiàn)象極有可能是相關(guān)間隔內(nèi)靠母線側(cè)的兩把刀閘同時(shí)合上導(dǎo)致的[2-3]。

次日上午，對(duì)GIS設(shè)備外觀進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備外觀明顯異常，電廠甲線2988開關(guān)間隔、電廠乙線2989開關(guān)間隔的母線側(cè)刀閘現(xiàn)場(chǎng)指示均在相應(yīng)位置。次日下午，該供電局變電管理所組織了專業(yè)外委團(tuán)隊(duì)對(duì)變電站各個(gè)間隔母線側(cè)刀閘開展X射線檢測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)電廠乙線29891刀閘C相未正常分開，與其外部指示不一致，如圖3所示。

圖3 GIS刀閘X光射線檢查結(jié)果

日后對(duì)電廠乙線29891刀閘C相開展解體工作時(shí)發(fā)現(xiàn)，29891刀閘C相絕緣傳動(dòng)桿與內(nèi)拐臂連接夾件連接處松脫，導(dǎo)致刀閘無(wú)法分閘，刀閘絕緣拉桿與內(nèi)拐臂連接夾件的陷入深度不到位，如圖4所示。

圖4 GIS刀閘拐臂解體檢查結(jié)果

3 原因分析

本次故障中刀閘拐臂故障跨接兩段母線，造成了母差保護(hù)告警、三相電流不平衡等一系列現(xiàn)象。研究分析這些現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有助于更全面地把握此類故障特點(diǎn)，為后續(xù)做好設(shè)備故障預(yù)案，改進(jìn)現(xiàn)有運(yùn)維策略方案提供理論基礎(chǔ)。

3.1 母聯(lián)開關(guān)合位時(shí)現(xiàn)象分析

圖5所示為包含電廠乙線刀閘拐臂故障跨接時(shí)的GIS站原運(yùn)行方式，其中母聯(lián)2012開關(guān)在合閘位置，設(shè)備故障點(diǎn)可以用一個(gè)連接兩段母線C相的金屬導(dǎo)體表示，設(shè)其流過電流為I8，參考方向如圖所示。其余主變、線路與母聯(lián)支路的電流參考方向與CT極性也如圖標(biāo)注。以220 kV 1M母線C相為對(duì)象，對(duì)其列寫KCL方程可得：|I1c+I2c+I3c+I8c-I7c|=0。

圖5 GIS刀閘拐臂跨接示意圖

實(shí)際上220 kV 1M小差電流值取的是各線路、主變與母聯(lián)間隔的電流互感器測(cè)量值之和，即Id1M=|I1c+I2c+I3c-I7c|≠0。對(duì)于220 kV 2M母線，其小差電流取值為Id2M=|I4c+I5c+I6c+I7c|≠0，因而兩套母差保護(hù)同時(shí)發(fā)出差流越限告警，其差流值即為跨接導(dǎo)體分流電流的二次歸算值。

從圖6可以看出，在母聯(lián)開關(guān)合位的情況下，跨接導(dǎo)體的作用僅是簡(jiǎn)單對(duì)母聯(lián)開關(guān)C相電流進(jìn)行了分流，兩段母線三相仍是等電位情況，因而不會(huì)影響母線以外的潮流分布情況，主變、線路間隔的電流分布以及三相不平衡度與無(wú)跨接導(dǎo)體時(shí)的情況類似。母差保護(hù)大差電流值的采樣計(jì)算量為Id=|I1+I2+I3+I4+I5+I6|=0，不受母線內(nèi)部跨接情況影響，因而大差電流為0。以南瑞繼保PCS-915A型220 kV母差保護(hù)裝置為例，當(dāng)大差電流小于CT斷線告警定值，兩個(gè)小差電流均大于CT斷線告警定值時(shí)，延時(shí)5 s報(bào)母聯(lián)CT異常報(bào)警，而母差保護(hù)動(dòng)作判據(jù)中包括大差比率差動(dòng)元件、電流突變量啟動(dòng)元件以及復(fù)壓閉鎖母差保護(hù)元件等動(dòng)作條件，因而不會(huì)誤動(dòng)[4]。

圖6 母聯(lián)開關(guān)分流示意圖

3.2 母聯(lián)開關(guān)分位時(shí)現(xiàn)象分析

在廣東中調(diào)斷開GIS變電站的母聯(lián)2012開關(guān)后，引發(fā)了電廠甲線2988、變電站甲線4398、電廠乙線2989、變電站乙線4399共4條線路電流三相不平衡的情況，且由當(dāng)時(shí)記錄的電流幅值與相角數(shù)據(jù)來(lái)看，不平衡電流主要發(fā)生在C相，說明刀閘拐臂C相跨接對(duì)4條線路的潮流分布都產(chǎn)生了明顯影響。另外，GIS變電站內(nèi)#1主變、#2主變?cè)谀嘎?lián)2012開關(guān)斷開前后三相電流仍能基本保持平衡，電廠甲線2988與電廠乙線2989的電流矢量和基本三相平衡，變電站甲線4398與變電站乙線4399的電流矢量和也基本三相平衡，說明了將電廠甲線2988與電廠乙線2989視為一個(gè)整體時(shí)，刀閘故障引起的GIS母線內(nèi)部跨接并未對(duì)整體電網(wǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，同理對(duì)變電站甲線4398與變電站乙線4399組成的整體也是如此。為更好地說明分析其中原因，現(xiàn)將以發(fā)電廠、該GIS變電站與另一相連接變電站組成的局部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖重畫于圖7。

圖7 局部電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于刀閘拐臂故障主要影響的是電網(wǎng)C相的潮流分布，圖中也僅以C相網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，另外A、B兩相的局部網(wǎng)絡(luò)圖與C相類似，區(qū)別僅在于GIS站內(nèi)分相母線間是否有跨接導(dǎo)體。局部網(wǎng)絡(luò)左側(cè)的電源端為某火力發(fā)電廠，該廠的發(fā)電機(jī)通過升壓變連接到廠內(nèi)220 kV 1M母線、220 kV 2M母線，正常運(yùn)行方式下母聯(lián)開關(guān)合位，兩段母線并列運(yùn)行。Z（2988）與Z（2989）分別為電廠甲線、電廠乙線的等效線路阻抗。Z（4398）與Z（4399）分別為變電站甲線、變電站乙線的等效線路阻抗。GIS變電站刀閘C相拐臂雙跨以一等效小阻抗Z表示，將GIS站內(nèi)220 kV 1M母線與2M母線相連，由于電氣距離較近，阻抗Z數(shù)值遠(yuǎn)小于線路阻抗數(shù)值。與GIS變電站相連的另一側(cè)變電站220 kV 1M母線、220 kV 2M并列運(yùn)行，對(duì)應(yīng)母聯(lián)開關(guān)在合位。

從圖7中可以看出，C相網(wǎng)絡(luò)在刀閘跨接后成為“H”型局部網(wǎng)絡(luò)，與沒有跨接阻抗Z的A、B兩相網(wǎng)絡(luò)有明顯差別。在實(shí)際工程中，電廠甲線等效線路阻抗Z（2988）與電廠乙線等效線路阻抗Z（2989）多少有些差別，同樣變電站甲線線路阻抗Z（4398）與變電站乙線線路阻抗Z（4398）也不完全相等，GIS變電站內(nèi)#1主變與#2主變對(duì)母線處的等效負(fù)荷阻抗也不一致，因此站內(nèi)220 kV 1M母線C相與220 kV 2M母線C相在母聯(lián)2012開關(guān)斷開后形成了一定的電位差，這個(gè)電位差加在跨接阻抗Z上就形成了分流電流I跨，I跨電流的分流效應(yīng)使得I2988、I2989、I4398、I4399這4條線路電流分布發(fā)生了變化，因而也就使4條線路產(chǎn)生了三相電流不平衡的現(xiàn)象。對(duì)于兩段母線上的主變支路電流I#1、I#2而言，其電流幅值與相角主要取決于主變所帶負(fù)荷。變電站主變基本上都屬于降壓變壓器，從220 kV輸電網(wǎng)吸取功率，向變中110 kV電網(wǎng)以及變低10 kV電網(wǎng)輸送功率，110 kV電網(wǎng)與10 kV電網(wǎng)作為負(fù)荷側(cè)開環(huán)運(yùn)行。因此，只要負(fù)荷側(cè)吸收功率不變，主變電流I#1、I#2就基本不變。C相跨接阻抗僅影響主變電流的供給來(lái)源，例如在沒有跨接故障時(shí)，#1主變C相電流由電廠甲線2988與變電站甲線4398兩條線路C相電流提供，在出現(xiàn)跨接故障后，#1主變C相電流由電廠甲線2988、變電站甲線4398兩條線路C相以及母線C相跨接電流I跨提供，但跨接前后只要#1主變C相負(fù)荷基本不變，主變C相電流I#1就基本不變，在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中可視作由負(fù)荷決定的等效電流源。

第二個(gè)問題，在220 kV GIS站母聯(lián)2012開關(guān)斷開后，電廠甲線2988與電廠乙線2989的電流矢量和基本三相平衡，變電站甲線4398與變電站乙線4399的電流矢量和也基本三相平衡，從圖7可以看出電廠甲線2988與電廠乙線2989的電流和即為I總，在將GIS站主變視作電流源的條件下，I總的變化取決于整個(gè)外部局部網(wǎng)絡(luò)等效阻抗的變化，I總在刀閘跨接后仍能保持三相平衡，說明刀閘跨接對(duì)整個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)等效阻抗的影響不大。實(shí)際上，由于Z（2988）、Z（2989）、Z（4398）、Z（4399）比跨接阻抗Z要大得多，且由于是同塔架設(shè)的雙回線路，其阻抗比基本相等，即Z（2988）:Z（4398）≈Z（2989）:Z（4399）。在站內(nèi)母聯(lián)開關(guān)斷開后且沒有故障刀閘跨接時(shí)，根據(jù)電橋理論，220 kV GIS站內(nèi)兩段母線近似于等電位點(diǎn)（其微小電位差僅在分析跨接刀閘對(duì)內(nèi)部的分流作用時(shí)考慮），雖然刀閘故障跨接使220 kV C相母線電位進(jìn)一步趨同，但對(duì)于整個(gè)局部網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的等效阻抗來(lái)說，這種作用是不明顯的，因此A、B兩相局部網(wǎng)絡(luò)與有刀閘故障的C相局部網(wǎng)絡(luò)對(duì)外等效阻抗基本一致，發(fā)電廠甲、乙線電流之和I總?cè)嚯娏饕簿突酒胶狻?/p>

4 運(yùn)維策略

本起由GIS刀閘拐臂夾件松脫而造成不同母線跨接的故障，引發(fā)了保護(hù)告警、三相電流不平衡等現(xiàn)象，會(huì)對(duì)調(diào)度監(jiān)盤造成干擾，也可能影響到保護(hù)動(dòng)作的邏輯與正確性[5]。再者，當(dāng)一段母線需要停電檢修時(shí)，故障跨接會(huì)使該段母線在所有母線刀閘拉開后仍然帶電，存在母線帶電合地刀的風(fēng)險(xiǎn)，并由此造成設(shè)備損失，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行中的母線對(duì)應(yīng)母差保護(hù)動(dòng)作，造成220 kV變電站失壓以及負(fù)荷損失的嚴(yán)重后果。因此，針對(duì)該類型故障特點(diǎn)，有必要提出新的運(yùn)維策略，以降低電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（1）加強(qiáng)新設(shè)備投運(yùn)前的監(jiān)造驗(yàn)收管理。在GIS設(shè)備出廠監(jiān)造時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)刀閘拐臂絕緣連桿與夾件的檢查，確保絕緣連桿六方頭試驗(yàn)合格，與夾件配合良好，緊固螺絲力矩合格，外露螺紋在要求范圍內(nèi)，拐臂傳動(dòng)試驗(yàn)合格并現(xiàn)場(chǎng)拍照留作記錄。

（2）修編運(yùn)行規(guī)程與典型操作票庫(kù)。凡是涉及GIS母線倒閘的操作，在操作前應(yīng)檢查母聯(lián)三相電流相對(duì)平衡且大小正常，并且在母差保護(hù)屏上檢查無(wú)差流越限及CT斷線信號(hào)，將小差電流值記錄下來(lái)。操作后應(yīng)檢查母聯(lián)三相電流的變化情況以及三相電流平衡情況，同時(shí)在母差屏上檢查是否有差流越限及CT斷線信號(hào)，確認(rèn)小差電流值正常。在母線停電操作中，斷開母聯(lián)開關(guān)將母線轉(zhuǎn)冷備用后，應(yīng)合上母線PT一次刀閘，并在PT二次空開處測(cè)量母線電壓是否為0，在確保母線實(shí)際無(wú)壓后才可將母線接地轉(zhuǎn)檢修。

（3）修編巡視作業(yè)指導(dǎo)書。在GIS變電站巡視作業(yè)指導(dǎo)書中加入檢查母聯(lián)三相電流以及檢查母差保護(hù)屏有無(wú)異常告警信號(hào)的步驟，確保運(yùn)維人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，降低電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一起由GIS設(shè)備刀閘拐臂故障造成的母線雙跨事件，分析了在故障排查過程中出現(xiàn)保護(hù)告警與電流不平衡現(xiàn)象的原因，最后根據(jù)此類故障的特點(diǎn)，提出了運(yùn)維策略的相應(yīng)改進(jìn)方案，通過加強(qiáng)設(shè)備出廠監(jiān)造管控，檢查母聯(lián)電流與母差保護(hù)裝置信號(hào)能夠有效規(guī)避此類設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。