一起110kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備電阻異?，F(xiàn)象分析

楊海東 徐清華 李 偉

一起110kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備電阻異?，F(xiàn)象分析

楊海東1徐清華2李 偉1

（1. 山東泰開高壓開關(guān)有限公司，山東 泰安 271000； 2. 山東泰山資源勘察有限公司，山東 泰安 271000）

在某電站110kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）例行檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，一臺(tái)設(shè)備某相接觸電阻異常。結(jié)合現(xiàn)場排查、解體維修和后續(xù)試驗(yàn)，本文對(duì)故障最可能的發(fā)展過程進(jìn)行詳細(xì)分析。為避免同類型缺陷再次發(fā)生，在總結(jié)本次故障處理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)預(yù)防措施，為類似缺陷的處理提供參考。

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）；電阻異常；成分分析；預(yù)防措施

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear, GIS）具有占地面積和空間小、受外界環(huán)境干擾小等優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛地應(yīng)用于高電壓等級(jí)電網(wǎng)中[1]。由于GIS是全封閉組合電力設(shè)備，運(yùn)行中的電接觸不良等故障無法被有效發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生，對(duì)GIS安全運(yùn)行危害極大。

如果GIS導(dǎo)電接觸部位觸頭松動(dòng)[2]或接觸不良，就會(huì)導(dǎo)致回路電阻[3]增大，繼而造成接觸點(diǎn)溫度升高，溫度升高又會(huì)導(dǎo)致接觸電阻進(jìn)一步增大[4-5]，如此惡性循環(huán)會(huì)引發(fā)接觸導(dǎo)體在正常工作電流下過熱燒損[6]，釀成事故。

及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除GIS運(yùn)行過程中潛在的此類缺陷隱患，提升GIS運(yùn)行可靠性，對(duì)于保障電網(wǎng)運(yùn)行安全至關(guān)重要。DL/T 617《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)條件》和Q/CSG 114002—2011《南方電網(wǎng)公司電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中均要求定期開展GIS導(dǎo)電回路電阻測量工作，就是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理GIS導(dǎo)電回路各連接部分在安裝、運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，消除事故隱患。

本文對(duì)110kV GIS例行檢修時(shí)遇到的一起回路電阻異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，盡可能分段測量回路電阻，測試SF6分解產(chǎn)物[7-9]，確認(rèn)故障位置并進(jìn)行相應(yīng)維修，通過對(duì)所用零部件材料[10]進(jìn)行分析，得出故障發(fā)生的過程，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 故障概述

2016年3月，某變電站對(duì)一110kV GIS進(jìn)行定期例行檢修。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，1號(hào)主變間隔架空瓷套管接線板至母線三工位接地側(cè)接地開關(guān)之間三相回路電阻偏差較大。故障間隔結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。現(xiàn)場實(shí)測三相回路電阻值見表1。

圖1 故障間隔結(jié)構(gòu)斷面

表1 現(xiàn)場實(shí)測三相回路電阻值

2 故障處理

檢修人員對(duì)比此次測量結(jié)果與以往歷史測試值發(fā)現(xiàn)：A、B相電阻值與歷史測試值相差較少，且相間均衡，在廠家理論電阻值范圍內(nèi)；C相電阻遠(yuǎn)大于歷史數(shù)據(jù)和廠家理論值。

根據(jù)GIS廠家技術(shù)人員分析，如果是接觸部位鍍銀層脫落或未居中裝配等原因，電阻數(shù)值偏差幅度不會(huì)太大，極可能是內(nèi)部導(dǎo)體已經(jīng)發(fā)生質(zhì)變，需要進(jìn)一步確定電阻異常的部位，然后進(jìn)行針對(duì)性地拆解排查。

為確保拆解人員安全，檢修人員首先對(duì)該間隔所有氣室的SF6分解產(chǎn)物進(jìn)行測量，確認(rèn)本間隔三個(gè)氣室均無H2S、SO2等異常氣體成分。

根據(jù)GIS廠家技術(shù)人員指導(dǎo)，現(xiàn)場分別測量了圖1中套管接線板—線路側(cè)快速接地開關(guān)、線路側(cè)快速接地開關(guān)—母線三工位接地側(cè)接地開關(guān)、線路三工位接地側(cè)接地開關(guān)—母線三工位接地側(cè)接地開關(guān)三段區(qū)間電阻。套管接線板—線路側(cè)快速接地開關(guān)、線路三工位接地側(cè)接地開關(guān)—母線三工位接地側(cè)接地開關(guān)兩處區(qū)間電阻值均在廠家規(guī)定范圍內(nèi)，線路側(cè)快速接地開關(guān)—母線三工位接地側(cè)接地開關(guān)區(qū)間電阻明顯較大。據(jù)此可判斷電阻異常位置位于線路側(cè)快速接地開關(guān)與線路三工位接地側(cè)接地開關(guān)之間的動(dòng)連接部位，即隔離開關(guān)靜側(cè)。

為確認(rèn)故障點(diǎn)，辦理相關(guān)工作申請(qǐng)后，現(xiàn)場打開該三工位開關(guān)的封板進(jìn)行檢查。將該氣室SF6氣體完全回收，后回氣至大氣壓力。打開封板，發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)壁及導(dǎo)體表面沾滿白色粉末，C相隔離靜側(cè)觸座的屏蔽罩下側(cè)熔穿，如圖2所示。

圖2 C相靜側(cè)觸座熔穿

現(xiàn)場將C相動(dòng)、靜觸座裝配進(jìn)行更換，并清理三工位殼體內(nèi)壁與導(dǎo)體表面雜質(zhì)。復(fù)測，電阻值恢復(fù)正常。

3 現(xiàn)場解體情況

將C相動(dòng)、靜觸座拆解取出，觀察到動(dòng)觸頭與靜觸座接觸位置有輕微點(diǎn)狀燒熔現(xiàn)象，C相動(dòng)觸頭如圖3所示；靜側(cè)屏蔽罩下側(cè)有黑色、綠色熔渣如圖4所示；梅花觸頭卡圈完整，觸片位置保持良好，觸頭插入量正常。

圖3 C相動(dòng)觸頭

圖4 黑、綠色熔渣

將靜側(cè)屏蔽罩拆解取出，觀察到觸片形狀基本保持完整，觸片外側(cè)比內(nèi)側(cè)燒損嚴(yán)重，觸片表面沾有金屬熔化物。固定梅花觸頭的彈簧僅余2支，且已斷裂，剩余彈簧圈數(shù)約為96圈。靜觸座與梅花觸頭接觸位置燒損嚴(yán)重，外表面形成多處凹坑，梅花觸頭靜觸座如圖5所示。屏蔽罩除燒穿外，內(nèi)壁多處連續(xù)燒損，如圖6所示。

圖5 梅花觸頭靜觸座

圖6 屏蔽罩

4 原因分析

將熔渣返廠進(jìn)行成分測試，黑色熔渣成分見表2，綠色熔渣成分見表3。

兩種顏色的熔渣殘留物主要成分為鐵（Fe）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、銅（Cu）等。熔渣成分與斷裂的彈簧成分（0Cr17Ni12Mo2）基本吻合。體積大于現(xiàn)存兩支彈簧的缺失部分（約20圈），與1支彈簧體積相仿。由此判斷，靠近屏蔽罩處的彈簧完全燒熔，在重力作用下滴流造成屏蔽罩燒穿。

表2 黑色熔渣成分

表3 綠色熔渣成分

根據(jù)上述分析可推斷出本次屏蔽罩熔穿的原因是，導(dǎo)體接觸面的接觸電阻增大導(dǎo)致溫度升高，溫度升高又導(dǎo)致接觸電阻增大，繼而兩者不斷惡性循環(huán)。從拆解部件可知，相較于其他位置，靜觸座與觸片接觸位置有燒損后的凹坑（見圖5），觸片與動(dòng)觸頭接觸位置存在明顯燒損痕跡（見圖3），說明兩接觸位置產(chǎn)生的熱量足夠多，引起燒損。由于梅花觸頭在通電流時(shí)，各觸片間產(chǎn)生相互吸引的電動(dòng)抱緊力，凹坑不會(huì)一直擴(kuò)大。在燒損過程中持續(xù)產(chǎn)生的熱量使彈簧的強(qiáng)度逐漸降低，進(jìn)而造成其中一根彈簧斷開。彈簧斷開后對(duì)觸片的抱緊作用力降低，造成觸片與靜觸座更大程度的虛接，因此發(fā)熱不斷加劇，造成其余兩支彈簧強(qiáng)度降低并相繼斷開。根據(jù)梅花觸頭結(jié)構(gòu)可知，內(nèi)側(cè)彈簧與屏蔽罩間隙較?。?mm左右）。彈簧斷開后，與屏蔽罩內(nèi)壁搭接，形成另一條通路，電流流過時(shí)，產(chǎn)生了觸片—彈簧—屏蔽罩的分流，在屏蔽罩內(nèi)壁上不斷燒蝕，隨著時(shí)間積累，彈簧熔化。此三工位內(nèi)，屏蔽罩安裝方向?yàn)樗狡?0°，梅花觸頭裝配如圖7所示，在重力作用下熔化的彈簧滴流，造成屏蔽罩下側(cè)燒穿。

圖7 梅花觸頭裝配

此三工位結(jié)構(gòu)用到的彈簧材料為彈簧鋼絲1.6/0Cr17Ni12Mo2，即316不銹鋼，它的熔點(diǎn)是1 100℃左右，銅的熔點(diǎn)是1 083℃左右，101鑄鋁的熔點(diǎn)低于純鋁的熔點(diǎn)（660℃）。銅觸片與彈簧兩種材料熔點(diǎn)相近，但由于彈簧的電阻比鍍銀銅觸片大，根據(jù)電熱公式=2，彈簧產(chǎn)生的熱量更多，因此可以看到彈簧燒熔痕跡比銅觸片更明顯。

5 故障總結(jié)

上述內(nèi)容分析了此次故障從接觸電阻開始增大到最后燒熔的過程，導(dǎo)致最初接觸電阻增大的原因，涉及加工、裝配、運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)環(huán)節(jié)，無法準(zhǔn)確判斷，可能的原因有：①彈簧接頭沒有搭接牢固，在操作開關(guān)的過程中，彈簧從接頭處即開始放大缺陷，造成壓接力減小，接觸電阻增大；②動(dòng)、靜觸頭松動(dòng)，接觸位置鍍銀層附著力不足，經(jīng)過頻繁的機(jī)械操作后，磨損嚴(yán)重；③裝配時(shí)未居中裝配，雖出廠時(shí)滿足要求，但是后續(xù)操作過程放大了此處的裝配誤差；④運(yùn)輸或吊裝過程中的顛簸等。

6 結(jié)論

GIS回路電阻測試作為GIS運(yùn)行過程中必須開展的項(xiàng)目，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)有重要作用。在設(shè)備運(yùn)行過程中，接觸電阻異常增大極可能帶來嚴(yán)重事故。

為提高GIS的可靠性和穩(wěn)定性，減少GIS電阻異常故障的發(fā)生概率，需以預(yù)防為主，特提出以下幾點(diǎn)預(yù)防措施：

1）嚴(yán)控零部件質(zhì)量，減少零部件至總裝件的誤差累積。

2）規(guī)范裝配工藝，防止出現(xiàn)觸頭接觸不良、裝配卡滯等現(xiàn)象，杜絕導(dǎo)體偏心裝配狀態(tài)。開關(guān)進(jìn)行動(dòng)作測試后檢查觸座是否松動(dòng)。

3）加強(qiáng)運(yùn)輸環(huán)節(jié)控制，裝設(shè)三維沖擊記錄儀等，增加運(yùn)輸環(huán)節(jié)監(jiān)測，避免震動(dòng)引起內(nèi)部導(dǎo)體移位等。

4）安裝過程中實(shí)時(shí)檢查動(dòng)靜側(cè)觸頭與觸座是否居中裝配。

[1] 黎斌. SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M]. 4版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

[2] 黃清, 魏旭, 許建剛, 等. 基于振動(dòng)原理的GIS母線觸頭松動(dòng)缺陷診斷技術(shù)研究[J]. 高壓電器, 2017, 53(11): 99-104.

[3] 杜鑫. 一種GIS設(shè)備回路電阻測試方法探索與實(shí)踐[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(10): 119-122.

[4] 熊磊, 陳天翔, 張哲誠, 等. 記憶合金彈簧在斷路器梅花觸頭中的應(yīng)用試驗(yàn)研究[J]. 高壓電器, 2017, 53(10): 24-28.

[5] 黃靈資, 劉昊, 趙憲. 一起110kV斷路器滅弧室瓷套異常發(fā)熱分析與處理[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(11): 119-122.

[6] 楊為, 宋東波, 趙恒陽, 等. 一起瓷柱式斷路器回路電阻超標(biāo)原因分析[J]. 高壓電器, 2020, 56(7): 239- 245.

[7] 喬勝亞, 周文俊, 唐念, 等. 不同吸附劑對(duì)GIS局部放電特征氣體變化規(guī)律的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(3): 113-120.

[8] 唐炬, 楊東, 曾福平, 等. 基于分解組分分析的SF6設(shè)備絕緣故障診斷方法與技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(20): 41-54.

[9] 陳宏剛, 溫定筠, 秦睿, 等. SF6分解產(chǎn)物測試在330kV斷路器故障排除中的應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(1): 52-55.

[10] 趙程, 楊建民. 機(jī)械工程材料[M]. 2版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

Analysis of an abnormal phenomenon of 110kV gas insulated switchgear contact resistance

YANG Haidong1XU Qinghua2LI Wei1

（1. Shandong Taikai High Voltage Switchgear Co., Ltd, Taian, Shandong 271000; 2. Shandong Taishan Geological Prospecting Company, Taian, Shandong 271000)

During the routine maintenance of 110kV gas insulated switchgear (GIS) in a power station, it is found that a phase contact resistance of the equipment is abnormal. According to the site check, maintenance work and related tests, this paper makes a detailed analysis of the most possible development process of the failure. In order to avoid the similar defects, the corresponding suggestions are put forward on the basis of summarizing the experience of this fault treatment, providing reference for the treatment of similar defects.

gas insulated switchgear (GIS); abnormal resistance; components analysis; pre- cautionary measures

2022-07-07

2022-08-05

楊海東（1986—），男，山東省泰安市人，本科，工程師，主要從事GIS的研發(fā)設(shè)計(jì)、運(yùn)維和故障處理工作。