GIS故障類型及案例分析

牛宗濤

(中國(guó)大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710021)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated substation, GIS)具有占地面積小、檢修周期長(zhǎng)、運(yùn)行可靠、維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)，因此，在水力發(fā)電廠、土地面積狹窄地區(qū)的火電廠、風(fēng)沙較大的風(fēng)電場(chǎng)等發(fā)電廠應(yīng)用廣泛，有助于大幅度縮減發(fā)電廠人員檢修、維護(hù)工作量。然而，一旦GIS 設(shè)備發(fā)生故障，將會(huì)造成全廠停電，且檢修時(shí)間較長(zhǎng)，必然造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

以下對(duì)GIS 設(shè)備常見故障進(jìn)行了案例介紹和分類，根據(jù)故障特征可快速判斷故障位置及故障類型，有利于縮減停電時(shí)間。

1 SF6 氣體故障

GIS 設(shè)備常見故障可以分為SF6氣體故障、絕緣故障、電氣故障和機(jī)械故障。其中，SF6氣體故障最為常見。

SF6氣體故障主要分為SF6氣體泄漏和SF6氣體微水含量超標(biāo)。密封圈老化或焊縫出現(xiàn)砂眼會(huì)導(dǎo)致在GIS的密封面和管道接頭處發(fā)生SF6氣體泄漏，且常伴隨SF6氣體微水超標(biāo)，空氣中的水分會(huì)通過泄漏點(diǎn)滲透到GIS 內(nèi)部。

1.1 SF6 氣體泄漏

GIS 設(shè)備內(nèi)部的SF6氣體壓力大于大氣壓力，各個(gè)氣室法蘭面采用密封面+O 形圈+密封槽+密封膠進(jìn)行組合密封。雖然密封良好，但也會(huì)存在泄漏。GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，“每一個(gè)氣室年漏氣率不應(yīng)大于1 %，750 kV 電壓等級(jí)的不應(yīng)大于0.5 %”。

隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，且受到運(yùn)行環(huán)境的影響，如振動(dòng)、機(jī)械壓力、高溫、濕度等因素的影響，個(gè)別密封圈會(huì)出現(xiàn)老化、破損現(xiàn)象，可能出現(xiàn)氣體的泄漏；進(jìn)行微水、密度繼電器校驗(yàn)時(shí)，截止閥頂針失效、密封墊破損會(huì)造成氣體泄漏。因此，試驗(yàn)結(jié)束后，必須進(jìn)行檢漏，并加強(qiáng)運(yùn)行巡視。

某電廠110 kV GIS 支線為三相分箱結(jié)構(gòu)，該電廠GIS 充氣口未安裝三通閥，SF6密度繼電器直接裝在充氣口的逆止閥上。在某次停電檢修時(shí)，檢修人員拆除SF6密度繼電器后，發(fā)現(xiàn)有SF6氣體從充氣口的逆止閥泄漏出來，故建議電廠及時(shí)更換逆止閥，并加裝三通閥。

1.2 SF6 氣體微水超標(biāo)

SF6氣體是一種穩(wěn)定的惰性氣體，具有較強(qiáng)的絕緣性能和滅弧性能。但是，一旦SF6氣體中含有水分，在電弧高溫作用下，SF6氣體分解物極易與水分發(fā)生反應(yīng)生成氣態(tài)酸性物質(zhì)而腐蝕電氣設(shè)備，且這些氣態(tài)物質(zhì)大部分有毒性，還會(huì)危害檢修人員的健康。對(duì)此需采取以下措施以防微水含量超標(biāo)。

(1) 對(duì)SF6新氣進(jìn)行微水測(cè)試，測(cè)試其微水含量是否滿足規(guī)程要求。

(2) 對(duì)于新建GIS，按照安裝說明要求，對(duì)GIS 內(nèi)部環(huán)氧樹脂支撐件、絕緣拉桿等絕緣部件進(jìn)行烘干，運(yùn)輸及安裝前做好防潮措施，在相對(duì)濕度小于80 %的環(huán)境條件下進(jìn)行安裝。

(3) 在補(bǔ)氣時(shí)須特別注意連接管路和接頭的干燥，以防將潮氣帶入設(shè)備內(nèi)部。

(4) 當(dāng)吸附劑飽和后，必須及時(shí)更換。

某電廠GIS 氣室SF6氣體水分超過規(guī)定值，目前采用新氣置換法進(jìn)行處理，置換后微水測(cè)試結(jié)果合格?？紤]到該廠GIS 已經(jīng)運(yùn)行了12 年，且所處環(huán)境常年濕度較大，懷疑密封面存在一些薄弱環(huán)節(jié)，空氣中的水分通過密封面進(jìn)入GIS 內(nèi)部，從而使GIS 氣室微水含量超標(biāo)。

因此，建議采用包扎法，對(duì)微水含量超標(biāo)氣室的每個(gè)法蘭面進(jìn)行包扎，查找泄漏點(diǎn)；同時(shí)監(jiān)視SF6密度繼電器，防止氣體壓力過低而出現(xiàn)絕緣故障；縮短GIS 設(shè)備微水檢測(cè)周期，對(duì)微水含量超標(biāo)的氣室微水測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析，為后續(xù)開展針對(duì)性檢查工作提供依據(jù)；此外，在GIS 室放置多個(gè)溫濕度計(jì)，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度大于60 %時(shí)，除了強(qiáng)力通風(fēng)外，需打開GIS 室門窗晾曬，防止凝露。

2 電氣故障

電氣故障主要發(fā)生在GIS 設(shè)備的輔助及控制回路中，如SF6密度繼電器接點(diǎn)失效、輔助及控制回路端子松動(dòng)、儲(chǔ)能電機(jī)故障等?，F(xiàn)場(chǎng)使用的SF6密度繼電器因長(zhǎng)期不動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)期后，會(huì)出現(xiàn)以下問題。

(1) 接點(diǎn)失效。該故障在多個(gè)電廠均有出現(xiàn)，校驗(yàn)密度繼電器時(shí)報(bào)警，閉鎖接點(diǎn)均不動(dòng)作；若發(fā)生氣室漏氣，密度繼電器不能提醒氣室內(nèi)SF6氣體壓力過低，極易發(fā)生安全事故。

(2) 溫度補(bǔ)償失效。電廠可能發(fā)生密度繼電器表針不斷抖動(dòng)，并且無法準(zhǔn)確表征氣室內(nèi)SF6氣體壓力大小的故障。

按照DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，各SF6電氣設(shè)備使用單位應(yīng)定期對(duì)SF6密度繼電器進(jìn)行校驗(yàn)。此外，為確保SF6密度繼電器接點(diǎn)信號(hào)準(zhǔn)確傳送至電力網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，需結(jié)合升壓站大修計(jì)劃，對(duì)SF6密度繼電器壓力報(bào)警回路及閉鎖回路進(jìn)行傳動(dòng)檢查。

3 絕緣故障

引起絕緣故障的原因主要有：盆式絕緣子或絕緣傳動(dòng)桿沿面閃絡(luò)或絕緣擊穿、內(nèi)部殘留金屬屑末引起放電、金屬導(dǎo)體表面毛刺形成的電暈放電等。

3.1 絕緣傳動(dòng)桿故障

某電廠500 kV GIS 安裝完畢，微水試驗(yàn)合格，具備交流耐壓試驗(yàn)的條件。在交流耐壓試驗(yàn)過程中，發(fā)生2 次對(duì)地?fù)舸┕收?，?jīng)解體檢查均為隔離開關(guān)絕緣傳動(dòng)桿對(duì)地爬電擊穿。導(dǎo)致絕緣拉桿損壞的原因有以下幾種可能。

(1) 絕緣拉桿材料內(nèi)部存在微小的空洞或內(nèi)部有微小金屬雜質(zhì)，由于空洞內(nèi)空氣的絕緣較低，造成局部放電擊穿。

(2) 絕緣拉桿表面可能會(huì)附著金屬屑、纖維、灰塵等微小顆粒造成表面放電。

(3) 有可能絕緣拉桿裝配不當(dāng)，造成局部存在應(yīng)力，導(dǎo)致材料絕緣性能發(fā)生變化。

3.2 絕緣盆子損壞

某電廠GIS 大修后，在進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)之前，先對(duì)GIS 導(dǎo)電回路進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)B 相絕緣電阻為1.6 MΩ，絕緣電阻偏低，然后逐一排查GIS 設(shè)備的隔離開關(guān)、接地開關(guān)，發(fā)現(xiàn)開關(guān)位置正確，故判斷為GIS 內(nèi)部的問題。

解體后發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)絕緣盆子有肉眼可見的裂縫，于是對(duì)該絕緣盆子進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該絕緣盆子中間導(dǎo)電部分對(duì)外殼的絕緣電阻為1.6 MΩ，用相同的方法對(duì)同型號(hào)新的絕緣盆子進(jìn)行絕緣電阻測(cè)量，發(fā)現(xiàn)絕緣電阻為60 GΩ，故判斷B 相整體絕緣電阻偏低是由絕緣盆子中出現(xiàn)裂縫所致。絕緣盆子損壞的原因是絕緣盆子內(nèi)部存在質(zhì)量缺陷及機(jī)械損傷，并在安裝過程中受到機(jī)械應(yīng)力作用后暴露出來。

4 機(jī)械故障

機(jī)械故障主要發(fā)生在GIS 設(shè)備的一次機(jī)械部分，主要包括斷路器拒分及拒合、導(dǎo)電桿斷裂、接地開關(guān)及隔離開關(guān)拒動(dòng)、傳動(dòng)銷脫落、機(jī)構(gòu)連桿彎曲等故障。

某電廠在倒閘操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)5003 斷路器內(nèi)部有異常聲音，停電后對(duì)該斷路器操作機(jī)構(gòu)解體檢查，發(fā)現(xiàn)A 相操作機(jī)構(gòu)傳動(dòng)銷脫落，測(cè)量開關(guān)斷口行程時(shí)發(fā)現(xiàn)斷口分閘未到位，設(shè)計(jì)行程為250 mm，因傳動(dòng)銷脫落，實(shí)際動(dòng)作行程為140 mm。故障原因是由于斷路器未分閘到位，斷口之間絕緣不滿足并網(wǎng)前兩端電壓差造成斷口擊穿，產(chǎn)生導(dǎo)電微粒后發(fā)展為對(duì)外殼放電。因此提出以下建議。

(1) 按規(guī)程要求定期對(duì)各相關(guān)氣室開展微水、組分等項(xiàng)目測(cè)試。

(2) 建議電廠加強(qiáng)GIS 各氣室壓力、振動(dòng)、異音檢查及GIS 在線局部放電數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

(3) 建議運(yùn)行人員在操作斷路器及刀閘前后，加強(qiáng)監(jiān)視各電壓互感器的二次電壓波動(dòng)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

(4) 操作斷路器及刀閘時(shí)，如發(fā)現(xiàn)變壓器、GIS 有異音，應(yīng)立即停止操作，并停運(yùn)設(shè)備，分析原因，防止故障擴(kuò)大。

(5) 立即對(duì)同一批次斷路器進(jìn)行檢查，確認(rèn)操作機(jī)構(gòu)傳動(dòng)銷是否脫落，分閘行程是否合格。

(6) GIS 新裝或大修后，重點(diǎn)檢查斷路器及刀閘各機(jī)構(gòu)傳動(dòng)銷鎖緊情況。

5 設(shè)備維護(hù)建議

GIS 設(shè)備故障很多都是由于GIS 設(shè)備出廠缺陷引起的，如GIS 筒體或?qū)щ姉U焊接處有沙眼、裂縫，絕緣子有質(zhì)量缺陷、機(jī)械損傷；運(yùn)輸過程中發(fā)生碰撞、受潮；安裝過程不規(guī)范，如裝配和現(xiàn)場(chǎng)安裝過程清理不干凈，有灰塵、異物，裝配過程中漏裝限位螺栓導(dǎo)致導(dǎo)電桿脫落，裝配過程中固定螺栓未擰緊導(dǎo)致GIS 漏氣等。因此，需要從源頭把關(guān)，消除GIS 設(shè)備故障。

建議生產(chǎn)廠家及各使用方多方把關(guān)，保證GIS零配件質(zhì)量；生產(chǎn)企業(yè)不管在廠內(nèi)裝配還是在現(xiàn)場(chǎng)裝配，都應(yīng)加強(qiáng)零件和裝配環(huán)境的清潔度；安裝單位在安裝施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照廠家的安裝工藝要求進(jìn)行；由生產(chǎn)廠家和安裝單位共同組成安裝質(zhì)量檢驗(yàn)小組，對(duì)設(shè)備安裝質(zhì)量進(jìn)行跟蹤檢查。

此外，運(yùn)行環(huán)境長(zhǎng)期的影響可能造成附屬設(shè)備老化或損壞，如密度繼電器損壞、充氣口逆止閥漏氣、吸附劑失效等。因此，要對(duì)GIS 設(shè)備定期進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

GIS 設(shè)備一旦發(fā)生故障，將引發(fā)全場(chǎng)停電，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此根據(jù)GIS 設(shè)備的故障分類，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)案例經(jīng)驗(yàn)和建議，總結(jié)了各種故障特點(diǎn)和故障原因，可為快速判斷故障位置及故障類型提供參考，有助于迅速恢復(fù)供電。