550kV GIS隔離開關(guān)故障分析及解決措施

山西國耀新能源集團(tuán)有限公司 李 劍

GIS氣體絕緣金屬材料的密閉切換裝置，是一種以SF6氣體作為隔離和磁性介質(zhì)的電氣元件，其被密封在一個接地裝置的合金殼中，并在殼體中注入一定的氣壓。地理信息系統(tǒng)占用較少的空間，產(chǎn)生較低的噪聲和能夠降低發(fā)生火災(zāi)概率；但是需要長時間的維護(hù)，已被普遍應(yīng)用于電力行業(yè)[1]。但是，該類型裝置存在著投資大、故障點(diǎn)難查找、故障發(fā)生次數(shù)多、電力損失大等問題。本文從550kV GIS高壓隔離開關(guān)發(fā)生的安全隱患入手，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，以期進(jìn)一步改善其工作的可靠性。

1 事件概述

當(dāng)GIS隔離開關(guān)切換出現(xiàn)失效時，斷路器會跳閘、5041/5042短接線保護(hù)50416次短路故障電流量16.35kB，5041電源開關(guān)接收到故障電流量9.06kB，5042開關(guān)接收到故障電流量7.29kB，主變高壓側(cè)套管故障電流量4.64kB，主變高壓側(cè)直流B相電壓、500kV線路B直流電壓均為0，其他直流電壓及電流量反應(yīng)均正常。同時，對GIS內(nèi)SF6氣體成分進(jìn)行了檢查，50416開孔的氣體腔SF6氣體成分中H2S氣體的濃度為98.68ppm,SO2氣體濃度為77.69ppm，而其他氣體腔室SF6成分正常。通過對GIS中各個氣腔SF6的成分分析（見表1），得出了由保護(hù)狀態(tài)采集到的電流信號和GIS各個氣腔SF6的成分分析結(jié)果，故障點(diǎn)為50416B相，以及50416刀閘B相的金屬短路失效[2]。

表1 50221隔離開關(guān)SF6氣體成分

2 原因分析

50416B相閘及與之有關(guān)的制動氣腔進(jìn)行拆卸，其主要故障為：50416B絕緣開關(guān)的絕緣拉條被燒毀及碳化，絕緣拉桿兩端磁環(huán)被燒壞和因電導(dǎo)致的內(nèi)部灼傷，系統(tǒng)會產(chǎn)生不正常的反應(yīng)[3]。

2.1 事故發(fā)生的直接原因

根據(jù)現(xiàn)場對常見的失效元件分析可知，隔離開關(guān)觸點(diǎn)的外部和隔離開關(guān)的尾部防護(hù)罩損壞較為嚴(yán)重，而在絕緣層的支撐上，則有更多的燒毀（如圖1所示）。因此認(rèn)為，隔離開關(guān)的絕緣拉桿在第一時間發(fā)生閃失是導(dǎo)致接地短路失效的主要原因。電站在第一期投入使用時，在隔離開關(guān)的絕緣拉條上出現(xiàn)了兩個連續(xù)的放電狀態(tài)，與本次的安全事故的發(fā)生位置相符。兩次放電痕跡明顯，在隔離開關(guān)動作斷路器外阻磁環(huán)燒壞，在絕緣拉桿上部有燒蝕痕跡（如圖2、圖3所示），因此認(rèn)為由于絕緣拉桿上發(fā)生了閃絡(luò)，導(dǎo)致了接地設(shè)備的放電保護(hù)姿態(tài)的故障。

圖1 本次隔離開關(guān)絕緣拉桿放電圖

圖2 第一次隔離開關(guān)絕緣拉桿放電圖

圖3 第二次隔離開關(guān)絕緣拉桿放電圖

根據(jù)現(xiàn)場故障元件的具體常規(guī)檢測和對發(fā)生故障的燒毀現(xiàn)象進(jìn)行了分析，認(rèn)為造成這一事件的根源在于：絕緣拉桿上表面發(fā)生了閃絡(luò)，導(dǎo)致了接地設(shè)備的放電保護(hù)姿態(tài)跳閘。

2.1.1 GIS隔離開關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)分析

隔離開關(guān)作為高壓開關(guān)柜（HGIS）中的核心部件，其對連接不同的驅(qū)動裝置和自身的高壓電平衡起著至關(guān)重要的作用。由于承擔(dān)著高電壓和零電位之間的巨大電流，如果在長期的高磁場作用下，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會被破壞，容易導(dǎo)致絕緣材料的老化和內(nèi)部的結(jié)構(gòu)損壞。因此，其制造過程是否可靠，出廠檢查是否符合標(biāo)準(zhǔn)，與HGIS和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大關(guān)系。

從結(jié)構(gòu)上剖析該隔離開關(guān)，經(jīng)驗(yàn)證，絕緣體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足要求，并對其進(jìn)行了磁場分析，得出結(jié)論：絕緣體的電場強(qiáng)度達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求，并且具有較大的余量。因而，可完全消除因設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)導(dǎo)致此次故障的可能[4]。對于構(gòu)造的絕緣切換設(shè)備，如果已經(jīng)在兩年以上的時間內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并沒有以上類似故障產(chǎn)生，能夠充分說明了該絕緣拉桿并非導(dǎo)致此次故障的緣由。

GIS機(jī)械廠在生產(chǎn)的隔離開關(guān)上安裝了兩臺具有相似結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的隔離開關(guān)，對每個550kV GIS組裝單元進(jìn)行了耐電壓測試，對每個隔離開關(guān)組裝單元進(jìn)行了兩次電壓測試（740kV/min），并對隔離開關(guān)和10%組裝單元進(jìn)行1675kV的沖擊耐電壓測試，該套裝置在使用之前，已經(jīng)進(jìn)行了500多次的測試，而且絕緣拉桿沒有損壞。這更進(jìn)一步證明了絕緣結(jié)構(gòu)沒有問題，因此說明了絕緣拉桿制品的品質(zhì)問題并非常見。

2.1.2 故障根本原因分析

在解體故障實(shí)體及在以上絕緣分析前提下，造成此次安全事故的直接原因?yàn)椋?0416B型絕緣拉條在組裝過程時，其外部表層仍有少量的殘余粉塵，無法及時清除干凈，或拉桿自身外表面存有部分缺陷，比如表面有可能有鍍層塵土殘?jiān)赡懿煌潭仍斐蒅IS內(nèi)部結(jié)構(gòu)靜電場產(chǎn)生畸變，促使部分靜電場提升而造成局部放電，在正常運(yùn)行條件下，這種局部的放電會使電纜絕緣迅速惡化，最終使電纜表面發(fā)生短路而發(fā)生放電。雖然這種拉桿是從國外引進(jìn)的，證明了其在高壓條件下，有可能會在拉桿上產(chǎn)生一個不環(huán)繞的放電痕跡，這種痕跡在一段壓力下運(yùn)行后會出現(xiàn)，并慢慢往前拓寬，最后導(dǎo)致對地閃絡(luò)。絕緣拉桿發(fā)生閃爍的主要因素是其結(jié)構(gòu)局部放起點(diǎn)，長期局部釋放加速了絕緣拉桿材料的腐化，造成貫通性的絕緣穿透。穿透后，絕緣拉桿一部分碳化。

絕緣拉桿是由電子設(shè)備制造商附屬工廠制作的，采用了真空高壓浸漬處理技術(shù)，制作時首先需要用一塊玻璃鋼絲網(wǎng)層層纏繞，然后在真空環(huán)境下緩慢地滲透到玻璃纖維原料中。除去纖維強(qiáng)化系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造，然后通過填充環(huán)氧系統(tǒng)來保證高密度的組織結(jié)構(gòu)，從而將玻璃鋼和環(huán)氧樹脂粘合成為一體，檢驗(yàn)根據(jù)所使用的原料理化測試和絕緣拉棒整體測試結(jié)果判斷是否合格。

基于對高壓開關(guān)絕緣拉條的研究，發(fā)現(xiàn)斷開的絕緣拉桿之間的膠合強(qiáng)度已經(jīng)失去，呈現(xiàn)膨脹狀態(tài)。在斷開的絕緣棒的中部靠近高電壓側(cè)分級的四個放電位置，其中一些放電已經(jīng)穿過了兩層的玻璃板。

2.2 放電原因分析

根據(jù)拆解的結(jié)果，判斷出隔離開關(guān)內(nèi)部構(gòu)造有雜質(zhì)導(dǎo)致了空氣的泄漏，有較大可能性是觸點(diǎn)被破壞，裝配時沒有清洗。

2.2.1 取樣異物分析

收集隔離開關(guān)內(nèi)部異物，分成4個樣本進(jìn)行成分分析，其分析結(jié)果見表2至表5。

表2 11號試樣分析

表5 41號試樣分析

表3 21號試樣分析

表4 31號試樣分析

通過取樣分析，發(fā)現(xiàn)該斷路器的內(nèi)部構(gòu)造構(gòu)成的4個樣本均為鋁合金，區(qū)分為燃燒的外殼和從導(dǎo)電物體上掉落的化學(xué)成分。

2.2.2 盆子探傷分析

對放電后的動側(cè)盆（512X24V0910）和非放電的靜側(cè)盆（512Y07V0617）進(jìn)行了非破壞性測試：靜側(cè)盆子沒有任何異常，動側(cè)間隙重要電導(dǎo)體40mm有一處燒灼點(diǎn)，內(nèi)部構(gòu)造其他區(qū)域未發(fā)現(xiàn)異常，兩個盆子均無裂縫、焊瘤缺點(diǎn)。根據(jù)復(fù)合絕緣子放電安全通道處的溶解物開展上色實(shí)驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)裂痕等缺點(diǎn)。

盆形絕緣器具有高于7000MΩ（要求不小于5000MΩ）的絕緣電阻，熱膨脹系數(shù)為119.03°（規(guī)定高于105℃），其測量結(jié)果都合格，因此可以看出盆型絕緣子沒有任何結(jié)構(gòu)方面的問題，而盆型絕緣子的失效原因應(yīng)是由于絕緣層棒破裂后的化學(xué)成分溶解在水平盆形絕緣子上造成的；造成盆狀絕緣子的穿透絕緣破裂，因此可辨別出盆的燒燙處為污物墜落在盆上所造成，這一次的放電并非由盆體的原因造成[5]。

2.2.3 對斷裂的FES動觸頭分析

常見的失效氣體室中FES的動接觸器前端安裝頭部，掉落在靜接觸器內(nèi)部，組裝頭和動接觸件的工藝是將內(nèi)絲和外絲螺紋擰入并進(jìn)行電焊，組裝一端（絲齒一側(cè)）發(fā)生了較大的燃燒，大約三分之一的截面存在著金屬物質(zhì)的溶解。

根據(jù)斷頭標(biāo)志及制造日期，追溯生產(chǎn)廠家、發(fā)貨、入庫和同一批次的收貨人，并閱讀檢查記錄，并有完整的紀(jì)錄和檢查結(jié)果。由于焊接產(chǎn)品的品質(zhì)問題與焊接工藝參數(shù)和設(shè)備的焊接工藝無關(guān)，然后通過對觸點(diǎn)斷裂外觀進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)在焊縫表面分布不均衡，在理論上，接觸點(diǎn)在焊縫的平面處應(yīng)該大致一致。而且，在宏觀裂紋處，焊縫的厚度也出現(xiàn)了明顯的變化，這意味著在焊縫中，離子束到達(dá)的位置并不是足夠的重疊，而是出現(xiàn)了偏差，這就造成了焊縫兩側(cè)的深度不同，造成了焊縫兩側(cè)的三分之一深度差距。

在預(yù)焊時，觸點(diǎn)要用百分計(jì)進(jìn)行定位，而百分表則要靠工作人員操作。因此，如果操作人員不小心進(jìn)行焊接，就會出現(xiàn)卡板傾斜現(xiàn)象。從質(zhì)量的回溯情況來看，接頭的錯位會導(dǎo)致接頭的深度不同。同時，由于插銷的原因，接觸器無法完全熔合，但由于表面已經(jīng)被焊死，無法通過染色檢測出內(nèi)部的缺陷。因此，接觸件斷裂的主要因素是接觸件的著裝夾歪斜，離子束偏置，導(dǎo)致焊縫表面不能完全熔穿；同時，由于檢驗(yàn)方法的不正規(guī)，致使產(chǎn)品不能進(jìn)入下一道工序。

2.2.4 放電過程分析

在設(shè)備車間進(jìn)行200次的測試，測試包括沖擊力和頻率抗壓測試，綜合分析，判定污物并非來自工廠和工地的裝配。因此，可以判斷在接地絕緣開關(guān)B502167的相位動接點(diǎn)被破壞之后，由于工作過程中的碰撞導(dǎo)致了物質(zhì)的碰撞，從而導(dǎo)致50221的隔離開關(guān)B的相位移動端盆發(fā)生了爆炸；整個放電的步驟：502167絕緣子B相FES動接點(diǎn)的破裂，有雜質(zhì)從50221隔離開關(guān)B相位移動端盆上，雜質(zhì)與支撐點(diǎn)之間的間隙放電，放電引起金屬表面燃燒，溴化鋰溶液四濺。

在斷路器斷裂或碰撞后產(chǎn)生外來物質(zhì)，由于放電時的短路能量較大，導(dǎo)致雜質(zhì)蒸發(fā)，因此在收集體中沒有探測到，只有較少的樣品含有銀。在放電后，金屬槽接觸部位的導(dǎo)電金屬和鋁合金鑄造的殼體融化后，鋁液噴出，重量輕的金屬絲狀物顆粒較大。

綜合以上分析，50221型B相氣室存在結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)，是導(dǎo)致其放電的重要因素。FES觸點(diǎn)的焊接方法不合理，造成了動觸頭的末端裝配頭部斷開，并且被FES的靜觸點(diǎn)卡住，在FES工作過程中，動觸點(diǎn)后方的引線棒與緊固在FES靜觸頭內(nèi)的前端裝配頭碰撞；引起了外部的金屬物質(zhì)，爆炸到50221隔離開關(guān)B的相位移動的側(cè)盆處，導(dǎo)致了放電。

3 解決對策及建議

現(xiàn)場放電故障采取的對策，為了使電站電力設(shè)備能夠盡早地得到修復(fù)，經(jīng)分析，由于該相隔離開關(guān)絕緣層支撐桿在組裝工藝試驗(yàn)等階段存在瑕疵和安全隱患，故采用了在現(xiàn)場對事故中受損的零件進(jìn)行了拆換：拆換SF6溶解物環(huán)境污染的母線槽有關(guān)元件（密封環(huán)、觸指、觸指架）；由于短路能力的影響，拆卸50416B相位絕緣切換器（動、靜觸頭、動側(cè)抗擾磁環(huán)）損壞燒蝕元件；觸頭座、絕緣層支撐棒和擋板、密封環(huán)等損壞部件）；嚴(yán)格按照制造GIS清潔處理過程中由于意外引起的環(huán)境問題，如容器內(nèi)表面、電導(dǎo)體內(nèi)外表面等，確保裝配部件清潔。完成各裝置的主回路電阻測量，隔離開關(guān)機(jī)械特性的精確測量，SF6制動器空氣室內(nèi)的微水量測量；SF6氣體漏氣量檢查，二次接線檢查，主回路工作頻率耐壓（80%額定直流工作電壓）。

在使用和維修方面的對策：為了保證經(jīng)過故障后，裝置能夠可靠地穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，該系統(tǒng)不會由于存在的安全問題而導(dǎo)致的設(shè)備故障斷電，并導(dǎo)致巨大的資產(chǎn)損失，因此在使用和維修時，應(yīng)該提高GIS各個部件的氣室內(nèi)操作數(shù)據(jù)，并進(jìn)行安全監(jiān)控和分析，重點(diǎn)是分析系統(tǒng)中的裝置是否有異常的放電噪聲現(xiàn)象、各氣室SF6工作壓力是否在正常范圍、各類電流電壓是否平衡，并利用GIS技術(shù)改善局部放電的均衡程度，如果有什么問題要及時進(jìn)行分析，防止缺陷的擴(kuò)大。造成短路故障影響到關(guān)鍵的安裝組裝過程的質(zhì)量控制建議：加強(qiáng)對GIS生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)的審核，嚴(yán)格控制各個生產(chǎn)過程的質(zhì)量，改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)格現(xiàn)場安裝調(diào)試GIS設(shè)備的儀器，嚴(yán)格按有關(guān)技術(shù)規(guī)范對設(shè)備進(jìn)行逐一檢測，對任何細(xì)微的不正常細(xì)節(jié)予以充分重視。

除運(yùn)用各類線上、線下測試裝置及時掌握GIS的操作狀況之外，還要強(qiáng)化裝置的組裝過程中各個環(huán)節(jié)的品質(zhì)控制，使其在裝置投入使用之前消除缺陷和安全隱患，避免造成重大停電和財(cái)產(chǎn)的重大損害。

使用結(jié)果檢驗(yàn)：根據(jù)上述方法進(jìn)行各種測試，在使用過程中嚴(yán)密監(jiān)測SF6各制動器的工作壓力是否正常，現(xiàn)場的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)聲音是正常的，到目前為止沒有任何的異常和問題，設(shè)備的性能良好。

4 結(jié)論

GIS電氣裝置具有運(yùn)行安全性高、維護(hù)保養(yǎng)工作量小、故障發(fā)生率低等優(yōu)點(diǎn)，在電力行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，但是GIS系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，其維修安裝工作量大、斷電時間長，嚴(yán)重危害廠站正常的供配電。因此，在GIS系統(tǒng)中，如何降低GIS的失效概率，以及在出現(xiàn)問題后，對其進(jìn)行檢查是非常有必要的。本文對該電廠GIS隔離開關(guān)B相間的絕緣拉桿的放電問題進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)意見和建議，從根本上消除了機(jī)械裝置的安全問題。對提高GIS絕緣斷路器運(yùn)行的安全性有重要的指導(dǎo)作用，為同類電站提供參考和依據(jù)。