金沙江中游金沙水電站GIS設(shè)備故障原因分析

郭乙磊

(四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617000)

0 引 言

GIS(Gas Insulated Substation，GIS)設(shè)備是氣體絕緣全封閉組合電器的英文簡稱。GIS設(shè)備由主變壓器(簡稱“主變”)、母線、斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、連接件和出線終端等組成。這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器。自20世紀(jì)60年代，GIS設(shè)備已得到廣泛運(yùn)用。GIS設(shè)備具有優(yōu)良的滅弧與絕緣性能，并且占地面積少、檢修周期長，廣泛應(yīng)用于電廠、變電站中，是通用的高壓電器設(shè)備。此外，極少的故障率也是它最重要的特性之一。目前，GIS設(shè)備不僅可應(yīng)用于高壓、超高壓領(lǐng)域，在特高壓領(lǐng)域也得到應(yīng)用。GIS設(shè)備在檢查和驗(yàn)收過程中，需保證設(shè)備安裝牢固，外觀整潔完好，各連接元件及接地銅排無銹蝕狀況，水平和垂直誤差滿足要求，伸縮節(jié)安裝符合規(guī)定，電氣連接部分動作良好，螺栓無斷裂，螺紋良好。

金沙水電站位于金沙江中游，水電站GIS設(shè)備于2020年6月安裝完成，同年11月順利投運(yùn)，GIS設(shè)備為現(xiàn)場水電站內(nèi)組裝。本文以2022年金沙水電站GIS設(shè)備故障引發(fā)的母線差動保護(hù)動作事件為例，重點(diǎn)討論雙母線接線方式下，母線差動保護(hù)的配置及保護(hù)動作分析，旨在查清保護(hù)動作情況及故障原因。

1 水電站概況

金沙水電站裝機(jī)容量4×140 MW，屬大(2)型水電站，水電站整體設(shè)計和設(shè)備采購在國內(nèi)屬于較先進(jìn)水平，主要具有以下優(yōu)勢：① 采用雙母線接線，運(yùn)行靈活性強(qiáng)，母線上各元件可在雙母線之間進(jìn)行切換，但切換時必須有刀閘同時跨越兩條母線的過程，要求倒換過程中母線差動保護(hù)也能正確反映母線上的各種故障[1]，因而對保護(hù)的要求相對較高。② 水電站機(jī)組為國際化知名廠家GE公司制造，制造標(biāo)準(zhǔn)高，運(yùn)行穩(wěn)定，且采用電制動剎車的非接觸式制動方法，優(yōu)點(diǎn)是制動轉(zhuǎn)矩大，不受外部因素影響，由于制動轉(zhuǎn)矩與機(jī)組的轉(zhuǎn)差距成反比，即轉(zhuǎn)速越低，制動力矩越大[2]。③ 采用智能化開關(guān)站設(shè)計，主要包括3層，分別是站控層、間隔層、過程層。保護(hù)裝置的模擬量、定值、保護(hù)動作事件及參數(shù)、報警、軟壓板等MMS信息及跳合閘等GOOSE信息均通過站控層網(wǎng)絡(luò)傳輸[3]。整個水電站電纜布置更加簡潔，采用光纖數(shù)字化信號，保護(hù)裝置全部采用雙套化配置，廠家為南瑞繼保和四方繼保。水電站采用常規(guī)采樣，即CT、PT采集的二次電流和電壓信號通過常規(guī)電纜模擬量接入智能測控裝置，而智能測控與保護(hù)裝置的連接則采用光纖形式，跳閘以及分、合等信號通過GOOSE報文與智能終端連接。為保證可靠分閘，安裝有兩臺智能終端，分別對應(yīng)GOOSE的AB網(wǎng)。

圖1為金沙水電站的主接線圖，水電站通過4臺主變壓器分別升壓至220 kV，通過雙回220 kV線路并網(wǎng)。主變壓器型號為S11-160000/242，聯(lián)接級別為YNd11，電壓比242±2×2.5%/13.8。母線差動保護(hù)總共接入7個支路(分別是4臺主變壓器和3條線路)和1個母聯(lián)回路，形成大差動和小差動保護(hù)配置，并全面采用極性為5P20的CT。主變壓器保護(hù)裝置及型號如表1所示。

表1 保護(hù)裝置型號及廠家

在電力系統(tǒng)中，變電站主變壓器中性點(diǎn)接地方式的選取對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重大的影響[4]。變壓器中性點(diǎn)直接接地是構(gòu)成零序電流通道的首要條件。線路的接地距離保護(hù)及零序過流保護(hù)中，用于改善高阻接地靈敏度的零序判別元件可能因中性點(diǎn)接地方式不同，出現(xiàn)可靠性不足的情況[5]。

注：1B，2B表示1號、2號主變壓器，#1F、#2F表示1號、2號發(fā)電機(jī)，數(shù)字表示設(shè)備編號；1～4號主變壓器型號為：S-160000，電壓比為242±2×2.5%(高壓側(cè))/13.8 kV(低壓側(cè))。

按四川省調(diào)要求，中性點(diǎn)接地規(guī)定為：4臺主變壓器中的2臺主變壓器中性點(diǎn)直接接地，其余主變壓器中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地，且一段母線上有1臺主變壓器中性點(diǎn)直接接地。因此，電站正常運(yùn)行方式：主變壓器1號、主變壓器3號、中西一線運(yùn)行于Ⅰ母線，主變壓器2號、主變壓器4號、中西二線主變壓器運(yùn)行于Ⅱ母線，主變壓器1號、主變壓器3號中性點(diǎn)直接接地，主變壓器2號、主變壓器4號中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地。金沙水電站中性點(diǎn)引線上安裝有兩個電流互感器，變比為300/1，分別送至變壓器AB套保護(hù)裝置。同時，在主變壓器中性點(diǎn)處安裝有接地刀閘、避雷器，放電間隙。在放電間隙上同樣裝有兩個電流互感器，變比為100/1，分別送至變壓器AB套保護(hù)裝置，用于后備保護(hù)。而中性點(diǎn)配置避雷器及間隙的目的主要是吸收單相接地故障、非全相運(yùn)行故障或雷擊時中性點(diǎn)不接地的主變壓器中性點(diǎn)產(chǎn)生的過電壓[6-7]。

2 事故概況

2.1 事故前運(yùn)行方式

2022年1月2日17：05，根據(jù)調(diào)度令，將主變壓器1號由冷備用轉(zhuǎn)運(yùn)行于Ⅰ母線。17：25，主變壓器1號帶電運(yùn)行正常。17：30，主變壓器1號、主變壓器3號、中西一線運(yùn)行于Ⅰ母線，主變壓器2號、主變壓器4號、中西二線主變壓器運(yùn)行于Ⅱ母線，主變壓器1號、主變壓器3號中性點(diǎn)直接接地，主變壓器2號、主變壓器4號中性點(diǎn)經(jīng)間隙接地。主變壓器1號、主變壓器2號、主變壓器4號空載(充電運(yùn)行)，主變壓器3號有功功率84 MW，220 kV的Ⅰ母線電壓232 kV，220 kVⅡ母線電壓232 kV，中西一線有功功率42 MW，中西二線有功功率42 MW。

2.2 事故說明

2022年1月2日17∶30∶44.87，監(jiān)控報220 kV的Ⅰ母線保護(hù)裝置差動保護(hù)動作，212，201，203號斷路器跳閘，線路對側(cè)變電站中西一線267號斷路器跳閘。

2.3 保護(hù)數(shù)據(jù)收集

經(jīng)調(diào)查保護(hù)裝置動作情況及相關(guān)錄波文件，情況如下：220 kV母線保護(hù)動作情況為17∶30∶44.87，PCS-915A裝置“差動保護(hù)動作，動作于B相，最大差電流9.58 A，失靈相電流4.67 A”；17∶30∶44.92，“CSC-150A差動保護(hù)啟動跳母聯(lián)，故障B相，大差電流3.719 A，小差電流3.719 A”。

220 kV線路保護(hù)動作情況：17∶30∶44.87，PCS-931A保護(hù)動作，閉鎖重合閘；17∶30∶44.84，CSC-103A保護(hù)啟動，三跳閉鎖重合閘。

220 kV主變壓器保護(hù)動作情況：主變壓器1號保護(hù)裝置PCS-985TW-H2主變壓器差流報警、裝置報警、主變壓器差動保護(hù)啟動、主變壓器高壓側(cè)后備保護(hù)啟動；主變壓器1號測控裝置PCS-9821 A，B套智能終端報警。

發(fā)電機(jī)保護(hù)動作情況：4號發(fā)電機(jī)定子過負(fù)荷、負(fù)序過負(fù)荷、相間后備啟動。

從故障錄波圖中提取B相動作后第30 ms時刻各支路電流、電壓情況如表2所示

表2 各支路電流、電壓

220 kV母線零序電壓一次值為228 kV，二次值為103.7 V。

2.4 保護(hù)動作正確性分析

2.4.1 母線差動保護(hù)范圍

母線差動保護(hù)范圍：自主變壓器高壓側(cè)CT6至線路CT6的范圍內(nèi)包括母線PT以及母聯(lián)開關(guān)等附屬設(shè)備，均屬于差動保護(hù)范圍。

2.4.2 大差電流

大差是指把整個母線作為一個閉合面，所有支路電流構(gòu)成的差動回路。母聯(lián)為內(nèi)部元件，因此在計算大差電流時，母聯(lián)電流不參與計算。在本文中，大差電流則計算4臺主變壓器+兩條線路，以南瑞保護(hù)為例，南瑞規(guī)定流入母線為正方向，大差動作電流=中西一線+母聯(lián)(母聯(lián)為中西二線和4號主變壓器的向量和)，動作電流非常大，故稱為大差動作，事故時電流流向見圖2。

2.4.3 小差電流

小差是指某段母線上單獨(dú)組成一個閉合面(包括母聯(lián)和分段開關(guān))，各支路電流所構(gòu)成的差動回路。在本文中，(PCS-915默認(rèn)CT的同名端指向母線)Ⅰ母線小差電流計算為主變壓器1號+主變壓器3號+中西一線+母聯(lián)斷路器，Ⅱ母線小差電流計算為主變壓器2號+主變壓器4號+中西二線-母聯(lián)斷路器。正常情況下，由于方向的原因，大差和小差電流均接近于0，保護(hù)不動作。在本事故中，Ⅰ母線差動動作電流為母聯(lián)斷路器+中西一線(母聯(lián)斷路器為中西二線和4號主變壓器的相量和)，Ⅱ母線小差動作電流為4號主變壓器+中西二線-母聯(lián)=0，故Ⅱ母線小差不動作。圖3為2011號刀閘B相內(nèi)部斷路器放電示意。

圖2 事故時電流流向

圖3 2011號刀閘B相內(nèi)部放電

2.4.4 結(jié)果分析

根據(jù)計算結(jié)果，母線差動保護(hù)動作正確，大差及小差電流與保護(hù)裝置采樣接近。線路保護(hù)啟動但未跳閘，是由于電流、電壓的突變引起。對側(cè)變電站線路斷路器跳閘，是由于電站側(cè)母線差動保護(hù)動作后啟動“遠(yuǎn)跳”。

對于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，出現(xiàn)單相接地時，接地相電壓降低至0，零序電壓達(dá)到相電壓，同時接地點(diǎn)處的零序電壓為最高。

變壓器后備保護(hù)啟動，是由于故障點(diǎn)在高后備保護(hù)范圍內(nèi)，因此啟動屬正確動作。

根據(jù)計算及保護(hù)裝置判定，220 kV母線中Ⅰ母線保護(hù)范圍內(nèi)存在嚴(yán)重故障，而1號主變壓器支路是剛投運(yùn)的設(shè)備，初步懷疑1號主變壓器支路某元件存在嚴(yán)重故障，各設(shè)備保護(hù)動作正確。

3 事故原因分析

3.1 主要原因初步分析

根據(jù)保護(hù)動作分析結(jié)果指向，初步判斷1號主變壓器支路存在故障，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)主變壓器高壓側(cè)斷路器201母線側(cè)2011號刀閘B相存在內(nèi)部放電情況，如圖3所示。

經(jīng)停電將2011號刀閘轉(zhuǎn)檢修后，現(xiàn)場拆解，發(fā)現(xiàn)B相內(nèi)部觸頭和殼體內(nèi)部有大量放電后的白色粉末；動觸頭表面有燒蝕的痕跡，對應(yīng)的殼體內(nèi)部有熏黑的痕跡；絕緣拉桿整體從中間裂開，碎片散落在隔離開關(guān)蓋板底部，確認(rèn)系絕緣拉桿放電，如圖4所示。

圖4 2011號刀閘B相絕緣桿燒損

3.2 故障點(diǎn)絕緣拉桿放電原因分析

經(jīng)將刀閘完全拆解后，連同所有粉末一起送往GIS設(shè)備廠家分析。從刀閘的結(jié)構(gòu)到材料以及出廠試驗(yàn)的一系列過程進(jìn)行全方位的分析。刀閘結(jié)構(gòu)如圖5所示。拉桿結(jié)構(gòu)如圖6所示。

對該批次的絕緣桿進(jìn)行原材料分析等過程排查，結(jié)果如下。

(1) 原材料(環(huán)氧樹脂、液態(tài)酸酐、滌綸布、高強(qiáng)布、玻璃布等主要原材料)試驗(yàn)結(jié)果合格。

(2) 金屬嵌件和真空浸膠管的制造過程符合工藝標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 絕緣拉桿出廠時，工頻耐電壓及局部放電試驗(yàn)為逐支全部檢驗(yàn)，測試標(biāo)準(zhǔn)：SF6氣壓0.35 MPa，506 kV/90 s，局放測試電壓333 kV下≤1.5 pc，試驗(yàn)過程無異常，結(jié)果合格；X探傷試驗(yàn)逐支檢查絕緣拉桿粘接部位及絕緣管未發(fā)現(xiàn)氣泡、黑點(diǎn)、雜質(zhì)，試驗(yàn)過程無異常，結(jié)果合格；出廠外觀及尺寸檢驗(yàn)逐支檢查絕緣拉桿整體配合尺寸并使用強(qiáng)光燈檢驗(yàn)外觀潔凈度，未發(fā)現(xiàn)異常。

圖5 刀閘內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 絕緣拉桿結(jié)構(gòu)

(4) 出廠時絕緣拉桿裝配到隔離開關(guān)上，查驗(yàn)盆式絕緣子、拉桿隨產(chǎn)品出廠時已完成工頻耐壓、局部放電試驗(yàn)和雷電沖擊試驗(yàn)并順利通過，試驗(yàn)詳細(xì)過程如下：在2011號刀閘室內(nèi)注滿SF6氣體，氣室壓力為0.35 MPa。試區(qū)大氣條件為周圍相對溫度20～21 ℃，相對濕度為30%～65%，大氣壓力為0.098 MPa。試驗(yàn)施加電壓(主回路斷口間)為460 kV。在ABC三壓分別加壓，持續(xù)時間60 s，試驗(yàn)正常。

(5) 復(fù)查絕緣拉桿所用材料及產(chǎn)品制造過程，從裁布到模具準(zhǔn)備、卷坯、壓坯、裝模、預(yù)熱、注膠、固化、脫模等一系列過程，均未發(fā)現(xiàn)異常，原材料質(zhì)檢合格。

結(jié)合本次擊穿產(chǎn)品實(shí)物解剖后的現(xiàn)象，初步判斷此次絕緣拉桿放電部位為絕緣管內(nèi)表面，放電的原因?yàn)楦綦x開關(guān)內(nèi)部存在金屬異物，操作過程中導(dǎo)電異物由絕緣拉桿透氣孔進(jìn)入絕緣管內(nèi)腔，吸附在絕緣管內(nèi)壁，逐漸向絕緣管內(nèi)層及兩邊輻射直至造成表面碳化、起層、開裂形成放電擊穿通道；同時因運(yùn)行過程中電壓電流較大，熱量瞬間累積，在絕緣管內(nèi)腔有限空間內(nèi)絕緣氣體受熱急劇膨脹，從而在絕緣管擊穿位置將絕緣管撕裂破壞成幾個碎片。

隔離開關(guān)內(nèi)部的異物放電與出廠或現(xiàn)場安裝是分不開的。除內(nèi)部異物外，還可能因?yàn)殪o觸頭均壓罩發(fā)生輕微偏移，而導(dǎo)致動靜觸頭接觸不良，引起局部放電[8]。

在現(xiàn)場要對GIS設(shè)備進(jìn)行局部放電帶電檢測，它通常伴生電磁波、聲波、熱能、發(fā)光、產(chǎn)生各類型氣體或化學(xué)分解物[9]，因此可以充分利用GIS設(shè)備在線監(jiān)測設(shè)備，可實(shí)時檢測并顯示設(shè)備中的局部放電現(xiàn)象。

此外GIS設(shè)備安裝環(huán)境溫度應(yīng)保持在-10～40 ℃，潔凈度達(dá)到百萬級以上，無風(fēng)沙和雨雪，空氣相對濕度小于80%[10]?，F(xiàn)場安裝不滿足條件需要短期存儲時，要每月目視檢查一次儲存狀況，每個運(yùn)輸組件內(nèi)氣室的壓力要保持在0.05 MPa[11]。

4 結(jié) 語

本文以2022年金沙水電站發(fā)生的母線差動保護(hù)動作事件為研究對象，分析了事故過程及原因，發(fā)現(xiàn)本次事故原因在于設(shè)備安裝過程中導(dǎo)體內(nèi)部留下金屬異物，最終造成電站設(shè)備的損壞，可為類似設(shè)備安裝提供借鑒。