一起110 kV GIS斷路器吸附劑罩脫焊缺陷的診斷與分析

馬永福，王子樂，張毅濤，包正紅，任繼云，王生杰，陳 堯，王理麗，林萬德，李子彬

（國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810008）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（Gas Insulated Switchgear，GIS）斷路器分合操作時會產(chǎn)生較大的機械振動。為了保障運行中的GIS設(shè)備SF6絕緣氣體的純度，需要在SF6氣體絕緣設(shè)備氣室中配置一定量的吸附劑，一方面用于控制氣室內(nèi)的水分含量，另一方面用于吸附因各種原因產(chǎn)生的雜質(zhì)氣體。但是，用于存放吸附劑的裝置在設(shè)計方面有不足之處，經(jīng)常有脫焊、掉落問題的發(fā)生[1]。對于垂直布置的斷路器，可能會造成吸附劑罩四周脫焊從而掉落引起電場畸變，甚至是導(dǎo)體之間發(fā)生搭接的情況，且每次此類事件發(fā)生的時候都會造成較大的故障，專業(yè)人員難以在第一時間判斷出事故發(fā)生的原因。通過不同帶電檢測技術(shù)及仿真分析可以綜合、準確診斷分析事故發(fā)生的具體原因。

1 故障概述

某110 kV變電站GIS設(shè)備進行了大修工作，對斷路器氣室的檢修內(nèi)容主要包括使用內(nèi)窺鏡檢查拉桿插銷

情況、更換吸附劑和密封圈，檢修工作完成后開展了抽真空、注氣和氣體試驗，氣體試驗結(jié)果合格后進行了交流耐壓試驗，試驗電壓184 kV，結(jié)果合格。試驗完成后對全站GIS設(shè)備進行了投運前的數(shù)次分合調(diào)試工作，隨后開始主變冷備用轉(zhuǎn)運行操作，操作時故障斷路器帶合110 kV Ⅱ母運行，在斷路器首次合閘瞬間發(fā)生故障，對側(cè)斷路器跳閘。

根據(jù)如圖1及圖2的故障錄波分析，斷路器氣室發(fā)生三相短路故障，故障電流A相5 330 A、B相5 789 A、C相5 503 A，三相對稱故障未產(chǎn)生零序電流，故障前母線未出現(xiàn)明顯過電壓情況，故障回路切除8 s后監(jiān)控后臺分別報出斷路器氣室SF6氣體壓力降低和閉鎖報警信號。

圖1 故障回路電流錄波圖

圖2 Ⅱ母母線電壓錄波圖

2 故障原因診斷

根據(jù)工程運行經(jīng)驗及相關(guān)文獻資料[2-4]，GIS斷路器設(shè)備內(nèi)部放電故障原因主要有以下幾點：

1）GIS金屬殼體在加工過程打磨不精細或者運輸中磕碰造成的內(nèi)部存在的金屬突起、焊疤、毛刺。

2）工廠裝配或現(xiàn)場安裝環(huán)境控制不力，造成的GIS內(nèi)部混入的雜物或自由微粒。

3）絕緣件材質(zhì)本身存在質(zhì)量問題，例如絕緣件表面破壞，澆筑有雜質(zhì)，環(huán)氧樹脂內(nèi)部有氣孔，絕緣件受潮，絕緣件表面腐蝕等情況。

4）吸附劑安裝不對，粉塵粘在絕緣件上；密封圈潤滑脂過多，溫度高時融化掉到絕緣件上造成懸浮電位放電等情況。

5）存在異物搭接問題。

6）合閘電阻分閘卡澀未到位燒毀，斷路器靜弧觸頭松動及導(dǎo)體安裝工藝不良發(fā)熱燒融等。

根據(jù)現(xiàn)場事故發(fā)展迅速、猛烈，事故發(fā)生前事故設(shè)備剛經(jīng)過大修，初步考慮事故原因為絕緣缺陷、異物搭接等方面，從而開展了相關(guān)檢測和診斷分析工作。

2.1 現(xiàn)場檢查及解體分析

故障發(fā)生后對故障氣室進行了現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)該氣室防爆膜破裂，氣壓降為0，無法開展氣體組分檢測，進一步打開斷路器上蓋板，發(fā)現(xiàn)氣室內(nèi)部燒蝕噴濺痕跡明顯，三相導(dǎo)體端部邊緣均有不同程度燒熔，如圖3所示。斷路器蓋板內(nèi)部的兩個不銹鋼材質(zhì)吸附劑罩被燒熔，僅有盒子底板在斷路器蓋板上，如圖4所示。新更換的吸附劑（分子篩）灑落在氣室內(nèi)各處，大部分被燒成炭黑色或深褐色，少量呈原始淡黃色。與斷路器共氣室的CT表面、滅弧室以及氣室內(nèi)其它部位均有被熔融物噴濺的痕跡，未發(fā)現(xiàn)明顯的放電痕跡，拉桿等未見異常。

圖3 內(nèi)部分解物

圖4 斷路器蓋板內(nèi)表面

將故障斷路器內(nèi)部導(dǎo)體、滅弧室等解體進一步檢查，發(fā)現(xiàn)穿過CT的A、C相導(dǎo)電桿靠近觸頭側(cè)表面有燒蝕和電弧灼燒的痕跡，B相導(dǎo)體表面有熔融物噴濺痕跡，如圖5所示，CT內(nèi)部三相導(dǎo)體表面附著有不同程度的白色分解物，如圖6所示。A相滅弧室頂部導(dǎo)體表面有一道斜向熏黑痕跡，斷路器頂部蓋板密封圈被部分燒損。

圖5 三相導(dǎo)體端部

圖6 三相導(dǎo)體表面

綜合現(xiàn)場及解體檢查情況，初步判斷故障是由于三相導(dǎo)體端部和吸附劑罩之間發(fā)生擊穿放電導(dǎo)致，造成擊穿的本質(zhì)原因是局部場強超過設(shè)計臨界值，造成局部場強過大的原因可能為三相導(dǎo)體端部和吸附劑罩之間存在雜質(zhì)異物或者吸附劑罩掉落等。

2.2 X射線檢測

為進一步確認斷路器氣室在設(shè)備反復(fù)動作后內(nèi)部吸附劑罩狀態(tài)，對站內(nèi)除2號主變間隔82斷路器外（拍攝位置不佳）的非故障相斷路器進行了X射線檢測。斷路器氣室上部局部結(jié)構(gòu)剖面圖如圖7所示，由圖可見吸附劑罩水平方向有蓋板法蘭和蓋板螺絲，受該部位結(jié)構(gòu)限制，水平方向的射線檢測僅能分辨吸附劑罩大致輪廓，檢測結(jié)果顯示被測5臺非故障相斷路器在反復(fù)動作后其吸附劑罩未見有明顯脫焊或脫離蓋板的情況，其中一相射線圖譜如圖8所示。

圖7 斷路器局部結(jié)構(gòu)圖

圖8 相鄰非故障斷路器射線圖譜

2.3 分解物成分分析

故障后氣室內(nèi)部灑落了大量吸附劑及其分解物，筒體內(nèi)壁和導(dǎo)體表面附著了大量白色分解物，為明確各類分解物成分元素，將新吸附劑顆粒、A相導(dǎo)體與CT連接處熔渣、C相導(dǎo)體處熔渣、C相導(dǎo)體處灑落的吸附劑顆粒、斷路器底部C相導(dǎo)體附近處熔渣、CT主變側(cè)表面粉狀物取樣，分別編號樣品①、樣品②、樣品③、樣品④、樣品⑤和樣品⑥，在掃描電鏡下進行形貌和能譜分析。

2.3.1 樣品①形貌和能譜分析

樣品①為新吸附劑，經(jīng)查其材料為分子篩，主要成分為硅鋁酸鹽，掃描電鏡下放大50倍、200倍、1 000倍的形貌如圖9所示，能譜分析結(jié)果顯示其主要元素為O、Si、Al、Na、C，元素區(qū)域平均含量分別為52.69%、16.99%、11.65%、9.91%、6%，均為分子篩的主要構(gòu)成元素，未見其它異常元素。

圖9 樣品①掃描電鏡形貌

2.3.2 樣品②形貌和能譜分析

樣品②為A相導(dǎo)體與CT連接處熔渣，掃描電鏡下放大100倍、500倍、700倍的形貌如圖10所示，能譜分析結(jié)果顯示其主要成分為F、Fe、C、Cr，元素區(qū)域平均含量分別為49.49%、26.67%、9.28%、8.66%，與SF6氣體、導(dǎo)體和筒體和吸附劑罩主要構(gòu)成元素一致，未見其它異常元素。

圖10 樣品②掃描電鏡形貌

同理，對其他4組樣品進行了形貌和能譜分析，掃描電鏡形貌和能譜分析結(jié)果顯示各類分解物主要構(gòu)成元素與氣室內(nèi)固有組部件構(gòu)成元素一致，未發(fā)現(xiàn)其它異常元素，表明故障時氣室內(nèi)不含其它元素的物質(zhì)參與。

2.4 電場仿真

斷路器分合操作時會產(chǎn)生較大的機械振動，對于垂直布置的斷路器，可能會造成吸附劑罩四周脫焊從而掉落引起電場畸變的情況，因此本文對126 kV三相共箱垂直分布斷路器吸附劑罩脫落時可能會產(chǎn)生的幾種工況進行了仿真計算，分別為正常運行時、單個吸附劑罩因脫焊而傾斜時、兩個吸附劑罩均因脫焊而傾斜時、一個吸附劑罩脫焊傾斜另一吸附劑罩完全脫落、單個吸附劑顆粒因吸附劑罩脫焊而掉落懸浮在氣體環(huán)境中時。仿真計算過程如下。

2.4.1 仿真模型建立

根據(jù)故障斷路器設(shè)計尺寸，截取滅弧室及以上部位在comsol軟件中建立電場仿真模型，如圖11所示。

圖11 電場仿真模型

仿真模型的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置如表1，斷路器額定電壓為126 kV，經(jīng)仿真計算得到正常運行時電場分布如圖12所示，得到運行電壓下最大場強出現(xiàn)在C相導(dǎo)體CT側(cè)出線導(dǎo)電桿靠近B相導(dǎo)體附近，最大場強值為3.78 kV/mm。

圖12 正常運行時電場分布

表1 電場仿真模型參數(shù)

2.4.2 GIS內(nèi)部臨界擊穿場強

根據(jù)設(shè)備廠家提供的信息，ZF12-126（L）型斷路器在0.6 MPa氣壓下內(nèi)部許用場強設(shè)計值≤28 kV/mm。

2.4.3 仿真計算結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場故障情況，建立單個吸附罩傾斜60°、兩個吸附劑罩均傾斜60°、一個吸附劑罩傾斜60°、另一吸附劑罩完全脫落懸浮、單個吸附劑顆粒掉落四種工況下的模型并仿真計算，得到的結(jié)果如下：

1）斷路器正常運行時，筒體內(nèi)最大場強出現(xiàn)在C相導(dǎo)體CT側(cè)出線導(dǎo)電桿靠近B相導(dǎo)體附近，最大場強值為3.78 kV/mm，遠小于許用場強設(shè)計值，設(shè)備安全運行。

2）單個吸附劑罩因脫焊但未完全脫落而發(fā)生傾斜時，導(dǎo)體表面電場分布會受其影響，最大場強有增大趨勢但未超過設(shè)計值，放電概率較??；當兩個吸附劑罩均脫焊且未完全脫落而發(fā)生傾斜時，其對導(dǎo)體表面電場分布的影響進一步增加，最大場強也繼續(xù)增大但未超過設(shè)計值，放電概率仍較?。辉谙鄬乐氐那闆r下，其中一個吸附劑罩傾斜、另一吸附劑罩脫落懸浮在導(dǎo)體和蓋板之間時，導(dǎo)體表面電場分布將超過內(nèi)部許用場強設(shè)計值，從而可能導(dǎo)致氣隙擊穿故障。

3）在單顆吸附劑掉落懸浮于導(dǎo)體和蓋板之間時，導(dǎo)體表面電場分布發(fā)生改變，最大場強增大，但未超過許用場強設(shè)計值，放電概率較小。

3 故障原因分析

1）本次故障現(xiàn)象為斷路器三相導(dǎo)體端部和吸附劑罩之間發(fā)生擊穿放電，引起線路距離保護動作、隔離故障。斷路器氣室防爆膜破裂泄壓，氣室內(nèi)部燒蝕噴濺痕跡明顯，上端蓋板兩個吸附劑罩被完全燒熔，三相導(dǎo)體端部邊緣均有不同程度燒熔，A相和C相導(dǎo)體CT側(cè)出線導(dǎo)電桿觸頭處被燒熔后露出彈簧觸指，吸附劑灑落在氣室內(nèi)各處，大部分成炭黑色或深褐色。

2）X射線檢測結(jié)果顯示，非故障相斷路器在反復(fù)動作后其吸附劑罩未見有明顯脫焊或脫離蓋板的情況。

3）掃描電鏡形貌和能譜分析結(jié)果顯示，新吸附劑顆粒和筒體內(nèi)各類分解物主要構(gòu)成元素與氣室內(nèi)固有組部件構(gòu)成元素一致，未發(fā)現(xiàn)其它異常元素，表明故障時氣室內(nèi)無含其它元素的物質(zhì)參與。

4）電場仿真分析結(jié)果顯示，正常運行工況、存在吸附劑顆粒、單個吸附劑罩因脫焊而發(fā)生傾斜和兩個吸附劑罩均發(fā)生傾斜時，筒體內(nèi)部最大電場強度未超過設(shè)計值，放電概率較??；極端情況下當一個吸附劑罩傾斜、另一吸附劑罩脫落懸浮時，內(nèi)部電場強度超過設(shè)計值，從而可能導(dǎo)致氣隙擊穿故障。

5）根據(jù)相似故障分析文獻可以知道吸附劑裝置是電場薄弱環(huán)節(jié)，且存在設(shè)計缺陷，經(jīng)常有脫焊、掉落問題的發(fā)生，且每次此類事件發(fā)生的時候都會造成較大的故障，本次事故發(fā)生的現(xiàn)象符合吸附劑罩掉落至三相導(dǎo)體之間，造成導(dǎo)體三相短路。

4 結(jié)論

結(jié)合故障現(xiàn)象及上述分析過程，推測造成本次故障的原因是：在斷路器投運前反復(fù)試分合動作的機械振動沖擊下，故障斷路器上端蓋板處吸附劑罩焊點松動脫落，在投運合閘瞬間，吸附劑罩掉落至三相導(dǎo)體之間，造成導(dǎo)體三相短路，短路電弧對另一屏蔽罩放電并將兩個屏蔽罩全部燒熔。

5 建議

1）加強設(shè)備檢修階段的工藝管控及技術(shù)監(jiān)督工作，對利用焊接工藝處理的吸附劑罩進行重點關(guān)注，同時按規(guī)定要求開展投運前的交流耐壓試驗和相關(guān)檢查確認工作，確保檢修質(zhì)量。

2）斷路器分合操作后，加強對吸附劑罩等部件的檢查工作，確保各部件處于正常運行位置。

3）針對潛在的吸附劑罩脫焊情況，建議檢修工作中重點關(guān)注吸附劑罩焊點情況，對可能發(fā)生脫焊的吸附劑罩進行更換，進一步提升設(shè)備運行可靠性。

4）對具有相同屏蔽罩結(jié)構(gòu)的設(shè)備進行排查，并結(jié)合設(shè)備技改大修工程進行吸附劑罩更換，更換時盡量采用一體成型的屏蔽罩結(jié)構(gòu)，避免類似故障重復(fù)發(fā)生。