一起550 kV斷路器放電案例分析

和曉輝，邱鵬鋒，毛興，何順，胡廣富，譚向宇，彭兆裕

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650127；2. 云南電網(wǎng)有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000；）

0 前言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，全社會對電力供應(yīng)的需求量越來越大，因此電網(wǎng)的建設(shè)規(guī)模也越來越大，系統(tǒng)的負荷電流和短路電流也隨著增大，對斷路器的開斷能力提出了更高的要求。一定壓力下的SF6氣體具有極高的電氣強度和良好的物理化學(xué)性能，是目前人類找到的最理想的絕緣和滅弧介質(zhì)，其在均勻電場下的擊穿場強約為空氣擊穿場強的2.5 倍，其滅弧能力則為空氣的100 倍以上[1]。因此，SF6氣體斷路器廣泛應(yīng)用于35 kV 及以上的電力系統(tǒng)中[2]。

SF6氣體罐式斷路器采用金屬材料作為外殼，將動、靜態(tài)觸頭和滅弧室等元器件封裝在金屬外殼內(nèi)，采用一定壓力的SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，正常運行條件下具有不受外界環(huán)境干擾、運行維護工作量少、滅弧性能穩(wěn)定等優(yōu)點[3-5]。但當斷路器本體內(nèi)部發(fā)生放電故障時，其全密封結(jié)構(gòu)導(dǎo)致故障位置難以發(fā)現(xiàn)和修復(fù)，搶修工作量大，涉及事故范圍廣，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[6-13]。因此有必要深入研究SF6氣體斷路器內(nèi)部放電故障的機理并提出對應(yīng)的防范措施。

本文主要介紹了一起550 kV 罐式斷路器氣隙放電案例，通過對放電部位進行解體檢查及電場計算分析明確了放電產(chǎn)生的原因和基本過程，并提出了相對應(yīng)的防范措施。

1 故障概況

該500 kV 變電站為敞開式AIS 站， 其500 kV 側(cè)的主接線形式為二分之三接線，如圖1 所示。500 kV 側(cè)第四串靠近Ⅱ母側(cè)的5743 斷路器為罐式SF6氣體斷路器，其運行的額定壓力為0.56 MPa。2012 年生產(chǎn)，2015 年1 月23日投入運行。

圖1 500 kV側(cè)主接線示意圖

2022 年11 月22 日該500 kV 站500 kV Ⅱ母側(cè)B 線定檢工作結(jié)束后開展線路復(fù)電工作。21 時34 分23 秒, 合上500 kV B 線5743 斷路器靠Ⅱ母側(cè)57432 隔離開關(guān)時，動觸頭與靜觸頭接觸前發(fā)出明亮弧光并伴隨異響，對57432隔離開關(guān)進行外觀檢查，隔離開關(guān)導(dǎo)電部分、絕緣子、傳動部分未發(fā)現(xiàn)異常，動觸頭均壓環(huán)掉落。500 kV Ⅱ母第一套、第二套母差保護、500 kV 多平甲線主一、主二保護動作，跳開500 kV Ⅱ母5713、5722、5753、5703 斷路器，跳閘未造成變電站失壓和負荷損失。圖2 為500 kVⅡ母第一套母線保護裝置故障錄波波形圖。

圖2 故障錄波圖

由圖可知，B 相產(chǎn)生差流，二次幅值高達14.8 A，遠大于差動保護動作定值，故障電流由5713、5722、5753 三臺斷路器提供。綜合可知在斷路器內(nèi)部、斷路器斷口靠近500 kV Ⅱ母側(cè)發(fā)生B 相接地故障。

對5743 斷路器進行氣體成分檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)5743 斷路器B 相SF6氣體成分中SO2試驗檢測值為51.2 μL/L，超過規(guī)程規(guī)定的注意值3 L/L，H2S、CO、HF、CF4的試驗檢測值滿足規(guī)程要求，檢測結(jié)果見圖3，因此判斷5743 斷路器B 相內(nèi)部存在高能量的放電故障。5743 斷路器A、C 相氣體成分檢測值均在規(guī)程規(guī)定的注意值之內(nèi)。根據(jù)測試結(jié)果可得初步的事故結(jié)論為：5473 斷路器B 相內(nèi)部發(fā)生嚴重放電故障。后續(xù)需將斷路器進行解體進一步明確放電類型及放電原因。

圖3 氣體檢測結(jié)果

2 斷路器檢查

2.1 X射線檢測

2022 年11 月23 日晚，對5743 斷路器B相（故障相）關(guān)鍵部位開展了X 射線檢查，具體結(jié)果如圖4 所示，通過檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，具體情況待5743 斷路器B 相氣體回收后，開蓋利用內(nèi)窺鏡進一步檢查。

圖4 X射線檢測結(jié)果

2.2 開蓋檢查

2022 年11 月25 日，對5743 斷路器B 相（故障相）進行開蓋，開蓋位置為左右兩邊的下蓋板，如圖5 所示。用內(nèi)窺鏡對兩側(cè)的內(nèi)部構(gòu)件進行檢查，從開蓋位置1 處結(jié)果無明顯異常，開蓋位置2 處的檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)明顯的異常，結(jié)果如圖6 所示。

圖5 開蓋位置示意圖

圖6 5743斷路器B相開蓋檢查圖

圖7 5743斷路器B相內(nèi)部粉末及異物圖

由圖不難發(fā)現(xiàn)，套管內(nèi)導(dǎo)電桿與套管內(nèi)壁屏蔽罩上均有明顯的燒蝕痕跡，此外在氣室內(nèi)發(fā)現(xiàn)白色粉末，成分檢測發(fā)現(xiàn)為鋁和氟的化合物，判斷為放電時SF6氣體分解的產(chǎn)物，斷路器氣室內(nèi)底部分布熔點印記，為上部放電時熔融物掉落所致；并在5743 斷路器B 相底部發(fā)現(xiàn)兩段長約3 cm 的異物，后經(jīng)化學(xué)成分檢測證實為鋁材質(zhì)。根據(jù)廠家提供資料，調(diào)整塊和導(dǎo)電桿的材質(zhì)為6082 鋁合金，屏蔽罩的材質(zhì)為1060鋁合金，過渡板的材質(zhì)為5083 鋁合金。對異物進行能譜分析金屬元素只檢測到鋁元素，推斷異物可能來源于屏蔽罩（1060 鋁合金）。

從上述的檢查結(jié)果可初步判定，本次放電事故為金屬異物引起的套管內(nèi)部導(dǎo)桿到屏蔽罩內(nèi)壁之間的SF6氣隙放電，具體的放電位置如圖8 所示。

圖8 放電位置示意圖

3 原因分析

3.1 電場仿真分析

根據(jù)上述的解體分析和異物粉末的材質(zhì)檢測結(jié)果，可以判定本次短路事故是由金屬異物導(dǎo)致的母線側(cè)套管內(nèi)中心導(dǎo)桿與套管內(nèi)壁屏蔽罩之間的SF6氣體間隙放電。為了更好地分析放電過程，得到故障位置處的電場分布情況，建立了圖9 中右部的幾何模型，由于只關(guān)注故障位置處的電場分布情況，對幾何模型進行了簡化處理，忽略了屏蔽罩內(nèi)壁上圓形微孔等細節(jié)部件的影響。

圖9 仿真幾何模型示意圖

利用COMSOL 多物理場仿真軟件靜電部分中的AC/DC 模塊進行電場仿真分析，由于屏蔽罩為金屬材料，金屬材料在處于靜電平衡時內(nèi)部電場處處為零，因此模型中只考慮了屏蔽罩內(nèi)壁的邊界。中心導(dǎo)桿為金屬材料，導(dǎo)桿施加幅值為408.2 kV 正弦變化的運行電壓，將屏蔽罩內(nèi)壁接地，電勢為零；其余空間填充SF6氣體，其相對介電常數(shù)設(shè)置為1.002。

首先進行了正常運行條件下的電場分布計算，截取某平面上的電場分布和電勢分布，結(jié)果如圖10 所示。由圖可知正常運行時中心導(dǎo)桿附近場強較為集中，但最大場強不超過6.65 kV/mm-1，而查閱相關(guān)文獻得到不同壓力下SF6氣體的臨界擊穿場強如下表1 所示[13]，該斷路器的額定壓力為0.56 MPa，因此其擊穿場強在50 kV/mm 附近，所以正常運行的情況下不會發(fā)生放電現(xiàn)象。

表1 SF6氣體擊穿的臨界場強

圖10 正常情況下的電場與電勢分布圖

現(xiàn)考慮套管內(nèi)存在金屬異物的情況，由于現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)了長3 cm，寬3 mm，厚度1 mm 的金屬薄片，故仿真模型中設(shè)置的金屬異物為長3 cm，寬3 mm，厚度1 mm 的長方形金屬異物。首先考慮金屬異物由于某種原因從上到下掉落的狀態(tài)，異物與導(dǎo)桿和屏蔽罩內(nèi)壁均不接觸，即異物處于懸浮電位的狀態(tài)。將異物的位置設(shè)置在放電通道上，考慮異物的兩種狀態(tài)：長端豎直和水平，異物與屏蔽罩內(nèi)壁的距離由近及遠。對上述狀態(tài)進行仿真分析，結(jié)果如圖11 和12 所示。

圖11 異物處于豎直懸浮狀態(tài)電場分布

由圖不難發(fā)現(xiàn)以下兩點：

1）相同位置，異物處于水平位置時的電場畸變要大于豎直位置，異物處于其它角度時的電場畸變值在二者之間；

2）相同狀態(tài)時，異物越靠近導(dǎo)桿位置處，場強畸變越嚴重，圖11 中的d、e、f 和圖12中的c、d、e、f 的電場最大畸變值均超過了50 kV/mm。

圖12 異物處于水平懸浮狀態(tài)電場分布

現(xiàn)考慮金該屬異物附著在屏蔽罩內(nèi)壁上，即金屬異物與屏蔽罩接觸且同為地電位，圖13 是金屬異物處于豎直狀態(tài)并附著在屏蔽罩內(nèi)壁時的電場分布。不難發(fā)現(xiàn)金屬異物朝導(dǎo)桿的一端尖端處電場發(fā)生了畸變，最大畸變值為13.7 kV/mm，遠小于50 kV/mm。

圖13 金屬異物豎直附著狀態(tài)電場分布

考慮金該屬異物處于水平狀態(tài)并附著在屏蔽罩內(nèi)壁時，由于屏蔽罩內(nèi)壁上有圓形孔，異物可能部分在內(nèi)壁朝導(dǎo)桿的氣隙里，部分在內(nèi)壁朝外部瓷套的氣隙里，因此考慮了異物處于內(nèi)壁朝導(dǎo)桿氣隙里不同長度時的電場分布，結(jié)果見圖14。不難發(fā)現(xiàn)金屬異物朝導(dǎo)桿的一端尖端處電場發(fā)生了畸變，長度越長畸變越嚴重，f中場強最大畸變值達到了49.5 kV/mm。

圖14 金屬異物水平附著狀態(tài)電場分布

3.2 放電過程分析

根據(jù)斷路器解體分析結(jié)果可知，本次放電為金屬異物導(dǎo)致的斷路器套管內(nèi)中心導(dǎo)桿對屏蔽罩內(nèi)壁的SF6氣體間隙放電。根據(jù)3.1 小節(jié)的電場仿真結(jié)果分析可知，金屬異物不管以何種方式附著在屏蔽罩內(nèi)壁上，其引起的電場畸變最大值均未超過SF6氣體的臨界擊穿場強值，不會導(dǎo)致放電現(xiàn)象的發(fā)生，而異物在導(dǎo)桿與屏蔽罩內(nèi)壁空間內(nèi)處于懸浮狀態(tài)時，異物離導(dǎo)桿較近時電場畸變值超過了臨界場強，會導(dǎo)致異物尖端產(chǎn)生放電。

在斷路器處于冷備用狀態(tài)時，金屬異物附著在屏蔽罩內(nèi)壁上，當其相鄰的隔離開關(guān)合上時，斷路器靠近隔離開關(guān)部分的導(dǎo)桿帶電，對附著于內(nèi)壁上的金屬異物產(chǎn)生電場力，金屬異物在突然施加的電場力與重力的共同作用下朝著導(dǎo)桿方向斜向下運動，引起電場畸變導(dǎo)致放電事故的發(fā)生。因此，可以得出本次放電事故的詳細過程：

1）引入異物。在斷路器組裝過程中引入外來金屬異物或者斷路器在動作過程中產(chǎn)生金屬碎屑；

2）異物運動。斷路器未帶電時金屬異物附著于屏蔽罩內(nèi)壁，當合上隔離開關(guān)使中心導(dǎo)桿帶電時，瞬間的電場力與重力作用下，異物朝著導(dǎo)桿方向斜向下運動；

3）懸浮放電。當異物運動到離中心導(dǎo)桿某一距離時，異物尖端的電場畸變值超過SF6氣體放電的臨界擊穿場強值，異物尖端處首先產(chǎn)生電暈懸浮放電；

4）流注放電。異物尖端的懸浮放電朝著導(dǎo)桿方向發(fā)展，由于放電距離遠，氣體壓力大，放電從異物尖端的懸浮放電發(fā)展為流注放電，放電通道連接異物與導(dǎo)桿后，金屬異物與導(dǎo)桿均為運行電位，其對屏蔽罩內(nèi)壁為極不均勻電場，放電朝屏蔽罩內(nèi)壁方向發(fā)展；

5）對地放電。當朝著屏蔽罩內(nèi)壁的流注達到內(nèi)壁時，中心導(dǎo)桿直接對屏蔽罩內(nèi)壁放電，即對地放電，產(chǎn)生極大的故障電流，燒蝕導(dǎo)桿和屏蔽罩內(nèi)壁，繼電保護動作斷開故障電流。

圖15 放電過程示意圖

4 結(jié)束語

本文主要針對一起550 kV 罐式斷路器放電案例進行了介紹分析，通過對故障斷路器進行解體分析，同時結(jié)合有限元仿真分析結(jié)果，判定是由金屬異物引起的放電，并通過電場仿真計算，驗證了異物附著于屏蔽罩內(nèi)壁時可能不會導(dǎo)致?lián)舸谥行膶?dǎo)桿帶電瞬間，異物受到電場力和重力的作用發(fā)生運動，在導(dǎo)桿與屏蔽罩內(nèi)壁之間形成懸浮電位引起電場畸變，才是擊穿放電的直接誘因。

為避免此類型放電故障的發(fā)生，結(jié)合本次放電故障案例，提出以下的防范措施：

1）施工單位在設(shè)備安裝、改造等施工過程中應(yīng)按相關(guān)規(guī)程要求采取對應(yīng)的防塵防護措施。嚴禁在防塵等級不符合要求的環(huán)境中安裝氣體封閉設(shè)備。工作結(jié)束后，應(yīng)徹底清洗罐體內(nèi)部；

2）在進行耐壓試驗過程中，應(yīng)嚴格按照規(guī)程中規(guī)定的增壓程序進行老練和耐壓，耐壓通過后進行相應(yīng)的局部放電試驗，在試驗階段就將罐體內(nèi)的金屬異物排查處理，防止帶金屬異物進入運行階段，對其正常運行帶來隱患；

3）針對在運的該型號SF6氣體罐式斷路器進行排查，加強運維監(jiān)督，做到隱患及早發(fā)現(xiàn)及早消除。