一起220 kV組合電器絕緣擊穿故障原因及分析

馬 凱,黃偉民,謝 佳,黃道均,楊乃旗

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司檢修分公司,安徽 合肥 230009;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司,安徽 合肥 231200)

0 引言

在變電站中,SF6封閉式組合電器(gas insulated switchgear,GIS)是除變壓器外的一次設(shè)備,包括斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進(jìn)出線套管等,經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)有機(jī)組合成一個(gè)整體。由于帶電部分全部密封于惰性無毒的SF6氣體中,不與外部接觸,不受外部環(huán)境影響,具有優(yōu)良的抗地震性能,由于金屬外罩的屏蔽作用,可最大程度減少無線電干擾和噪聲干擾,大大提高了可靠性和安全性。由于實(shí)現(xiàn)小型化,可在工廠內(nèi)進(jìn)行整機(jī)裝配和試驗(yàn)合格后,以單元或間隔形式運(yùn)達(dá)現(xiàn)場(chǎng),可縮短現(xiàn)場(chǎng)安裝工期并節(jié)約土地資源。因其結(jié)構(gòu)布局合理,滅弧系統(tǒng)先進(jìn),大大提高了產(chǎn)品的使用壽命,另外,檢修周期長(zhǎng)、維修工作量小,因此日常維護(hù)方便[1-3]。但組合電器在制造、組裝及運(yùn)行過程中,內(nèi)部可能產(chǎn)生一些缺陷,特別是在組合電器發(fā)生故障時(shí),因其所有元件均處于密閉金屬殼體內(nèi),無法直接觀察設(shè)備內(nèi)部狀態(tài),導(dǎo)致無法快速、準(zhǔn)確定位故障點(diǎn),需要通過耐壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)或SF6分解物測(cè)試等方法進(jìn)行分析[4-9]。即使確定內(nèi)部故障點(diǎn)也需要經(jīng)過SF6氣體回收、抽真空、注氣、靜置、耐壓等諸多工序。雖然純凈的SF6氣體無毒,但若SF6氣體中含有雜質(zhì),且與絕緣材料、電極接觸時(shí),部分SF6產(chǎn)物會(huì)與這些物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),生成劇毒的低氟化合物,極微量的SF6分解物即可致人死亡并危害設(shè)備安全,所以在處理涉及回收放電后的SF6氣體缺陷等必須進(jìn)行接觸性工作時(shí),應(yīng)使用防毒面具,穿戴專用服帽,并戴上眼鏡,以避免與SF6氣體接觸。因此組合電器的故障影響面積大,后果嚴(yán)重,處理難度高、工序復(fù)雜,維修時(shí)間長(zhǎng),危險(xiǎn)性較高[10-16]。

1 故障概述

某500 kV新建變電站220 kV設(shè)備采用SF6全封閉組合電器,生產(chǎn)廠家為山東泰開高壓開關(guān)有限公司,型號(hào)為ZF16-252(L),出廠日期為2017年8月,采用雙母線雙分段主接線方式,其優(yōu)點(diǎn)是任意一段母線發(fā)生故障時(shí),可跳閘范圍縮小至220 kV區(qū)域的1/4,另外3條沒有故障的母線可保持正常運(yùn)行,如圖1所示。

圖1 220 kV雙母線雙分段接線

該組合電器于2018年5月11日投入運(yùn)行,按照既定啟動(dòng)方案,利用220 kV峨繁4D94線為220 kV IA母線充電,然后合上4100斷路器及兩側(cè)隔離開關(guān)為220 kV IB母線充電。11：34在220 kV IB母線啟動(dòng)充電過程中220 kV I母線分段4100斷路器跳閘,調(diào)閱故障錄波如圖2所示,故障發(fā)生在A相,故障前流經(jīng)4100斷路器的電流為零,事故發(fā)生后該電流約為6000 A。

圖2 故障錄波

2 故障分析

220 kV母線分段4100斷路器跳閘后,技術(shù)人員迅速開展故障分析,精確定位故障點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)檢查,組合電器所有氣室SF6氣體壓力正常,220 kV IA母線、位于220 kV IA母線的220 kV峨繁4D94線路及斷路器正常運(yùn)行,同時(shí)故障錄波顯示,故障點(diǎn)位于A相,因此可判斷故障點(diǎn)位于220 kV母線分段41002隔離開關(guān)或220 kV IB母線及其附屬設(shè)備A相。仔細(xì)查看圖2故障錄波圖可知,在220 kV母線分段4100斷路器合上約30 s后發(fā)生跳閘,設(shè)備極有可能發(fā)生絕緣擊穿。對(duì)懷疑可能放電的氣室進(jìn)行SF6分解物測(cè)量是準(zhǔn)確判斷故障位置的有效手段。因此技術(shù)人員使用ATSF903型SF6分解物測(cè)試儀對(duì)220 kV母線分段41002隔離開關(guān)或220 kV IB母線及其附屬設(shè)備氣室開展分解物測(cè)試,其中220 kV IB母線壓變48007隔離開關(guān)/220 kV IB母線20210接地開關(guān)氣室的SF6分解物明顯超標(biāo),如圖3所示。由圖3可知,該氣室SF6分解物中H2S、CO、SO2等含量明顯超標(biāo),可明確判定220 kV IB母線壓變48007隔離開關(guān)/220kV IB母線20210接地開關(guān)氣室發(fā)生絕緣擊穿,導(dǎo)致220 kV母線分段4100斷路器過流保護(hù)動(dòng)作,進(jìn)而引發(fā)4100斷路器跳閘。

圖3 SF6分解物測(cè)試

2018年5月13日,技術(shù)人員采取相應(yīng)的安全措施后對(duì)220 kV IB母線壓變48007隔離開關(guān)/220 kV IB母線20210接地開關(guān)氣室開罐檢查,發(fā)現(xiàn)該氣室A相內(nèi)部殼體存在黑色燒蝕痕跡,48007隔離開關(guān)觸頭表面存在大量白色粉末狀物質(zhì),屬于明顯的絕緣擊穿故障特征,如圖4所示。2018年5月18日—28日完成故障氣室更換,異常原因待故障設(shè)備后續(xù)返廠分析后確定。

圖4 故障氣室內(nèi)部擊穿部位

3 原因分析

故障氣室的所在位置如圖5所示。由圖5可知,220 kV IB母線壓變48007隔離開關(guān)和220 kV IB母線20210接地開關(guān)位于同一氣室。

圖5 故障氣室位置

2018年5月30日,技術(shù)人員對(duì)故障氣室A相進(jìn)行拆解分析。

a.對(duì)故障氣室的220 kV IB母線20210接地開關(guān)拐臂盒進(jìn)行拆解,檢查內(nèi)部情況,如圖6所示。從拆除的接地拐臂盒殼體端口處觀察,腔體內(nèi)部均勻分布著白色粉末狀分解產(chǎn)物;下端絕緣子凸面顏色發(fā)黑,殘留黑色粉末及灰白色粉末,有明顯閃絡(luò)放電痕跡。

圖6 220 kV IB母線20210接地開關(guān)拐臂盒拆解

b.對(duì)故障氣室的220 kV IB母線壓變48007隔離開關(guān)拐臂盒、中間觸頭進(jìn)行拆解,檢查內(nèi)部情況如圖7所示。由圖7(a)可知,隔離開關(guān)絕緣拉桿有明顯燒蝕;由圖7(b)可知,隔離開關(guān)中間觸頭底部與絕緣子連接處有明顯燒蝕痕跡,以上燒傷痕跡是由電弧高溫?zé)g造成。

圖7 220 kV IB母線壓變48007隔離開關(guān)檢查內(nèi)部情況

c.將絕緣拉桿回裝于隔離裝配單元內(nèi)部,升壓至460 kV,維持壓力1 min進(jìn)行耐壓試驗(yàn),無放電現(xiàn)象,如圖8所示。

圖8 絕緣拉桿耐壓試驗(yàn)

d.如果氣室內(nèi)部的隔離開關(guān)或接地開關(guān)各觸頭鍍銀層厚度不夠,會(huì)導(dǎo)致接觸電阻增大,在分合閘過程中可能導(dǎo)致過熱,進(jìn)而引發(fā)放電擊穿,因此有必要對(duì)各觸頭的鍍銀層厚度進(jìn)行檢測(cè)。利用XL2-980-92544 型高精度合金分析儀開展鍍銀層厚度檢測(cè)。調(diào)整檢測(cè)器鍍層材質(zhì)為銀,將檢測(cè)器緊密卡在導(dǎo)電部件表面,穩(wěn)定2 s,測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示,試驗(yàn)合格。

表1 鍍銀層厚度檢測(cè) 單位：μm

e.組合電器各裝配單元內(nèi)的零部件尺寸設(shè)計(jì)需要綜合考慮安全距離、電場(chǎng)分布等因素,各零部件的尺寸如果配合不當(dāng)或裝配誤差過大都有可能導(dǎo)致設(shè)備絕緣擊穿。根據(jù)圖紙技術(shù)要求,利用游標(biāo)卡尺、卷尺、直角尺等對(duì)隔離裝配單元的殼體、動(dòng)靜觸頭、屏蔽罩尺寸等進(jìn)行測(cè)量,所有測(cè)量值均合格,如表2所示。

表2 尺寸測(cè)量值 單位：mm

f.隔離開關(guān)靜觸頭內(nèi)存在壓痕,需要進(jìn)行隔離開關(guān)分合閘極限位置的分析驗(yàn)證,如圖9所示。

圖9 隔離開關(guān)分合閘位置

隔離斷口開距為(110±3)mm,隔離動(dòng)觸頭行程為(153±2)mm。分閘位置動(dòng)觸頭縮進(jìn)屏蔽罩(4±1)mm,計(jì)算插入量(合閘位置時(shí),動(dòng)觸頭進(jìn)入靜觸頭深度)為39 mm,而實(shí)際靜觸頭斷面距離靜觸頭斷面超過50 mm;即實(shí)際動(dòng)觸頭合閘極限位置也達(dá)不到靜觸頭底部端面;排除了隔離動(dòng)觸頭合閘過位導(dǎo)致靜觸頭壓痕的可能;此處壓痕產(chǎn)生的原因?yàn)殪o觸頭裝配時(shí),需要工裝導(dǎo)體校正;工裝導(dǎo)體人力壓入,難以控制深度,導(dǎo)體底部可觸及靜觸頭底部形成壓痕。

綜上分析故障原因如下。

a.盆式絕緣子、絕緣拉桿經(jīng)過耐壓及局部放電、X射線探傷均無異常;為合格產(chǎn)品,無質(zhì)量缺陷,可排除其造成設(shè)備異常的可能。

b.隔離裝配單元內(nèi)部導(dǎo)電部件的鍍銀層厚度在合理范圍內(nèi),滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由于導(dǎo)件部件表面鍍銀工藝最表層的部分鍍銀附著力相對(duì)較差,產(chǎn)品出廠前均進(jìn)200 次的動(dòng)作試驗(yàn),去除導(dǎo)電部件接觸區(qū)域最表層的附著力較差的銀,剩余的鍍銀層性能可靠;動(dòng)作試驗(yàn)完成后開蓋清理,所以設(shè)備中的導(dǎo)電部件接觸區(qū)鍍銀層比未接觸區(qū)的鍍銀層相對(duì)低一些。以上分析排除了鍍銀層厚度造成設(shè)備異常的可能。

c.隔離裝配單元各部件的尺寸均合格,無加工超差現(xiàn)象,可以排除零部件尺寸精度造成設(shè)備異常的可能。

d.隔離裝配單元不存在分合閘欠過位的情況;可排除隔離開關(guān)分合閘位置不到位造成設(shè)備異常的可能。

排除以上可能造成異常的原因,結(jié)合采樣品粉末檢測(cè)報(bào)告結(jié)果,采樣粉末主要成分為F和Al(F為SF6分解產(chǎn)生,Al來自內(nèi)部觸頭),另含少量的Si、Cu、S等?？膳卸ü收蠁卧l(fā)生異常放電的原因?yàn)橛|頭內(nèi)部殘存著細(xì)微的金屬顆粒異物,廠內(nèi)安裝及試驗(yàn)時(shí)均未發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)場(chǎng)操作或帶電運(yùn)行時(shí),受到機(jī)械振動(dòng)或電場(chǎng)影響,掉落到氣室下部的盆式絕緣子上,該盆式絕緣子表面局部電場(chǎng)畸變,當(dāng)畸變達(dá)到一定程度時(shí),發(fā)生絕緣擊穿,最終導(dǎo)致一次接地。在內(nèi)部電弧作用下,絕緣子表面被燒黑,內(nèi)部觸頭被嚴(yán)重?zé)g。金屬觸頭燒蝕形成不規(guī)則的金屬燒熔顆粒,濺落至絕緣子表面;同時(shí)氣室內(nèi)部急劇升溫導(dǎo)致SF6氣體分解,產(chǎn)生大量白色粉末,附著于殼體內(nèi)部各部件表面。

4 預(yù)防措施

《國(guó)家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》12.1.1.5明確規(guī)定,斷路器、隔離開關(guān)和接地開關(guān)出廠試驗(yàn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行不少于200次機(jī)械操作試驗(yàn),以保證觸頭充分磨合,200次操作完成后應(yīng)徹底清潔殼體內(nèi)部,再進(jìn)行其他出廠試驗(yàn)。而通過將故障單元解體試驗(yàn)、化驗(yàn)和測(cè)量得出該組合電器在啟動(dòng)送電故障后擊穿原因是由于其內(nèi)部有細(xì)微的金屬顆粒,事故暴露出設(shè)備制造單位未嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)工藝管控要求。雖然目前現(xiàn)場(chǎng)的故障單元已完成更換,但為杜絕其他設(shè)備發(fā)生類似事故,設(shè)備運(yùn)維管理單位已加強(qiáng)在運(yùn)設(shè)備的巡查,每年開展1次局部放電檢測(cè)。設(shè)備制造單位也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)車間裝配人員進(jìn)行強(qiáng)化培訓(xùn),嚴(yán)格執(zhí)行裝配工藝。特別針對(duì)零部件清潔情況,通過專職質(zhì)檢員和車間工藝巡檢對(duì)執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)督及考核。

5 結(jié)語

本次組合電器擊穿故障發(fā)生在新投運(yùn)設(shè)備啟動(dòng)送電過程中,給正常的生產(chǎn)運(yùn)行造成重大影響,是一起由于組裝工藝執(zhí)行不嚴(yán)格造成的設(shè)備隱患。為了吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),防止類似故障發(fā)生,在組合電器的制造組裝環(huán)節(jié)要嚴(yán)格落實(shí)工藝管控要求。