GIS盆式絕緣子開裂引起放電故障的原因分析

張丕沛,郭晨瑞,王江偉,李 杰

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250003)

0 引言

盆式絕緣子通常由環(huán)氧樹脂一體澆注而成,在GIS設(shè)備中發(fā)揮著絕緣、支撐、密封的多重作用[1-5]。根據(jù)省內(nèi)近幾年GIS發(fā)生缺陷和故障情況統(tǒng)計(jì)表明,導(dǎo)致設(shè)備故障的大部分原因是盆式絕緣子在生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝等過(guò)程中受損或表面殘留異物,進(jìn)而造成氣體泄漏、局部放電等異常現(xiàn)象,若無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理則極有可能發(fā)展為跳閘事故[6-10]。

文獻(xiàn)[11-14]介紹了幾起GIS盆式絕緣子漏氣、局部放電、擊穿等異常故障案例,通過(guò)解體檢查分析故障原因通常包括盆式絕緣子自身存在內(nèi)部缺陷、現(xiàn)場(chǎng)裝配工藝不良導(dǎo)致盆式絕緣子受損等,但都缺少對(duì)故障過(guò)程的還原及驗(yàn)證過(guò)程;文獻(xiàn)[15-18]分別建立了盆式絕緣子在各種運(yùn)行條件下電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、結(jié)構(gòu)場(chǎng)的仿真模型,可以計(jì)算校核表面最大場(chǎng)強(qiáng)、最大溫升、應(yīng)力分布等多種關(guān)鍵參數(shù),其建模思路可借鑒用于盆式絕緣子相關(guān)異常及故障的分析驗(yàn)證中。

本文介紹了一起GIS內(nèi)盆式絕緣子開裂后漏氣引起的放電故障,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開蓋檢查、探傷試驗(yàn)、理論及仿真計(jì)算,對(duì)盆式絕緣子開裂原因及故障過(guò)程進(jìn)行了分析驗(yàn)證,并提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施。

1 故障概況

某變電站GIS設(shè)備正常運(yùn)行期間,后臺(tái)突然發(fā)出“1號(hào)母線氣室SF6氣體壓力低告警”信號(hào),約8 min后1號(hào)母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,無(wú)負(fù)荷損失?，F(xiàn)場(chǎng)檢查保護(hù)動(dòng)作正確,B 相最大故障電流35.96 k A。故障時(shí)現(xiàn)場(chǎng)天氣晴,氣溫30 ℃,站內(nèi)無(wú)操作及檢修工作。該站組合電器投運(yùn)3年來(lái)各項(xiàng)例行試驗(yàn)及帶電檢測(cè)均未見異常。

故障發(fā)生后,現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)母線B 相1號(hào)氣室伸縮節(jié)法蘭處有明顯漏氣現(xiàn)象,位置如圖1所示,壓力0.03 MPa且仍在持續(xù)下降,初步判斷故障點(diǎn)位于該氣室。

圖1 漏氣位置及故障氣室

2 開蓋檢查情況

對(duì)1號(hào)母線B 相1號(hào)氣室開蓋檢查,發(fā)現(xiàn)伸縮節(jié)法蘭處盆式絕緣子有明顯裂痕,且沿面有放電熏黑痕跡,初步判斷為放電位置。

拆除伸縮節(jié),檢查故障盆式絕緣子,發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子受損破裂,破損位置掉落在殼體底部,如圖2所示。盆式絕緣子下方有一處貫穿性裂紋,裂紋延伸至密封圈外側(cè),判斷氣體泄漏為盆式絕緣子產(chǎn)生貫穿性裂紋導(dǎo)致,如圖3所示。

圖2 盆式絕緣子破損

圖3 盆式絕緣子漏氣通道

盆式絕緣子凸面觸頭座及殼體對(duì)應(yīng)位置有明顯放電燒蝕痕跡,判斷為放電通道。檢查掉落塊,斷面和表面干凈,無(wú)放電痕跡,說(shuō)明絕緣子開裂掉落發(fā)生在絕緣故障之前。

結(jié)合氣體壓力報(bào)警與故障跳閘時(shí)序和現(xiàn)場(chǎng)檢查情況分析,判斷故障過(guò)程為:盆式絕緣子受損開裂導(dǎo)致氣室內(nèi)SF6氣體急速泄漏,壓力降低造成絕緣性能下降,引起觸頭座對(duì)殼體間擊穿放電。

3 盆式絕緣子開裂原因分析

對(duì)故障盆式絕緣子進(jìn)行工業(yè)CT 探傷,除開裂位置外,未見其他明顯氣泡、裂紋等缺陷,從而排除盆式絕緣子自身質(zhì)量問(wèn)題引起開裂。盆式絕緣子開裂通常由異常受力造成,而盆式絕緣子中心與導(dǎo)體相連,外側(cè)固定在殼體上,因此需依次對(duì)殼體側(cè)及導(dǎo)體側(cè)是否存在異常受力情況進(jìn)行分析。

3.1 殼體側(cè)

故障盆式絕緣子所在位置的伸縮節(jié)為橫向補(bǔ)償型,與母線殼體軸向呈垂直布置,利用兩端伸縮節(jié)的有限側(cè)向角度變化(不超過(guò)3°)補(bǔ)償母線軸向熱脹冷縮時(shí)的變形。當(dāng)母線受熱膨脹時(shí),伸縮節(jié)A 左側(cè)壓縮、右側(cè)拉伸,伸縮節(jié)B 左側(cè)拉伸,右側(cè)壓縮,則伸縮節(jié)向左偏轉(zhuǎn);當(dāng)母線受冷壓縮時(shí)反之,如圖4所示。在側(cè)向角度變化量一定的條件下,通過(guò)改變伸縮節(jié)的長(zhǎng)度,滿足不同母線長(zhǎng)度熱脹冷縮變形的需要。若伸縮節(jié)長(zhǎng)度設(shè)置不合理,則當(dāng)母線受熱膨脹導(dǎo)致伸縮節(jié)側(cè)向角度變化超過(guò)3°時(shí),會(huì)在盆式絕緣子上產(chǎn)生異常受力現(xiàn)象。

圖4 橫向補(bǔ)償型伸縮節(jié)原理

被補(bǔ)償母線在25 ℃時(shí)的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值L為29 000 mm,最大變形量ΔLmax由式(1)計(jì)算[19],

式中:ɑ為母線材料的熱膨脹效應(yīng)系數(shù),取24×10-6K-1;ΔTmax為母線最大溫升。綜合考慮設(shè)備額定電流及該地區(qū)環(huán)境溫度后取值為45 K,從而計(jì)算得到被補(bǔ)償母線最大變形量為31 mm。而該伸縮節(jié)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值為1 660 mm,最大可以補(bǔ)償母線橫向1 660×tan3°=87 mm 的變形量,說(shuō)明該段伸縮節(jié)設(shè)計(jì)滿足補(bǔ)償要求,排除盆式絕緣子殼體側(cè)存在異常受力的可能。

3.2 導(dǎo)體側(cè)

導(dǎo)體插接在盆式絕緣子的觸頭座上,同樣考慮到導(dǎo)體的熱脹冷縮,設(shè)計(jì)要求導(dǎo)體兩側(cè)與觸頭座頂端各留有20 mm 的裕量,如圖5所示。導(dǎo)體長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值為1 765 mm,兩側(cè)觸頭座頂端相距1 805 mm。

圖5 導(dǎo)體長(zhǎng)度示意

現(xiàn)場(chǎng)拆除故障相內(nèi)導(dǎo)體,測(cè)量其導(dǎo)體長(zhǎng)度為1 808 mm,超出設(shè)計(jì)值43 mm,同時(shí)也超出了兩側(cè)觸頭座頂端的間距,說(shuō)明現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)體裝配后與盆式絕緣子觸頭座已無(wú)間隙。導(dǎo)體在通過(guò)運(yùn)行電流時(shí)受熱膨脹,產(chǎn)生軸向擠壓力并長(zhǎng)期作用于觸頭座及盆式絕緣子上,同時(shí)伸縮節(jié)及內(nèi)部導(dǎo)體為補(bǔ)償母線熱脹冷縮而發(fā)生側(cè)向偏移趨勢(shì),也產(chǎn)生剪切力通過(guò)觸頭座作用在盆式絕緣子上,擠壓力和剪切力的共同作用下,導(dǎo)致了盆式絕緣子的開裂。

4 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證導(dǎo)體與兩側(cè)觸頭座無(wú)間隙的情況下,導(dǎo)體及母線因熱脹冷縮而長(zhǎng)度變化時(shí),盆式絕緣子所受的應(yīng)力增大是否為開裂原因,本文對(duì)故障位置建立熱-結(jié)構(gòu)耦合的三維仿真模型,對(duì)故障時(shí)盆式絕緣子的應(yīng)力分布情況進(jìn)行計(jì)算分析。仿真模型大小與實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸相同,但為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間,仿真模型中略去了連接螺栓等部分結(jié)構(gòu),同時(shí)第3節(jié)的分析已經(jīng)排除了伸縮節(jié)使盆式絕緣子異常受力的可能性,因此只需考慮其在溫度場(chǎng)中的熱量傳遞過(guò)程,故仿真模型中將伸縮節(jié)簡(jiǎn)化為普通殼體。

導(dǎo)體的長(zhǎng)度設(shè)置為與兩側(cè)觸頭座間距相等(1 805 mm),即與觸頭座間無(wú)間隙,也無(wú)法側(cè)向偏轉(zhuǎn)移動(dòng)。導(dǎo)體超出觸頭座間距的3 mm,轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體彈性形變產(chǎn)生的應(yīng)力σ1,進(jìn)一步等效為導(dǎo)體對(duì)盆式絕緣子觸頭座的壓力p;同時(shí)母線的熱脹冷縮無(wú)法得到補(bǔ)償,在母線殼體上會(huì)因克服應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力σ2,進(jìn)而產(chǎn)生作用在該氣室母線側(cè)盆式絕緣子上的剪切力τ,壓力p和剪切力τ的計(jì)算式為

式中:A1和E1分別為導(dǎo)體的橫截面積和彈性模量;A2和E2分別為母線殼體的橫截面積和彈性模量;ε1為導(dǎo)體的形變(3 mm);ε2母線殼體的形變(將故障發(fā)生時(shí)的環(huán)境溫度帶入式(1)后計(jì)算為26 mm),仿真模型及作用力情況如圖6所示。

圖6 三維仿真模型

對(duì)圖6所示的三維模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分后,進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真,熱源為內(nèi)部導(dǎo)體流過(guò)復(fù)雜電流后的焦耳發(fā)熱,熱量傳遞過(guò)程包括導(dǎo)體、殼體與SF6氣體間的對(duì)流換熱,以及導(dǎo)體、殼體與盆式絕緣子間的熱傳導(dǎo)。溫度場(chǎng)計(jì)算所需相關(guān)熱特性參數(shù)如表1所示。

表1 各元件熱特性參數(shù)

由溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果提取導(dǎo)體的溫升值,與導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等力學(xué)參數(shù)共同賦予仿真模型,同時(shí)在盆式絕緣子外側(cè)施加固定約束,便可對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)場(chǎng)仿真。相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表2所示,完整仿真計(jì)算流程如圖7所示。

表2 各元件力學(xué)參數(shù)

圖7 盆式絕緣子應(yīng)力分布計(jì)算流程

從仿真結(jié)果中提取盆式絕緣子切應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果,如圖8所示,可以看出,盆式絕緣子最大切應(yīng)力為17.56 MPa,位于盆式絕緣子中心與導(dǎo)體結(jié)合處,超出了盆體材料與鋁導(dǎo)體連接處的允許剪切強(qiáng)度11.24 MPa[20],從而導(dǎo)致了盆式絕緣子的開裂,這與上文中現(xiàn)場(chǎng)檢查與原因分析的結(jié)果一致。

圖8 盆式絕緣子應(yīng)力分布仿真結(jié)果(單位:MPa)

5 處理建議

本次故障氣室內(nèi)安裝導(dǎo)體長(zhǎng)度超出設(shè)計(jì)值,經(jīng)追溯確認(rèn)為發(fā)貨發(fā)錯(cuò)導(dǎo)致,同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中,施工人員未對(duì)導(dǎo)體長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量確認(rèn),進(jìn)而導(dǎo)致此次故障。反映出產(chǎn)品出庫(kù)、質(zhì)量管控方面存在漏洞,流程不完善;也反映出施工安裝階段裝配工藝控制不嚴(yán)的問(wèn)題。下一步需針對(duì)同廠家同類結(jié)構(gòu)處導(dǎo)體安裝、插接情況開展X 光專項(xiàng)排查,同時(shí)督促制造廠家進(jìn)一步完善質(zhì)量管控機(jī)制,加強(qiáng)裝配工藝管控,對(duì)于后續(xù)基建工程、GIS解體大修等,導(dǎo)體安裝需嚴(yán)格按照裝配圖紙進(jìn)行,安裝時(shí)確認(rèn)好導(dǎo)體編號(hào)及尺寸,并做好記錄及復(fù)查,確保裝配正確。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一起GIS伸縮節(jié)內(nèi)盆式絕緣子開裂引起的放電故障,通過(guò)開展伸縮節(jié)內(nèi)各部件尺寸檢查和伸縮節(jié)補(bǔ)償能力校核,判斷盆式絕緣子開裂的原因是由于導(dǎo)體長(zhǎng)度超出設(shè)計(jì)值,在長(zhǎng)期熱脹冷縮過(guò)程中盆式絕緣子異常受力所導(dǎo)致。盆式絕緣子開裂導(dǎo)致氣室內(nèi)SF6氣體急速泄漏,壓力降低造成絕緣性能下降,引起觸頭座對(duì)殼體間擊穿放電。為驗(yàn)證導(dǎo)體與兩側(cè)觸頭座無(wú)間隙情況下,導(dǎo)體及母線的熱脹冷縮是否會(huì)導(dǎo)致盆式絕緣子受力開裂,本文對(duì)故障位置建立熱-結(jié)構(gòu)耦合的三維仿真模型,通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子最大切應(yīng)力為17.56 MPa,位于盆式絕緣子中心與導(dǎo)體結(jié)合處,超出了盆體材料與鋁導(dǎo)體連接處的允許剪切強(qiáng)度11.24 MPa,從而導(dǎo)致了盆式絕緣子的開裂。