一起220 kV氣體絕緣組合電器母線跳閘故障原因分析

摘 要：近年來，氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，但在現(xiàn)場實際運行過程中也暴露出一些缺陷和故障。在國家電力保供的背景下，對GIS故障診斷工作的要求越來越高。鑒于此，就某220 kV變電站一起220 kV氣體絕緣組合電器母線跳閘故障進行分析，結(jié)合現(xiàn)場運行實際觀察故障現(xiàn)象、分析故障原因，得出故障原因為盆式絕緣子在制作過程中混入了微小樹脂片，在運行過程中逐漸發(fā)展成氣隙后導致故障發(fā)生。最后，結(jié)合故障暴露的問題，對下一步采取的措施給出了合理建議，以避免同類型的故障再次發(fā)生。

關(guān)鍵詞：組合電器；母線跳閘；故障分析

中圖分類號：TM862" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.002

0" " 引言

氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）具有配置靈活、占地面積小、維護量少和對環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]，目前國內(nèi)新建的110 kV及以上變電站基本都是戶外或戶內(nèi)的GIS變電站。但根據(jù)近年來的運行情況分析，組合電器設(shè)備的缺陷和故障也不時發(fā)生[4-6]。

為確保后續(xù)GIS的安全可靠運行，滿足國家對電力保供的要求[7]，對GIS故障診斷工作的要求越來越高。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場運行實際，利用科學診斷方法觀察故障現(xiàn)象、分析故障原因，最終采取合理的預防措施避免同類型的故障再次發(fā)生。下面就某220 kV變電站一起220 kV氣體絕緣組合電器母線跳閘故障進行分析。

1" " 故障概況

某220 kV變電站220 kV六氟化硫封閉式組合電器，設(shè)備型號為ZF9C-252，母線三相共箱，于2014年11月投運。2023年4月開展擴建工程，接線方式由雙母線改為雙母線單分段，擴建后Ⅱ段母線于2023年4月投運，本次故障設(shè)備即位于該擴建部分。

故障發(fā)生前，220 kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ母并列運行，母聯(lián)212、223開關(guān)在合位，261、201開關(guān)運行于Ⅰ段母線，262、264、202開關(guān)運行于Ⅱ段母線，263、265、203開關(guān)運行于Ⅲ段母線，一次接線圖如圖1所示。

2024-01-08T08：39，該變電站內(nèi)220 kV 1、2號母差保護動作，262、264、212、223、202開關(guān)動作跳閘，并遠跳262、264間隔對側(cè)開關(guān)。故障跳閘后該變電站由261、263線路供電，220 kV Ⅰ母、Ⅲ母運行，1號、3號主變運行，無負荷損失，無重要用戶及居民供電受影響。

2" " 現(xiàn)場檢查診斷

2.1" " 保護動作分析

220 kV母線保護裝置為雙套配置，通過220 kV 1號母線保護裝置故障錄波波形，觀察和分析故障的發(fā)展過程。保護裝置啟動時，Ⅱ段母線差動電流（即故障電流）B、C相大小相等、方向相反，A相無故障電流，B、C相母線保護電壓降低，說明此時故障點發(fā)生B、C兩相相間短路故障，如圖2所示。

保護裝置啟動約2 ms后，A相差動電流開始出現(xiàn)，隨著時間的推移（2、9、17 ms），A相差動電流不斷增大，三相差動電流變得越來越接近正序量，故障從B、C兩相相間短路發(fā)展為三相短路，如圖3所示。

由于故障發(fā)生時2號主變高壓側(cè)中性點零序電流很小，表明沒有接地故障。

2.2" " 設(shè)備本體檢查

故障發(fā)生后進行現(xiàn)場檢查，故障位于Ⅱ段母線中261間隔與212間隔之間的連接母線，該連接母線由三個母線筒、一個波紋管、三個盆式絕緣子（通盆）組成，氣室長度約5 m，母線基礎(chǔ)無位移、無沉降發(fā)生，如圖4所示。

該連接母線構(gòu)成一個獨立的母線氣室，即220 kV Ⅱ母1號氣室GM21，現(xiàn)場檢查時氣壓接近于零。后臺數(shù)據(jù)顯示，該氣室故障前氣壓正常，故障發(fā)生1.5 min后，后臺報氣壓低告警，可以排除因氣體絕緣降低而導致的短路故障。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)母線筒盆式絕緣子存在黑色噴濺物，注膠孔處標識牌被沖開，判定此處為故障點，如圖5所示。

2.3" " 設(shè)備解體檢查

將220 kV Ⅱ母1號氣室GM21氣體回收和相鄰氣室降半壓后，進行GM21氣室開蓋檢查。打開故障盆式絕緣子母線筒一側(cè)檢修手孔蓋，發(fā)現(xiàn)筒內(nèi)和導體上均不同程度附著有一層六氟化硫分解物，筒底存在部分盆式絕緣子碎片，故障盆式絕緣子有黑色的燒傷痕跡，并出現(xiàn)有部分裂紋。在故障盆式絕緣子另一側(cè)，發(fā)現(xiàn)筒內(nèi)不僅有大量六氟化硫分解物，還有大量絕緣子碎片，如圖6所示。

取下故障盆式絕緣子深入檢查，兩側(cè)均存在嚴重裂紋和嚴重燒傷，裂紋已經(jīng)將金屬面貫通，絕緣子還出現(xiàn)一定程度的碳化痕跡。各相觸頭的屏蔽罩也直接燒穿，其中以B相最為嚴重且有兩個燒損面，判定B相為主放電點，如圖7所示。

3" " 返廠檢查及分析

對220 kV Ⅱ母1號氣室GM21三個盆式絕緣子（包含故障盆式絕緣子）返廠檢查及分析，開展盆式絕緣子X射線探傷、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和密度試驗、盆式絕緣子斷裂面解體檢查。

對故障盆式絕緣子碎片進行拼接復原，發(fā)現(xiàn)部分盆式絕緣子碎片外表面無放電燒黑痕跡，說明故障碎片為由內(nèi)而外的炸裂所致。發(fā)生短路故障時短路點先發(fā)生放電，再導致環(huán)氧樹脂澆筑面在急劇高溫時炸裂、碎片四濺，這些最先炸飛的碎片外表未遭到高溫燒蝕變黑，如圖8所示。

對故障盆式絕緣子中心導體區(qū)域、斷裂面、外沿區(qū)域等進行X射線探傷，發(fā)現(xiàn)除斷裂痕跡外，盆式絕緣子內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。

從故障盆式絕緣子斷裂塊處取樣進行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和密度試驗，取樣測量值符合要求，盆式絕緣子玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和密度未見異常，如表1所示。

對故障盆式絕緣子解體進行斷裂面檢查，發(fā)現(xiàn)B、C兩相間存在明顯的放電通道，中心導體B、C兩相金屬基座均有嚴重放電燒蝕痕跡，白色曲線大致標出了放電通道，如圖9所示。

對同母線上另外兩個盆式絕緣子電性能試驗檢測，A、B、C相均無發(fā)現(xiàn)異常，電性能檢測結(jié)果合格。在返廠檢查的其他試驗中，通過設(shè)計環(huán)節(jié)、盆式絕緣子生產(chǎn)環(huán)節(jié)、試驗環(huán)節(jié)及放電擊穿現(xiàn)象等排查分析，可以排除導體尺寸問題造成的故障。

4" " 故障原因分析

解體發(fā)現(xiàn)故障盆式絕緣子放電位置在A-C相左側(cè)，放電擊穿位置距A、C相較近，距離B相較遠，初步判定在A-C相左側(cè)位置存在缺陷，導致放電擊穿。從擊穿通道走向分析，圓圈內(nèi)可能存在缺陷，出現(xiàn)放電擊穿后向B、C相擴展，后續(xù)擴展到A相，如圖10所示。

從盆式絕緣子開裂的斷面看，開裂的起始位置均位于擊穿通道，屬于先放電，擊穿的同時因內(nèi)部氣壓驟增導致盆式絕緣子破裂。盆式絕緣子放電開裂原因可能有氣孔、氣隙、內(nèi)部雜質(zhì)。通過X射線探傷及電性能試驗合格，排除氣孔問題；使用0.01 mm塞尺對該盆式絕緣子三相中心導體處進行測量，無縫隙排除氣隙問題。

綜上所述，該盆式絕緣子放電原因為：盆式絕緣子制作過程中，裝模時可能混入微小“L”形樹脂片，存在于A-C相左側(cè)位置，在澆注過程中與環(huán)氧樹脂料緊密結(jié)合，形成內(nèi)部缺陷。由于微小樹脂片與正常環(huán)氧澆注原材料密度一致，通過X射線探傷無法明顯觀察到，廠內(nèi)絕緣試驗未出現(xiàn)異常，故該零件正常流轉(zhuǎn)。裝配至產(chǎn)品上后，隨著產(chǎn)品的運行，經(jīng)過長期現(xiàn)場環(huán)氧溫度冷熱循環(huán)變化，該微小樹脂片與環(huán)氧樹脂料之間會逐漸出現(xiàn)微小氣隙，進而在B、C相間產(chǎn)生放電炸裂，造成B、C相母線故障，最終擴展到三相故障，導致220 kV Ⅱ段母線跳閘。盆式絕緣子破裂后裂紋迅速擴展到盆式絕緣子密封槽處，從盆式絕緣子澆帽口噴出氣體，造成母線氣室漏氣。

根據(jù)對同氣室內(nèi)另外兩個盆式絕緣子重新進行的電性能試驗檢測結(jié)果，結(jié)合設(shè)計環(huán)節(jié)、盆式絕緣子生產(chǎn)環(huán)節(jié)、試驗環(huán)節(jié)及放電擊穿現(xiàn)象等排查分析，判斷該主母線盆式絕緣子放電破裂為偶發(fā)性設(shè)備質(zhì)量事件。

5" " 總結(jié)與建議

綜上所述，故障盆式絕緣子制作時混入了微小“L”形樹脂片，在澆注過程中與環(huán)氧樹脂料緊密結(jié)合，形成內(nèi)部缺陷。經(jīng)過長期現(xiàn)場環(huán)氧溫度冷熱循環(huán)變化，該盆式絕緣子中微小樹脂片與環(huán)氧樹脂料之間逐漸出現(xiàn)微小氣隙，進而在B、C相間產(chǎn)生放電炸裂，造成B、C相母線故障，最終擴展為三相故障，導致220 kV Ⅱ段母線跳閘。

這起故障跳閘事件暴露出兩點問題：1）廠家設(shè)備質(zhì)量管控不到位，特別是在裝模過程中缺乏對零部件的質(zhì)量管控，讓微小雜質(zhì)鉆了空隙；2）廠家對零件電性能試驗把控不夠嚴格，X射線探傷裝置分辨率不夠高，對零部件內(nèi)部微小氣孔、微小雜質(zhì)存在檢漏情況。

該故障跳閘事件也為未來的運維和檢修工作帶來幾點啟示：1）儲備技術(shù)改造項目開展GIS局放在線監(jiān)測[8]，及時預警、及時處理，防止故障再次發(fā)生；2）督促廠家加強設(shè)備質(zhì)量管理，包括生產(chǎn)專業(yè)人員能力提升、零部件電性能試驗檢查加強等方面。

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收稿日期：2024-03-29

作者簡介：田新和（1993—），男，四川瀘州人，碩士，工程師，主要從事變電設(shè)備檢修、安裝等工作。