李 靜，呂 杰，沈恒毅，徐永永

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

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核電廠氣體絕緣金屬封閉輸電線路故障原因分析及解決措施

李 靜，呂 杰，沈恒毅，徐永永

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

通過對國內某核電廠氣體絕緣金屬封閉輸電線路(GIL)故障過程的分析，逐步定位出故障的起始點，確定出故障的根本原因。針對本次故障的起始點三支柱絕緣子，提出了缺陷排查的補充檢測手段超聲波局放試驗和定期SF6氣體成分分析試驗，可對核電廠后續(xù)的安裝調試及運行管理提供借鑒。

GIL；核電廠；故障；原因分析；絕緣子

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(GIL)具有傳輸容量大、占地少、可靠性高、適用于惡劣環(huán)境等特點， 在國內核電工程及部分水電、火電工程中得到較廣泛應用。GIL設備通過出廠試驗及現場交接試驗后能在很大程度上保證設備的安全運行狀態(tài)，同時輔以一些狀態(tài)監(jiān)控措施，如定期濕度監(jiān)視、氣體密度監(jiān)視可基本確保系統(tǒng)的高效運行狀態(tài)[1-2]。但投入運行的GIL仍有故障情況。通過對某核電廠GIL輸電線路故障進行分析，指出出廠試驗和現場交接試驗的局限性，針對GIL設備中的最薄弱部件，提出了不同階段排查絕緣子缺陷的補充檢測手段，對核電廠后續(xù)的安裝調試及運行管理提供借鑒。

1 設備概況及故障情況

1.1 設備概況

核電站GIL輸電線路電壓等級為500 kV，裝設在主變高壓側與500 kV GIS開關站之間，布置在地下廊道中，是核電站500 kV電源輸送的唯一途徑。GIL輸電線路由三條并聯的離相管道母線組成，輸電導體與外殼為同心結構。輸電回路的每一相均由接地合金鋁外殼和內置管狀合金鋁導體組成，導體支架為實心絕緣子，管殼內充填SF6氣體。GIL全長約300 m(單臺機組，單相)，由氣割絕緣子分割為兩個氣室，每個氣室由直管段母線和彎管段母線組成，每段母線設置1～3個三支柱絕緣子。其中，4號機組GIL設備于2011年9月完成出廠試驗，2013年9月完成安裝交接試驗，試驗合格，并于2014年6月首次送電成功。

1.2 故障情況介紹

2014年12月05日19：06：28，4號主變5041斷路器跳閘，4號主變失電，故障時間為70 ms，3個半周波。經檢查A相故障電流約為26 kA (有效值)，GIL輸電線路A相402氣室SF6氣體分解物SO2為33.5 μL/L，沒有檢測出其他分解物； SF6氣體含水量為593 μL/L(環(huán)境溫度為-3～0℃)?，F場檢查了402氣室的外觀，未發(fā)現損傷、變形、燒蝕現象，無法確定故障點，最后決定對GIL 402氣室整段進行解體查找故障點。解體至靠近A相主變第4根GIL母線時發(fā)現其內部第1個三支柱絕緣子處發(fā)生了嚴重的擊穿放電現象。對GIL故障段解體檢查發(fā)現：故障絕緣子的上部支撐完全斷裂，與導電桿連接的斷裂面為白色，沒有電弧灼傷痕跡；在上部支撐與微粒捕捉器的連接處有黑的灼傷痕跡，連接處彈簧燒斷，絕緣子低電位側碎塊均被放電產生的熱量及電弧熏黑，該絕緣子靠變壓器側0.5 m處的導電桿有電弧灼傷痕跡，如圖1所示。另外，在絕緣子上部支撐附近的外殼上發(fā)現有凹坑；經測量，凹坑深度最深處約為2 mm。GIL故障圖如圖1所示。

圖1 GIL故障圖

2 故障原因分析

2.1 原因排查

在GIS及GIL輸電管道中，常見的故障原因分為外部因素和內部缺陷。經核查，事故發(fā)生時天氣晴好，變電站周邊沒有雷電活動，系統(tǒng)無任何倒閘操作，可排除過電壓這一外部因素。GIS/GIL內部常見的缺陷(見圖2)包括：固體絕緣子內部的缺陷，如氣泡、間隙和裂紋；導體接觸不良和松動引起的懸浮放電；殘留自由導電微粒，如金屬碎屑或金屬顆粒；導體表面存在突起物，如毛刺、尖角等；內部含水量超標，引起水分在絕緣子表面結露，造成絕緣子表面閃絡擊穿等。

圖2 GIS/GIL內部典型缺陷示意圖[3]

(1)根據該GIL設備的設計結構，導體采用彈簧壓觸設計的插接組件，連接緊湊牢固，插接組件的徑向移動允差通常情況下為+38 mm，不易產生導體接觸不良和松動。

(2)根據該GIL設備的設計原理，GIL設備在每個支撐絕緣子的下部都安裝有“微粒陷阱”裝置。當GIL內部存在金屬微粒時，金屬微粒在電場的作用下，微粒移動到支撐絕緣子周圍，微粒會掉入“微粒陷阱”內。 “微粒陷阱”內部處于低電位，金屬微粒不再跳出陷阱，從而能夠保證支撐絕緣子的絕緣性能。

(3)根據GIL解體來看，導體表面光潔，加工精致；從故障電流達到26 kA來看，導體表面的毛刺、劃痕引起的擊穿很難造成這么嚴重的擊穿現象。

(4)故障發(fā)生后，測量GIL故障段的SF6氣體含水量為593 μL/L，超過電力行業(yè)標準要求的SF6氣體濕度允許標準，如表1所示。GIL水分含量偏高，在溫度下降時，則可能凝結成水附著在絕緣子表面，極易在絕緣子表面引起沿面放電。但由于故障發(fā)生時，環(huán)境溫度已是-3～0℃不會產生結露而會結霜。如果出現結霜，絕緣子表面的結霜對絕緣子閃絡特性影響不大。

表1 SF6氣體濕度允許標準1)

注：1)測量時周圍空氣溫度為20℃，大氣壓力為101 325 Pa；2)若采用括號內數值，應得到制造廠認可。

因此，根據上述一系列原因排查，支撐絕緣子存在內部缺陷的可能性較大。

2.2 故障發(fā)生過程推導

將故障絕緣子及絕緣子碎塊返運工廠進行了拼接復原，如圖3所示。通過將絕緣子碎片進行重新拼接，由此找出電弧路徑，并推斷電弧初始點位置。

圖3 GIL絕緣子工廠復原圖片

(1)根據絕緣子炸裂痕跡可推斷故障發(fā)生在靠近絕緣子表面。絕緣子上只發(fā)現一處清晰的電弧痕跡，意味著在發(fā)生第一次故障后再未發(fā)生另外的電弧放電。

(2)根據導體檢查可推斷在26 kA，70 ms(3.5個周期)的情況下電弧的放電路徑，電弧初始點在三支柱絕緣子上，在3.5個周期的過程中移動到故障絕緣子右側，如圖4所示。

(3)查看絕緣子根部和導體連接處的碎片，基本比較完整，也沒有電弧痕跡，說明故障并未發(fā)生在絕緣子根部和絕緣子套的連接處，進一步檢查導體上電弧打到的區(qū)域發(fā)現導電桿沒有變形。如果在環(huán)氧樹脂絕緣子和導體的連接處(此處為絕緣子缺陷易發(fā)生處)產生電弧時，此處產生初始電弧會導致壓力增大繼而產生一個小的凹口。但是進一步檢查導電桿并未發(fā)現明顯凹陷。

圖4 故障段導體圖片

由此，分析故障起始點應是靠近外殼的絕緣子處(低電位處)有微小的裂紋，經過不斷的放電累積，導致絕緣子被擊穿。

2.3 故障分析

通過查看GIL故障母線段的出廠試驗和交接試驗記錄發(fā)現，耐壓試驗在出廠和交接試驗均合格，出廠局放試驗值為0.13Pc。設備在現場安裝對接后，因試驗條件不允許，未進行局放試驗，試驗記錄見表2。GB50150-2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》第14章SF6封閉式組合電器中未對局放試驗做出硬性要求。

表2 出廠試驗和交接試驗記錄表

考察以往項目情況，故障GIL絕緣子的材料為脆性較高的環(huán)氧樹脂材料，在核電前期項目曾出現過幾例因運輸吊裝等磕碰導致的絕緣子損壞或破裂的情況。另外，在進行母線檢查時發(fā)現，絕緣子上部支撐附近的外殼上有凹坑；經測量，凹坑深度最深處約為2 mm。

綜合上述分析認為，設備很可能在設備出廠后到現場安裝對接完成前因外力沖擊使三支柱絕緣子低電位側產生裂紋，因裂紋微小，現場工頻耐壓試驗得以通過。送電后在高電場的作用下，裂紋逐漸擴大，造成局部電場畸變，局部放電加劇，絕緣性能下降。當這種現象擴大到一定程度時，造成導體對地放電。在短路電弧的燒灼下支撐絕緣子放電炸碎。

3 解決措施

由于本次GIL故障是在出廠試驗、交接試驗通過且設備運行半年后發(fā)生，故障發(fā)生起始位置為GIL絕緣子，因此如何在設備安裝對接前、現場交接試驗時或者設備運行過程中通過檢測手段及早發(fā)現絕緣子缺陷是后續(xù)措施制定的關鍵。

(1)加強過程控制，增加絕緣子外觀檢查。對設備的運輸單元加裝沖擊記錄儀，以便發(fā)現運輸過程中可能出現的各種機械沖擊；對絕緣子裝配位置使用色帶標注，到場后對母線外殼進行外觀檢查，對色帶標注區(qū)域進行重點檢查；使用微型高清攝像機或內窺設備對母線管道內的絕緣子進行外觀檢查，均是在設備安裝對接前有效避免或及早發(fā)現絕緣子缺陷的有效手段。

(2)在耐壓試驗過程中增加超聲波局放試驗。一般認為，交流耐壓試驗是發(fā)現GIL或GIS安裝或制造過程中出現的錯誤、內部殘留雜質微粒等異物、絕緣受潮或臟污、運輸或安裝過程使內部零件發(fā)生位移等導致的電場異常情況的非常重要的檢測方法[4]。但不加局部放電的交流耐壓試驗在檢查絕緣子上的裂縫和顆粒以及固定在帶電部分的突出物、懸浮部件等方面效果不明顯。受核電廠現場試驗條件所限，IEC 60270標準認可的脈沖電流法檢測局部放電無法實現， 因此，采用將超聲波局部放電檢測與交流耐壓試驗相結合的辦法是一種彌補交流耐壓試驗排查不足的可行性方法[5]。但因超聲波局放檢測暫無國內國際標準判據，此方法不宜作為設備驗收判別的依據，建議僅為后續(xù)運行提供參考。

(3)定期SF6氣體成分分析及比對。耐壓試驗后的設備運行期間，存在缺陷的SF6電氣設備會因較強的局部放電及設備異常發(fā)熱產生大量分解物，從而設備內部的SF6分解產物濃度會隨著設備缺陷的惡化而增加[6]。因此，在耐壓試驗后及設備運行期間，定期進行SF6氣體成分分析和比對，可有效發(fā)現GIL設備中存在的缺陷。當檢測發(fā)現故障氣體(SO2、SOF2、H2S、HF 等)含量有上升趨勢時，應安排斷電進一步檢測氣體成分來源。

4 結語

通過對GIL輸電線路故障過程的詳細分析，逐步定位出故障的起始點，確定出故障的根本原因。針對本次故障的起始點三支柱絕緣子，提出了缺陷排查的補充檢測手段：超聲波局放試驗和定期SF6氣體成分分析試驗。但目前這兩種檢測方法對于運行中GIL設備缺陷的判斷尚缺乏相關標準和依據，后續(xù)的研究方向可考慮根據其可能的缺陷類型進行相應的模擬試驗，對試驗數據進行統(tǒng)計分析并結合設備不同運行工況，提出不同缺陷與試驗數據之間的對應關系，從而指導運行中GIL 設備的狀態(tài)評估和故障診斷。

[1]宋邦申．淺談氣體絕緣金屬封閉輸電線路(GIL)的發(fā)展趨勢[J]．電器工業(yè)， 2010(3)：51-53．

SONG Bang-shen. A Brief Analysis of the development trend of Gas Insulated Transmission Line[J]. China Electrical Equipment Industry， 2010(3): 51-53.

[2]杜寶瑞．氣體絕緣輸電線路技術在核電工程的應用[J]． 山東電力技術， 2012(6)： 47-50．

DU Bao-rui．Application of Gas Insulated Transmission Line in Nuclear Power Plant[J]. Shandong Electric Power， 2012(6): 47-50.

[3]湯何美子．基于特高頻法的GIS局部放電典型缺陷類型放電特性的研究[D]．濟南：山東大學，2013．

[4]沈宏強，葛占雨． GIS交流耐壓試驗及其對發(fā)現內部異常情況的作用[J]．安裝， 2013(S1)：62-64．

[5]賈志杰，陳少卿，陳洪波，等．超聲波局部放電檢測在GIS耐壓試驗的應用[J]．中國電力， 2013，46(12)：29-32．

JIA Shi-jie, CHEN Shao-qin, CHEN Hong-bo, et al. Application of Ultrasonic Partial Discharge Detection in GIS Withstand Voltage Test[J]. Electric Power 2013, 46(12): 29-32.

[6]季嚴松，王承玉，楊 韌，等．SF6氣體分解產物檢測技術及其在GIS設備故障診斷中的應用[J]．高壓電器， 2011，47(2)：100-103．

JI Yan-song, WANG Cheng-yu, YANG Ren. Measuring Technique of SF6 Decomposition Products and Its Application to Fault Diagnosis of GIS[J]. High Voltage Apparatus， 2011, 47(2): 100-103.

(本文編輯：趙艷粉)

Fault Analysis and Solutions for Gas Insulated Metal-Enclosed Transmission Line in Nuclear Power Plant

LI Jing, LV Jie, SHEN Heng-yi, XU Yong-yong

(Shenzhen China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

This paper analyzes (GIL) the fault process of a gas insulated metal-enclosed transmission line in a domestic nuclear power plant, gradually locates the starting point of the fault, determines the root cause of the fault. As for the starting point, the three-pillar insulator, it supplements the defect screening detection means, including ultrasonic partial discharge test and SF6gas composition analysis test. This research can provide reference for the follow-up installation and debugging and operation management of nuclear power plants.

GIL; nuclear power plant; fault; cause analysis; insulator

10.11973/dlyny201506030

李 靜(1980)，女，工程師，碩士，從事核電廠電氣設備采購技術支持和合同執(zhí)行技術管理工作。

TM621

A

2095-1256(2015)06-0876-04

2015-08-14