姜炯挺，邵先軍， 周建平，劉江明，程 重

（1.國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315016；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；3.國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232）

一起GIS支柱絕緣子內部擊穿故障的定位與分析

姜炯挺1，邵先軍2， 周建平3，劉江明3，程 重3

（1.國網浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315016；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；3.國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232）

介紹某變電站GIS（氣體絕緣全封閉組合電器）支柱絕緣子內部擊穿故障的發(fā)生過程，結合故障電流分布與SF6分解產物檢測精確定位了故障氣室；通過對支柱絕緣子的故障解體，分析了該內部故障發(fā)生的可能原因，探討了絕緣子內部局部缺陷、絕緣子與金屬嵌件交界面縫隙等因素與其局部放電、電樹枝引發(fā)、擊穿放電的交互影響規(guī)律。最后結合SF6分解產物檢測結果，分析了GIS SF6各分解產物產生的影響因素及其所表征的絕緣狀況，為現場GIS故障和潛伏性故障的分解物檢測提供參考。

氣體絕緣全封閉組合電器；支柱絕緣子；SF6分解產物；局部缺陷；電弧放電

0 引言

GIS設備是保障電網可靠運行的關鍵電力設備，在110 kV及以上變電站和發(fā)電廠中均有廣泛應用[1]。運行經驗表明，盡管GIS設備的運行可靠性很高，但其在設計、制造、安裝等環(huán)節(jié)遺留的微小缺陷仍有可能在強電場下快速發(fā)展為故障，而一旦發(fā)生故障將嚴重影響電網的正常運行。

為了快速檢測定位GIS故障或潛伏性故障的位置，保證GIS快速修復投入運行，本文介紹采用故障電流分布與SF6分解產物檢測相結合的辦法精確快速定位某變電站GIS分支母線支柱絕緣子內部擊穿故障的過程；分析了故障產生的可能原因；探討了SF6分解產物產生的影響因素及其所表征的絕緣狀況，最后提出了支柱絕緣子故障的防范措施。

1 故障概況

某變電站GIS一次接線如圖1所示。2014年3月13日6時48分14秒69，該變電站Ⅱ段母線第一套母差保護啟動，19 ms后差動保護動作，故障電流20.6 kA。A，B，C相差動電流分別為0.003 A，0.003 A和6.880 A，可基本確定故障相為C相。6時48分14秒67，Ⅱ段母線第二套母差保護啟動，5 ms后差動保護動作；T022，T033，T052和T063開關保護瞬時聯跳三相。而T021，T031，T032，T051，T061和T062開關均未動作，可判斷故障不應在出線以外（含出線）和Ⅰ段母線，而是發(fā)生在Ⅱ段母線側。

圖1 某變電站GIS一次接線

另外，現場搶修人員檢查發(fā)現靠近Ⅱ段母線側的T022，T033，T052和T063 4個開關三相均在斷開位置，開關油壓正常，各氣室SF6壓力均在正常范圍內。檢查一次設備外觀無異常，紅外測溫無異常，并且2014年2月份的超聲波帶電檢測數據也無異常。

2 故障氣室的定位

2.1 基于故障電流分布的初步定位

通過保護、故障錄波裝置，得到故障電流的分布如圖2所示。分析圖2可知，故障電流在T052處最大，達4.3 A，TO51和T033其次，據此可判斷故障點可能位于T052開關至Ⅱ段母線之間，或第3串至第5串之間的母線上。

2.2 基于SF6分解產物檢測的精確定位

SF6分解產物檢測法具有受外界干擾小、靈敏度高、準確性高等特點，且同時適用于停電和帶電檢測，因此在診斷和定位GIS故障或潛伏性故障中有著極為廣泛的應用[2]。

在停電狀態(tài)下采用此方法對上述疑似故障段氣室逐個進行檢測，發(fā)現預留T053開關間隔C相5號氣室（位于T0522閘刀C相與T0532閘刀C相之間，總長度為19 m）存在異常SF6分解產物。為排除儀器誤差，采用不同型號的儀器重復檢測，均發(fā)現該氣室內存在異常分解產物，檢測數據如表1所示。同時對相鄰氣室進行多次檢測，則未發(fā)現異常。由此可基本確定，預留T053開關間隔C相5號氣室為故障氣室。

圖2 故障電流分布

表1 SF6分解產物檢測數據

由表1可見，4個廠家儀器的SF6分解產物檢測數據有所差異，特別是H2S成分檢測僅泰普聯合廠家的儀器顯示有數值，而其他3個廠家的儀器均無數值，這可能與儀器的檢測原理、檢測閾值、檢測精度等級有關。

3 解體與分析

3.1 故障氣室的解體

對定位得到的疑似故障氣室解體后發(fā)現，該氣室內部有大量白色粉末。這些粉末的主要成分為AlF3，是SF6氣體在電弧放電高溫下與GIS導體、腔體材料中的Al反應產生的。由于SF6氣體在高溫下其對流與擴散過程非常強烈，使得SF6與Al反應生成的AlF3白色粉末在腔體中的分布范圍很大，破裂的支柱絕緣子碎片最遠離該支柱絕緣子5 m左右。

圖3（a）所示為該氣室靠近T0522閘刀的第一個支柱絕緣子（正常運行時，該支柱絕緣子位于水平方向）。圖3（b）支柱絕緣子被電弧燒蝕破裂，絕緣件與金屬嵌件已完全脫離。這是因為電弧溫度高達上萬度，使支柱絕緣子（主要成分為環(huán)氧樹脂）內部完全碳化，導致機械強度急劇降低，最終變脆并碎裂，圖3（b）中腔體底部的黑色粉末即是電弧燒蝕支柱絕緣子所形成的碳塵。

圖3 支柱絕緣子

將破裂的支柱絕緣子進行拼接后如圖4所示，可見該支柱絕緣子外表面無明顯閃絡痕跡，仍呈乳白色，內部則幾乎被電弧灼燒成黑色，屬支柱絕緣子內部擊穿事故（因超聲波法對絕緣物內部故障的檢測靈敏度較低，因此故障發(fā)生前用超聲波檢測未發(fā)現異常）。與支柱絕緣子兩端接觸固定的金屬嵌件也有嚴重的電弧燒蝕痕跡，如圖5所示?？拷饘偾都腉IS腔體內壁和枕形導體有明顯的電弧燒蝕痕跡，如圖6所示，這應是電弧貫通整個支柱絕緣子后繼續(xù)向兩端發(fā)展，進而灼燒周圍金屬材料所形成的。

3.2 故障支柱絕緣子返廠試驗情況

因故障支柱絕緣子內部已基本燒毀，無法進行X射線探傷等試驗，只能選取未灼燒部位的樣塊進行試樣分析。故障絕緣子返廠后，沿其縱向選取頂部、中部、底部3處未灼燒的樹脂樣塊，分別測量玻璃化轉變溫度、密度和填料含量，測試結果均合格。另外，生產廠家還選取同批次支柱絕緣子進行機械性能測試，抗彎強度等力學性能指標也均在合格范圍。

圖4 完成部分拼接的故障支柱絕緣子

圖5 支柱絕緣子金屬嵌件

4 故障原因分析

因故障支柱絕緣子內部被電弧燒蝕碳化，而其外部并無閃絡放電痕跡，因此首先可以排除支柱絕緣子因表面雜質、臟污等原因所引起的擊穿放電。主要考慮支柱絕緣子故障是由其內部局部缺陷、絕緣子與金屬嵌件交接面縫隙等原因所造成。以下就上述2個可能原因分別探討分析。

圖6 被電弧灼傷的腔體內壁及枕形導體

4.1 內部局部缺陷

支柱絕緣子常見的內部局部缺陷有空穴、材料雜質等，這些微小缺陷有可能存在于支柱絕緣子安裝之前（受局部放電檢測儀的靈敏度所限和局部放電標準要求不同，微弱的局部放電可能未被測量到），也有可能是因支柱絕緣子長期在強電場、大電流作用下逐漸劣化而產生的。

當支柱絕緣子內部存在局部缺陷時，缺陷附近電場將集中并產生局部放電，進而誘發(fā)形成樹枝狀放電破壞通道，稱為電樹枝[3]。局部放電產生的帶電質點繼續(xù)撞擊缺陷附近的絕緣材料，如果帶電質點的動能足夠高，則有可能破壞絕緣材料的化學鍵，破壞支柱絕緣子的化學分子結構，使缺陷附近介質表面不斷被腐蝕，使樹枝狀放電得以擴大和延伸；同時局部放電產生的空間電荷又進一步加強局部電場，維持樹枝狀放電不斷發(fā)展。此外，樹枝狀放電通道附近往往伴隨著介質發(fā)熱，溫度升高會促進絕緣材料的裂解，增大介質損耗和加速電樹枝的發(fā)展。隨著電樹枝的發(fā)展，絕緣材料快速劣化和老化，將進一步加劇電樹枝的發(fā)展，形成類似正反饋的效果。當某1個或數個電樹枝通道發(fā)展至對面電極附近，剩余的絕緣厚度不足以承受工作電壓時，電樹枝通道將迅速發(fā)展成為明顯的擊穿通道，即絕緣材料發(fā)生內部貫穿性絕緣擊穿。在GIS運行條件下，因其導通電流較大，一旦支柱絕緣子內部發(fā)生擊穿放電，將迅速轉變?yōu)殡娀》烹?，使支柱絕緣子內部被燒蝕碳化。

4.2 交界面存在縫隙

支柱絕緣子與高壓端/低壓端金屬嵌件之間的交界面是SF6氣體與絕緣材料以及金屬的結合處，電場非常集中，稱為三結合點[4]。支柱絕緣子安裝時或多或少與金屬嵌件之間存在一定的縫隙，這個小縫隙的電場強度將升至原來的ε倍（ε為支柱絕緣子的相對介電常數），該縫隙內極易產生氣隙放電或在縫隙內的凸點位置產生電暈放電。氣隙放電或電暈放電一方面將產生與內部局部缺陷引發(fā)電樹枝類似的情況，另一方面縫隙內局部放電產生的空間電荷也容易注入支柱絕緣子，注入的空間電荷在介質內部的積累可能引起材料內部電場的嚴重畸變,畸變的電場強度甚至可以達到原外加電場的8～10倍[5]，加劇支柱絕緣子的樹枝化，最終導致支柱絕緣子擊穿。從GIS設備的安裝和運行經驗來看，絕緣子現場安裝水平對控制交界面電場強度有著十分重要的作用，必須嚴格按照施工工序和技術要求施工，以提升絕緣子整體運行水平。

5 SF6分解產物檢測的探討

通過SF6分解產物檢測可以對GIS故障進行精確定位。從表1中可看到不同廠家的檢測數據存在差異，每種氣體代表的含義也各有不同，因此有必要探討SF6各分解產物產生的影響因素及其所表征的絕緣狀況，為今后潛伏性故障的判斷與定位提供參考。

5.1 影響因素

影響SF6氣體分解物的因素主要有：

（1）電弧的能量。一般來說氣體分解物的生成率隨著電弧能量的增大而增大，在電弧放電中將出現大量的分解氣體，出現一般局部放電時很少出現的SF4等。

（2）水分含量。水分子在放電區(qū)域容易分解成O2-和OH-，OH-易與低氟硫化物發(fā)生反應生成SOF2和SOF4等，并擴散至氣室其他區(qū)域[6]。

（3）電極材料。高溫下SF6分解物會與金屬發(fā)生反應生成金屬氧化物，如CuF2和AlF3等[7]。

（4）固體絕緣材料。GIS內的固體絕緣材料一般有環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯、絕緣漆等，這些材料會在500℃以上開始裂解，并與SF6氣體反應，從而影響SF6分解產物的氣體含量。

5.2 各氣體組分的含義

目前，現場便攜式儀器普遍采用電化學傳感器法來檢測SF6分解產物，其原理是被測氣體在高溫催化劑作用下與SF6發(fā)生化學反應，改變傳感器輸出的電信號，確定被測氣體的成分及其含量。一般現場應用較多的有SO2，H2S和CO傳感器。因此本文僅分析上述3種氣體各自表征的GIS絕緣狀況。

SO2是SOF2與水反應后的生成物，而SOF2主要是在強電弧作用下所產生的，因此可以通過SO2的含量來分析判斷放電的劇烈程度，放電越劇烈，放電能量越大，SO2的含量則越高。

H2S為有毒氣體，有臭雞蛋味。在裸金屬低能量放電狀態(tài)下，其含量一般較少或檢測不出，只有在大故障電流下才能檢測出一定含量的H2S，因此H2S含量也與放電的能量相關。此外，還可以通過H2S組分含量的多少來考察故障是否涉及固體絕緣[8]。本文所述故障涉及支柱絕緣子的內部燒蝕擊穿，且屬于大電流故障，一般來說會產生H2S氣體。

CO由固體絕緣、絕緣漆或金屬導體碳化后與SF6氣體反應所產生。一般只有在局部放電涉及固體絕緣或大電流故障時才會檢測到CO，因此CO氣體結合H2S氣體含量在一定程度上可以用來表征絕緣材料的劣化情況。

5.3 SF6分解產物檢測數值的探討

由于現場故障的復雜性，在檢測SF6分解產物時經常會遇到儀器數值不斷變化的情況，這主要與SF6分解產物在故障氣室內部向檢測接口擴散的過程有關。SF6氣體分解物的擴散過程十分復雜，涉及GIS氣室結構、絕緣盆子（通盆）結構、分解產物含量和種類、氣室壓力、相鄰間隔氣室是否被擊穿等因素，但總體來說經過一定時間后，各分解產物的檢測數值將基本穩(wěn)定。本文中故障涉及的GIS氣室是1個預留氣室，長19 m，故障發(fā)生點距檢測接口4 m，在現場檢測10∶30時SO2含量只有1.60 μL/L，至14∶00時SO2含量已達到11.24 μL/L，簡單計算得到SO2含量增加速率為每小時2.75 μL/L，數值較小，這是由于該氣室長度特殊，氣室內總的SF6氣體含量高，相同故障條件下分解產物含量占SF6的比例比一般氣室低得多，導致了氣體分解產物向兩側擴散較為緩慢。極端條件下，故障點距離檢測接口19 m（氣室的另一頭），可能導致檢測到的氣體分解產物含量更低，檢測數值穩(wěn)定時間更長。以上情況需要在實際檢測中引起注意，即發(fā)現痕量的故障特征氣體也不能輕易放過，要采用不同儀器、按一定時間檢測多次方能準確定位故障氣室。

6 結論與建議

本文對一起GIS支柱絕緣子的內部擊穿事故進行了較為詳細的分析。采用故障電流分布與SF6分解產物檢測相結合的辦法精確快速定位了故障氣室。通過對故障氣室的解體分析，認為支柱絕緣子內部局部缺陷、絕緣子與金屬嵌件交界面縫隙可能是引起該起事故的主要原因，并探討了這2種缺陷與其局部放電、電樹枝引發(fā)、材料劣化、擊穿放電之間的交互影響規(guī)律。最后分析了SF6分解產物產生的影響因素，認為SO2含量高低與放電劇烈程度有關，而CO與H2S氣體含量則在一定程度上可以用來表征絕緣材料的放電與劣化情況。

由于支柱絕緣子是GIS內部的重要絕緣部件，建議在絕緣子生產過程中嚴格執(zhí)行制造工藝、質量標準和檢驗手段；要極其重視支柱絕緣子的局部放電試驗，研究內部缺陷與局部放電之間的靈敏度關系，積極開展GIS SF6分解物與潛伏性故障檢測、診斷的關聯性研究，及早發(fā)現設備的安全隱患。

[1]劉振亞.特高壓交直流電網[M].北京：中國電力出版社，2014.

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（本文編輯：龔 皓）

Location and Analysis of Inner Breakdown Failure in GIS Supporting Insulator

JIANG Jiongting1，SHAO Xianjun2，ZHOU Jianping3，LIU Jiangming3，CHENG Zhong3
（1.State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315016，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；3.State Grid Zhejiang Maintenance Company，Hangzhou 311232，China）

In this paper，the inner breakdown failure of supporting insulator in GIS equipment of substation is introduced briefly.By combination of fault current distribution and SF6decomposition products detection，the fault chamber is located accurately.The possible causes of this inner failure are analyzed through disassembly of the fault supporting insulator.The mutual influence rules among the partial discharge，electric trees induction，breakdown and the inner partial defects of supporting insulator，the interface aperture between insulator and metal insert are discussed.Finally，the influencing factors of SF6decomposition product detection and the representative insulation condition are analyzed by combing the SF6decomposition products detection，which provides references of field decomposition products detection for GIS fault and latent fault.

GIS；supporting insulator；SF6decomposition product；partial defect；arc discharge

TM855+.1

B

1007-1881（2015）08-0004-05

2015-02-13

邵先軍（1983），男，工程師，主要從事GIS局部放電檢測和診斷工作。