鄭建，任敬國，袁海燕，王輝，王斌

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

·經(jīng)驗(yàn)交流·

SF6氣體絕緣金屬封閉母線氣室的復(fù)雜故障分析

鄭建，任敬國，袁海燕，王輝，王斌

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

分析某換流站550 kV SF6氣體絕緣金屬封閉母線氣室故障，提出一種用于母線氣室的復(fù)雜故障分析流程。故障發(fā)生后，借助SF6分解物檢測(cè)對(duì)故障位置進(jìn)行定位，通過現(xiàn)場(chǎng)解體檢查對(duì)故障原因進(jìn)行初步分析，然后通過返廠解體例行試驗(yàn)和驗(yàn)證性試驗(yàn)詳細(xì)分析故障原因，最終確定故障的準(zhǔn)確原因，并提出預(yù)防控制措施，為設(shè)備的運(yùn)維和檢修提供可靠有效的指導(dǎo)。

SF6；母線；故障分析

0　引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulating transmission Line，GIL），俗稱“管道母線”，是一種采用SF6等絕緣氣體為絕緣介質(zhì)，接地外殼與內(nèi)部管狀導(dǎo)體同軸布置的高電壓、大電流、長(zhǎng)距離電力傳輸設(shè)備。主要由接地的鋁合金外殼和鋁合金導(dǎo)體、絕緣子、SF6絕緣氣體、密封圈等部分組成。外殼的連接主要采用分段焊接，導(dǎo)體的垂直段采用插接連接，水平段采用螺接方式。

GIL組合電器在生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，由于工藝缺陷或人為原因，導(dǎo)致設(shè)備存在安全隱患。由于GIL模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，因此，若發(fā)生事故其影響范圍大，且故障原因查找困難，檢修時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)的持續(xù)供電造成影響［4-6］。所以，需要對(duì)GIL相應(yīng)氣室的故障進(jìn)行分析，從設(shè)計(jì)、安裝工藝上提出針對(duì)性建議，有利于降低設(shè)備的故障率，提高設(shè)備生命周期。

以某直流輸電系統(tǒng)換流站550 kV母線氣室故障為例，詳細(xì)地描述母線氣室故障的分析流程。首先，檢測(cè)SF6分解物對(duì)故障氣室進(jìn)行定位；接著，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解體檢查，確定氣室內(nèi)的故障位置并對(duì)故障原因進(jìn)行初步分析；然后，返廠進(jìn)行例行試驗(yàn)和驗(yàn)證性試驗(yàn)，對(duì)故障原因進(jìn)行詳細(xì)分析并利用試驗(yàn)予以驗(yàn)證；最后，根據(jù)各試驗(yàn)結(jié)果確定故障的準(zhǔn)確原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防控制措施，

1　母線氣室故障情況

1.1故障發(fā)生過程

2014年某日，天氣晴朗，某直流線路功率由2 800 MW升至3 300 MW過程中，無功控制自動(dòng)投入5611小組濾波器，20 s后，500 kV 62 M號(hào)母線保護(hù)1、2動(dòng)作跳閘出口，第五串5051、5052開關(guān)及小組濾波器5621、5624、5625跳閘。故障500 kV GIL為2010年3月出廠，2010年10月投運(yùn)。

1.2現(xiàn)場(chǎng)檢查

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)5051開關(guān)C相氣室、500 kV交流濾波器場(chǎng)至62 M之間封閉母線5號(hào)氣室有明顯的臭雞蛋氣味。其中5號(hào)氣室SF6分解產(chǎn)物HF、H2S體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到1.20 μL/L、26.8 μL/L，5051斷路器C相氣室SF6分解產(chǎn)物雖有SO2、CO但無HF、H2S這兩種典型的閃絡(luò)故障特征氣體，其余氣室正常。SF6分解物檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1　SF6氣體分解物檢測(cè)μL/L

1.3現(xiàn)場(chǎng)解體檢查

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障母線氣室進(jìn)行解體檢查，如圖1所示。該氣室中發(fā)現(xiàn)大量灰白色粉塵；氣室隔段盆式絕緣子表面被電弧灼傷熏黑，觸頭屏蔽罩被電弧灼傷缺損，相鄰導(dǎo)體有電弧灼傷；在罐體底部發(fā)現(xiàn)一根黑色橡膠條，觸頭中緩沖膠墊損壞。各部件燒損情況具體如下。

盆式絕緣子表面灼傷。盆式絕緣子凸側(cè)表面約3/4面積灼傷熏黑，如圖1（b）。

屏蔽罩燒損。在屏蔽罩與導(dǎo)體對(duì)接的開口位置產(chǎn)生長(zhǎng)度80 mm、最寬處約25 mm的缺口；在屏蔽罩中部產(chǎn)生直徑17 mm的圓形灼傷缺損；在屏蔽罩與盆式絕緣子連接位置產(chǎn)生直徑17 mm的圓形灼傷缺損，如圖1（c）。

橡膠條碳化。在現(xiàn)場(chǎng)解體后，母線罐體底部發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度350 mm、寬度2～4 mm、厚度3 mm呈黑色的橡膠條，后經(jīng)確認(rèn)其原本為乳白色，黑色為閃絡(luò)時(shí)因電弧灼燒造成其表面碳化，如圖1（d）。

均壓罩內(nèi)緩沖膠墊損壞。緩沖橡膠墊3/4外圓周被切下，缺損部分的尺寸與罐體內(nèi)部的橡膠條相吻合，如圖1（e）。

導(dǎo)體燒損。在導(dǎo)體外表面與屏蔽罩半圓形燒損對(duì)應(yīng)位置產(chǎn)生長(zhǎng)度250 mm、寬度200 mm的燒損，主要閃絡(luò)痕跡集中在距導(dǎo)體端部100 mm的位置，如圖1（f）。

殼體燒損。在殼體內(nèi)表面與導(dǎo)體燒損對(duì)應(yīng)位置產(chǎn)生長(zhǎng)度1/3罐體圓周、寬度350 mm的燒損，在殼體上主要產(chǎn)生1大2小共3處深約1 mm的小坑，如圖1（g）。

圖1　故障母線氣室現(xiàn)場(chǎng)解體檢查

2　返廠試驗(yàn)檢查

2.1盆式絕緣子試驗(yàn)

對(duì)盆式絕緣子清理，去除表面碳化物，并進(jìn)行表面打磨，如圖2所示。

對(duì)盆式絕緣子X射線探傷，未發(fā)現(xiàn)異常。

對(duì)盆式絕緣子進(jìn)行電性能試驗(yàn)，SF6充氣壓力0.4 MPa（20℃表壓），工頻耐壓740 kV 1 min，耐壓試驗(yàn)通過；在381 kV下進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，局部放電值≤3 pC，局部放電試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)異常。

圖2　清理前后的盆式絕緣子

2.2模擬放電試驗(yàn)

在氣室內(nèi)故障位置附近發(fā)現(xiàn)橡膠條，為驗(yàn)證其是否會(huì)引發(fā)放電，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

1）沿緩沖墊外緣剪下橡膠條，模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，其長(zhǎng)度350mm、寬度2～4mm、厚度3mm，如圖3（a）；

2）模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，將橡膠條固定在觸頭屏蔽罩上，如圖3（b）；

3）將觸頭安裝在母線中，如圖3（c）；

4）對(duì)該母線進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，如圖3（d）。

圖3　模擬放電試驗(yàn)

工頻耐壓試驗(yàn)中試驗(yàn)電壓升高至270 kV時(shí)出現(xiàn)局放信號(hào)，局放值在20～30 pC之間，繼續(xù)升壓，局放值隨電壓值升高而升高，當(dāng)升壓至337 kV時(shí)，發(fā)生對(duì)地閃絡(luò)，閃絡(luò)前其局部放電值為45 pC左右。對(duì)試驗(yàn)?zāi)妇€解體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)在觸頭、導(dǎo)體和罐體中均有放電痕跡，其位置與現(xiàn)場(chǎng)放電位置基本一致。該試驗(yàn)基本再現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)故障的情況，橡膠條可以引發(fā)擊穿放電故障。

2.3橡膠條產(chǎn)生原因分析

引起本次放電故障的橡膠條為觸頭內(nèi)部橡膠緩沖墊的一部分，該橡膠緩沖墊安裝在導(dǎo)體與觸頭之間，起到在運(yùn)輸過程中防止觸頭和導(dǎo)體間磕碰的緩沖作用，安裝位置如圖4。該橡膠緩沖墊材質(zhì)為三元乙丙橡膠，硬度為70度，尺寸外徑180 mm、內(nèi)徑152 mm、厚度3 mm。

圖4　模擬放電試驗(yàn)中橡膠緩沖墊安裝位置

通過分析橡膠條的產(chǎn)生位置和形狀，橡膠條應(yīng)為導(dǎo)體（導(dǎo)體尺寸內(nèi)徑170 mm、外徑184 mm、內(nèi)徑倒角圓弧半徑2 mm、外徑不倒角）和觸頭限位臺(tái)（限位臺(tái)直徑178 mm）發(fā)生擠壓而產(chǎn)生的。

該母線在廠內(nèi)裝配導(dǎo)體時(shí)，按照廠家相關(guān)工藝流程，使用一系列工裝器具來保證裝配質(zhì)量，可保證導(dǎo)體與觸頭裝配過程中兩者間不會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力。

在運(yùn)輸過程中，由于導(dǎo)體和觸頭強(qiáng)烈撞擊，造成橡膠緩沖墊損壞，或在現(xiàn)場(chǎng)安裝過程中，可能存在安裝工器具使用不規(guī)范，造成觸頭和導(dǎo)體對(duì)中偏差，造成橡膠緩沖墊損壞。而在投運(yùn)后，由于導(dǎo)體微震繼續(xù)擠壓橡膠緩沖墊，導(dǎo)致橡膠緩沖墊損壞進(jìn)一步擴(kuò)大，最終被切斷成橡膠條，并掉落到均壓罩與導(dǎo)體間的空隙中。

3　故障原因分析

結(jié)合上述分析及各部件的燒損情況，可斷定橡膠條為本次閃絡(luò)的產(chǎn)生原因。該橡膠條從橡膠墊脫落后在其自身重力和導(dǎo)體運(yùn)行中的微震等外力作用下，在導(dǎo)體和均壓罩中間的空間緩慢運(yùn)動(dòng)，最終從觸頭屏蔽罩與導(dǎo)體間的縫隙脫出（觸頭屏蔽罩開口直徑196 mm、導(dǎo)體外徑184 mm、間隙6 mm，絕緣條寬2～4 mm、厚3 mm，小于縫隙寬度），當(dāng)絕緣條的一端觸碰到罐體時(shí)，將帶電導(dǎo)體和殼體之間的氣隙連通，該處的電場(chǎng)發(fā)生變化而產(chǎn)生對(duì)地絕緣破壞，引發(fā)了本次放電故障。電弧在該位置產(chǎn)生后，向電場(chǎng)較集中的觸頭屏蔽罩中部移動(dòng)，造成觸頭屏蔽罩中部的圓形燒損。該電弧在電動(dòng)力的作用下沿觸頭屏蔽罩向盆式絕緣子方向移動(dòng)，電弧到達(dá)盆式絕緣子后將其表面及觸頭屏蔽罩底部燒傷。放電示意如圖5所示。

圖5　放電示意圖

4　結(jié)語

詳細(xì)分析了某直流換流站550kV母線氣室故障，給出了母線氣室復(fù)雜故障的分析流程。該分析中，利用SF6分解物檢測(cè)對(duì)故障氣室進(jìn)行定位，通過現(xiàn)場(chǎng)解體檢查、返廠例行試驗(yàn)和驗(yàn)證性試驗(yàn)相結(jié)合的方法來分析和確定故障的準(zhǔn)確原因，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)故障原因進(jìn)行詳細(xì)地說明。

為防止類似事故的發(fā)生，要求對(duì)安裝現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)的產(chǎn)品，必須進(jìn)行相關(guān)檢查，有必要時(shí)應(yīng)返廠處理，對(duì)檢查的過程和結(jié)果應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)記錄，并歸檔備查。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝控制，嚴(yán)格按照相關(guān)產(chǎn)品安裝工藝流程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)工作。結(jié)合設(shè)備年度檢修，對(duì)1～2處類似結(jié)構(gòu)母線進(jìn)行開罐檢查，確定是否有類似情況發(fā)生。

［1］湯銘華.GIS組合電器典型故障分析及改進(jìn)［M］.廣州：華南理工大學(xué)，2013.

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Complex Fault Analysis of Gas Insulated Metal-Enclosed Transmission Line

ZHENG Jian，REN Jingguo，YUAN Haiyan，WANG Hui，WANG Bin
（State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

A complex fault of SF6gas insulated metal-enclosed bus-chamber is analyzed and a method for the bus-chamber fault analysis is proposed.Once a failure occurs，fault position can be located by SF6decomposition detector.The preliminary analysis can be conducted by strip inspection.And then specific analysis can be carried out through routine test and verification test.Finally，causes of the fault are determined by experiment results and prevention measures are put forward，which provide reliable and effective guidance for operations and maintenance of the equipment.

SF6；bus bar；fault analysis

TM595

B

1007－9904（2015）12－0042－04

2015-08-12

鄭建（1984），男，工程師，從事開關(guān)過電壓類設(shè)備技術(shù)監(jiān)督與狀態(tài)評(píng)價(jià)工作。

國網(wǎng)山東省電力公司科技項(xiàng)目（520626150010）