王鳳智， 傅正財(cái)， 秦 沫

1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 上海 200030 2. 上海西門子高壓開關(guān)有限公司 上海 200245

一起220kV GIS間隔絕緣故障分析及改進(jìn)措施

王鳳智1，2， 傅正財(cái)1， 秦 沫2

1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 上海 200030 2. 上海西門子高壓開關(guān)有限公司 上海 200245

220kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)間隔的故障原因包括機(jī)械故障、絕緣及工藝因素等，其中絕緣問題常常會(huì)引起故障擴(kuò)大。對一起220kV GIS間隔絕緣故障進(jìn)行有限元仿真和現(xiàn)場拆卸分析，確認(rèn)了故障原因，以及設(shè)計(jì)和工藝等方面存在的不足，并對現(xiàn)有設(shè)計(jì)、加工和裝配工藝進(jìn)行了改進(jìn)，以避免類似故障再次發(fā)生。

電力系統(tǒng)； 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備； 絕緣； 故障

掛網(wǎng)運(yùn)行中的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)，其機(jī)械性能和電氣性能都經(jīng)過嚴(yán)格的型式試驗(yàn)，型式試驗(yàn)?zāi)M線路上的常見故障，并遵照嚴(yán)格的試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行。實(shí)際電網(wǎng)通常運(yùn)行于額定參數(shù)條件下，電壓、電流等參數(shù)都遠(yuǎn)低于型式試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)，但GIS絕緣故障仍時(shí)有發(fā)生[1-2]，這就需要引起重視。

本文介紹一起220kV GIS間隔絕緣故障，該GIS為成熟產(chǎn)品，并有長期電網(wǎng)運(yùn)行記錄，故障類型為發(fā)展型絕緣故障，從單相故障發(fā)展為三相故障，并蔓延至其它氣室。筆者就該產(chǎn)品的故障現(xiàn)象、設(shè)計(jì)絕緣裕度及工藝問題進(jìn)行分析，結(jié)合拆解狀況和有限元仿真解析故障成因，并就產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝問題提出改進(jìn)措施，以降低同類故障發(fā)生的概率。

1 故障情況

發(fā)生故障的220kV GIS為小型化產(chǎn)品，故障產(chǎn)品間隔如圖1所示。斷路器、隔離開關(guān)等模塊為分箱設(shè)計(jì)，母線為三相共箱設(shè)計(jì)。各GIS間隔的上下母線通過波紋管建立連接，并調(diào)整誤差。掛網(wǎng)運(yùn)行14個(gè)月后由于接地故障導(dǎo)致斷路器跳閘?，F(xiàn)場故障錄波顯示，GIS間隔發(fā)生對地短路。初始狀態(tài)為C相單相接地，之后發(fā)展為三相接地?，F(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備顯示，C相發(fā)生接地故障持續(xù)時(shí)間為10ms，之后發(fā)生的三相對地故障持續(xù)時(shí)間為40ms。

拆卸故障間隔，斷路器氣室未見異常，但在連接D03與D04間隔下母線波紋管處發(fā)現(xiàn)電弧造成5mm 左右不規(guī)則穿孔，并導(dǎo)致SF6氣體泄漏。臨近波紋管位置的C相導(dǎo)體及觸頭有明顯放電痕跡，連接Q1的B相導(dǎo)體有放電痕跡。氣室防爆膜未動(dòng)作，氣室內(nèi)有大量電弧放電生成物。下母線多個(gè)零件存在放電痕跡，包括支撐絕緣子、下母線殼體及主回路中部分導(dǎo)體與觸頭，如圖2所示。絕緣故障氣室內(nèi)出現(xiàn)復(fù)雜的放電狀況，諸多放電點(diǎn)和受損零件分布在氣室各個(gè)位置。對間隔拆解后各氣室狀況記錄如表1所示，可判定此次故障是由下母線引起的。

圖1 故障GIS產(chǎn)品間隔布置圖

圖2 下母線零件狀況

表1 產(chǎn)品狀況匯總

2 故障分析

2.1 導(dǎo)致對地放電的可能原因

該產(chǎn)品已有多年掛網(wǎng)運(yùn)行記錄，發(fā)生三相接地故障極其罕見。對于故障的原因，認(rèn)為有水分、SF6氣體泄漏、零件質(zhì)量及工藝問題導(dǎo)致放電等幾種可能[1-2]。

間隔拆卸后，各氣室吸附劑數(shù)量滿足設(shè)計(jì)要求，未見吸附劑包裝破損或散落。與下母線結(jié)構(gòu)一致的上母線氣室中使用的吸附劑數(shù)量相同，且未出現(xiàn)擊穿。因此排除由吸附劑缺失導(dǎo)致水分增加，進(jìn)而使絕緣劣化的可能。各氣室SF6壓力由密度表監(jiān)控，在發(fā)生故障前未見氣體壓力報(bào)警，可以排除由SF6泄漏導(dǎo)致絕緣劣化的可能。綜合產(chǎn)品現(xiàn)場狀況，基本確認(rèn)此次絕緣故障與產(chǎn)品零件質(zhì)量或安裝工藝有關(guān)。

2.2 C相局部放電與對地絕緣故障的成因

長期運(yùn)行在電網(wǎng)電壓下的產(chǎn)品，其狀況與型式試驗(yàn)所面臨的情況不同。產(chǎn)品長期帶電狀態(tài)下，局部放電現(xiàn)象是客觀存在的。局部放電雖然不是破壞性放電，但會(huì)導(dǎo)致在氣室內(nèi)部形成放電生成物，這些生成物在拆卸后可見于導(dǎo)體及絕緣體表面，通常為灰白色細(xì)密顆粒[3-6]。同時(shí)，局部放電會(huì)導(dǎo)致SF6分解生成SOF2、SO2F4、SO2等物質(zhì)，其中酸性物質(zhì)的腐蝕性會(huì)導(dǎo)致零件質(zhì)量的下降[7-9]。

通常情況下，絕緣故障的放電起始點(diǎn)位于場強(qiáng)集中處。對于一個(gè)造型復(fù)雜且結(jié)構(gòu)緊湊的三相設(shè)備而言，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)多個(gè)電場相對集中的區(qū)域。在劣化的絕緣介質(zhì)中，這些電場相對集中的區(qū)域是潛在的易發(fā)生放電的部位。使用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，邊界條件設(shè)定為三相對地，施加電壓為1050kV[10-11]，仿真結(jié)果如圖3所示。圖3中紅色區(qū)域?yàn)殡妶黾刑?，其中零電位電場集中區(qū)域?yàn)椴y管，以及與單相絕緣子相連的法蘭接口，高電位電場集中區(qū)域?yàn)椴y管附近的耦合觸頭、屏蔽罩，以及連接單相絕緣子的耦合觸頭。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元仿真

現(xiàn)場拆卸后的C相放電零件如圖4所示，分別為耦合觸頭、屏蔽罩、波紋管及螺栓。放電最為嚴(yán)重的是耦合觸頭及連接件單側(cè)屏蔽罩，燒穿部位為該耦合觸頭及屏蔽罩所對應(yīng)的波紋管處，即圖3中紅色標(biāo)簽處。值得注意的是，C相放電最嚴(yán)重的部位并沒有出現(xiàn)在電場強(qiáng)度最高的單相法蘭耦合觸頭處，而是出現(xiàn)在電場強(qiáng)度相對較弱的連接件屏蔽罩處，并且螺栓上出現(xiàn)了嚴(yán)重的放電痕跡，由此可以判定，對地放電由螺栓頭部及相連的屏蔽罩引起，對應(yīng)的放電點(diǎn)為波紋管。由圖3仿真結(jié)果可知，施加高電位后，電場集中處并不在螺栓或與其相連的屏蔽罩處，而在與其相連的耦合觸頭處[12-14]，且屏蔽罩只有一側(cè)發(fā)生放電，另一側(cè)沒有任何放電痕跡，這進(jìn)一步驗(yàn)證了此次放電的最初原因與螺栓及屏蔽罩有關(guān)。

圖4 C相放電零件

引發(fā)屏蔽罩及螺栓放電的原因有三種：一是屏蔽罩表面缺陷；二是螺栓表面缺陷；三是螺栓與屏蔽罩連接失效，形成懸浮電位。如果是屏蔽罩表面缺陷，很難形成圍繞螺栓孔四周的均勻放電痕跡。如果是螺栓表面缺陷，螺栓的位置在屏蔽罩之下，螺栓頭低于屏蔽罩3mm，處于屏蔽罩保護(hù)中，缺陷同樣受到屏蔽罩保護(hù)。從放電痕跡看，螺栓頭部分燒蝕均勻，屏蔽罩螺栓孔部位燒蝕也均勻，可見由于表面缺陷造成對地放電的可能性很小。

最終根據(jù)放電痕跡(圖5)判定屏蔽罩與螺栓內(nèi)側(cè)存在連接問題。屏蔽罩內(nèi)有放電痕跡，且燒損嚴(yán)重。屏蔽罩在運(yùn)行狀態(tài)中，安裝于導(dǎo)體側(cè)面，如果螺栓松動(dòng)，則一側(cè)內(nèi)表面接近導(dǎo)體，另一側(cè)遠(yuǎn)離導(dǎo)體，可出現(xiàn)內(nèi)側(cè)燒損嚴(yán)重的情況。螺栓孔內(nèi)側(cè)與螺栓搭接面處也嚴(yán)重?zé)龘p，推斷在屏蔽罩與導(dǎo)體臨近處，以及螺栓與屏蔽罩的搭接面曾有放電發(fā)生。該處為弧形面搭接，是螺栓未能有效施加力矩所致。在初始狀態(tài)下，屏蔽罩與螺栓連接處，以及屏蔽罩與導(dǎo)體臨近位置產(chǎn)生局部放電，并導(dǎo)致屏蔽罩表面情況持續(xù)劣化。同時(shí)，局部放電持續(xù)存在，使SF6氣體絕緣強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致C相屏蔽罩對波紋管絕緣擊穿，進(jìn)而形成C相對地絕緣故障。

圖5 屏蔽罩與螺栓放電痕跡

2.3 單相絕緣故障發(fā)展為三相絕緣故障的分析

由于大量酸性放電生成物、光輻射等因素的影響，樹脂絕緣件的絕緣強(qiáng)度會(huì)降低，即絕緣件的延面會(huì)因酸性物質(zhì)腐蝕而劣化。在這樣的情況下，對于污穢比較敏感的絕緣件易發(fā)生放電[15-18]。圖6所示為下母線的內(nèi)部狀況，可見多個(gè)絕緣子有放電痕跡。與B相絕緣子鄰近的耦合觸頭也發(fā)生了對地?fù)舸?，放電痕跡位于B相耦合觸頭處及臨近殼體。該放電部位與圖3中B相導(dǎo)體電場吻合，說明電場集中部位在電場劣化條件下易發(fā)生擊穿。由于A相及B相均可找到對地放電痕跡，因此驗(yàn)證了故障錄波所顯示的C相接地故障發(fā)生后發(fā)展為三相接地故障。

2.4 防爆膜未動(dòng)作的思考

此次故障中另一個(gè)值得注意的現(xiàn)象是防爆膜未動(dòng)作。在燃弧狀態(tài)下，氣室內(nèi)壓力理論上會(huì)迅速增高導(dǎo)致防爆膜破裂。本次絕緣故障中，波紋管燒穿，SF6氣體泄漏，而防爆膜未動(dòng)作，思考原因是波紋管燒穿部位壁厚約1mm，在達(dá)到防爆膜破裂壓力前，波紋管已被燒穿。可見，防爆膜的動(dòng)作壓力值需要引起注意。

3 改進(jìn)措施

本起故障中，氣室的放電現(xiàn)象復(fù)雜，但放電起始部位的判定相對明確。從波紋管燒穿可判定，放電的起始部位為C相耦合觸頭臨近屏蔽罩的一側(cè)。從仿真結(jié)果及長期運(yùn)行數(shù)據(jù)看，屏蔽罩對波紋管放電不是設(shè)計(jì)缺陷，推斷導(dǎo)致此次故障的原因?yàn)槁菟ㄅc屏蔽罩連接失效，與產(chǎn)品的安裝工藝有關(guān)。從蔓延到整個(gè)氣室的放電現(xiàn)象分析，產(chǎn)品在局部放電作用下，金屬件的表面質(zhì)量、絕緣件和絕緣介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度均會(huì)逐漸下降。對本起故障進(jìn)行總結(jié)，得出以下改進(jìn)措施。

3.1 螺栓裝配工藝

GIS內(nèi)部螺栓種類和數(shù)量繁多，螺栓根據(jù)實(shí)際需要涂抹不同的潤滑脂和膠水，因此如何控制工藝流程、避免人為錯(cuò)誤非常重要。此外，可以從設(shè)計(jì)角度考量，在滿足需求的同時(shí)，盡量減少螺栓的種類。在工藝方面，應(yīng)使用流程控制卡片等方法記錄并檢測工藝步驟，清晰到責(zé)任人，力矩扳手等需要定期檢測精度，還應(yīng)盡量避免應(yīng)用弧形面搭接。

3.2 電場強(qiáng)度集中部位的設(shè)計(jì)

電場裕度是一個(gè)需要謹(jǐn)慎考慮的問題，盡量在設(shè)計(jì)階段避免極不均勻電場的存在。就本起故障而言，耦合觸頭電場偏高也是造成B相耦合觸頭對殼體絕緣擊穿的原因之一。對于此類設(shè)計(jì)，宜采用較大倒角以避免場強(qiáng)集中[19-21]。此外，殼體作為零電位的設(shè)計(jì)也非常重要，殼體直徑的大小與絕緣、溫升息息相關(guān)，過度追求小直徑殼體、降低殼體成本并不是最佳選擇，如何均衡導(dǎo)體、殼體在電場和溫升試驗(yàn)中的表現(xiàn)與成本之間的關(guān)系，對產(chǎn)品性能是否穩(wěn)定至關(guān)重要。

3.3 絕緣件的設(shè)計(jì)和工藝

絕緣件在設(shè)備中通常起基石的作用。如果絕緣件的設(shè)計(jì)裕度偏小，則極易導(dǎo)致例行試驗(yàn)失敗。導(dǎo)體和殼體的后期改進(jìn)會(huì)導(dǎo)致成本上升，絕緣的更改成本則更是遠(yuǎn)超導(dǎo)體和殼體的更改，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)避免后期更改。在設(shè)計(jì)階段，使用ANSYS軟件嚴(yán)格考核電場[22-23]，尤其是絕緣介質(zhì)、金屬材料和SF6三交點(diǎn)，并在使用前針對絕緣件做例行局部放電試驗(yàn)，在生產(chǎn)階段按照工藝流程對絕緣件進(jìn)行清理和裝配。以上這些措施可有效避免絕緣子缺陷或人為因素導(dǎo)致的絕緣故障發(fā)生。

4 結(jié)束語

成熟產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)，均應(yīng)在不造成重大參數(shù)變化的前提下進(jìn)行。除設(shè)計(jì)改進(jìn)外，保持產(chǎn)品性能穩(wěn)定的重要因素是工藝。針對本起絕緣故障，可以明確絕緣故障產(chǎn)生和發(fā)展的過程，同時(shí)引發(fā)對設(shè)計(jì)和工藝流程控制的思考。故障項(xiàng)目更換了所有間隔的下母線，以及D03、D04間隔母線與隔離開關(guān)連接的6個(gè)絕緣子?，F(xiàn)場對安裝工藝嚴(yán)格控制，并順利通過試驗(yàn)，運(yùn)行至今一切正常，未發(fā)生類似故障。

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上海電氣電站大容量調(diào)相機(jī)進(jìn)軍特高壓領(lǐng)域

據(jù)中國上海門戶網(wǎng)站報(bào)道，由上海電氣集團(tuán)自主研發(fā)的當(dāng)前最大容量調(diào)相機(jī)正式進(jìn)入國家電網(wǎng)特高壓大直流工程。

日前，臨沂換流站3臺(tái) 300MVA 調(diào)相機(jī)正式合同簽署，首臺(tái)機(jī)組將于2017年8月交付。在2016年4月國家電網(wǎng)公司的公開招投標(biāo)中，上海電氣中標(biāo)其中13臺(tái)機(jī)組，占62%，總價(jià)近8億元人民幣。

相關(guān)資料顯示，國家電網(wǎng)該項(xiàng)目段工程建成后，每年可向江蘇、山東兩地輸送清潔電能 1100 億kWh，可有效緩解霧霾，促進(jìn)節(jié)能減排，改善大氣環(huán)境，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。

Failure causes of the interval in 220kV gas insulated metal enclosed switchgear and controlgears (GIS) include mechanical failure， insulation and engineering factors among which the insulation problem often causes failure propagation. By finite element simulation and on-site tear down analysis of the insulation fault of the interval in 220kV GIS insulation fault， its failure cause was identified as well as the shortcomings in design and engineering. The existing design， processing and assembly process had been improved to prevent similar failures from happening again.

Power System； GIS； Insulation； Failure

2016年6月

王鳳智(1980— )，女，本科，電氣工程師，主要從事高壓開關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)和仿真工作， E-mali：fengzhi.wang@siemens.com

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1674-540X(2016)04-050-05