劉平(國網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司,湖南長沙410213)
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GIS設(shè)備盆式絕緣子擊穿故障原因分析及處理探討
劉平
(國網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司,湖南長沙410213)
摘要:SF6全封閉組合電器體積小、技術(shù)性能優(yōu)良,是20世紀70年代初期出現(xiàn)的一種先進的高壓電氣配電裝置。國際上稱這種電器為Gas-Insulater Switchgear,簡稱為GIS。GIS設(shè)備具有優(yōu)良的技術(shù)性能和占地面積少的特點,維護工作量小,所以近年來應用發(fā)展十分迅速。由于GIS設(shè)備對安裝與檢修的工藝要求十分高,所以,在安裝投運初期容易發(fā)生事故。本文對某電站首次帶電試運行過程中發(fā)生的隔離開關(guān)氣室盆式絕緣子擊穿故障進行分析探討,并提出了相應的防范措施。
關(guān)鍵詞:GIS;盆式絕緣子;擊穿;分析;處理
某電站安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機組,單機容量(發(fā)電工況)300 MW,總裝機容量1 200 MW,以一回500 kV電壓等級并入電網(wǎng)。擔負電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等任務(wù)。電站樞紐建筑物包括上庫、下庫、引水系統(tǒng)、廠房洞室群及500 kV地面開關(guān)站與副廠房等。
電站500 kV GIS由地下和地上兩部分組成,以兩回500 kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜連接,所用500 kV干式電纜終端為國內(nèi)首次使用。地上GIS以一回出線與出線平臺設(shè)備相連,預留一回出線。GIS設(shè)備包括管母線、斷路器、隔離刀閘、接地刀閘、快速接地刀閘、避雷器、電容式電壓互感器、出線SF6-空氣套管等。設(shè)備型號為ZF15-550,額定電壓550 kV,額定電流4 000 A,是國內(nèi)首套應用于抽水蓄能電站的GIS設(shè)備。
設(shè)備型號:ZF15-550
額定電壓:550 kV
額定頻率:50 Hz
額定電流:4 000 A
額定短時耐受電流(有效值):63 kA
額定短路持續(xù)時間:3 s
額定峰值耐受電流:171 kA
SF6年漏氣率:小于0.5 %
斷路器氣室SF6氣體額定壓力:0.60 MPa
其他氣室SF6氣體額定壓力:0.4 MPa
該電站GIS設(shè)備于2009年4月30日14:16開始帶電試運行,未帶負載,5月1日下午19:34分,1 號/2號主變間隔50013隔離開關(guān)B相氣室內(nèi)部發(fā)生對地放電故障,查得放電短路電流約15 kA,故障發(fā)生后,我廠500 kV短線保護未動作,140 ms后線路對側(cè)開關(guān)跳閘。故障后現(xiàn)場檢查有明顯漏氣聲。
故障140 ms后對側(cè)變電站接地距離二段動作切除故障。經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),故障發(fā)生后該電站短線差動保護A、B套均未動作,控制面板上無任何動作信號及報警信號,主變A、B套復壓過流保護、主變零序Ⅰ、Ⅱ段保護啟動報警燈亮,無出口信號。
5月2日晚,廠家技術(shù)人員趕到現(xiàn)場并對故障部位進行解體檢查,發(fā)現(xiàn)氣室內(nèi)有大量的粉塵和分解物,隔離開關(guān)與TA氣室間的盆式絕緣子有兩條貫穿的裂紋,并且炸裂一大塊,相鄰的CT罐內(nèi)的導體上有220×340 mm2的橢圓形漆層被碳化。隔離開關(guān)氣室后部的盆式絕緣子(通盆)表面被電弧熏黑,隔離開關(guān)動、靜觸指座屏蔽罩被電弧燒出了孔洞。經(jīng)檢查隔離開關(guān)觸頭根據(jù)插入痕跡判斷接觸良好。沒有發(fā)現(xiàn)其他異常。
圖1 CT氣室法蘭面處有燒灼痕跡
圖2 盆式絕緣子被炸出一個大洞
(1)GIS盆式絕緣子由環(huán)氧樹脂澆注而成,所以,GIS設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生故障時必然會沿著絕緣子表面對外殼進行放電。而盆式絕緣子在澆注過程中若表面粗糙、不平滑、有劃傷或清潔度不夠等缺陷,安裝帶電后在強電場的作用下,表面電場分布會發(fā)生畸變,從而使盆式絕緣子表面閃絡(luò)電壓降低,在額定電壓情況下發(fā)生閃絡(luò)放電。
(2)查詢廠家出廠試驗報告,每個盆式絕緣子單件要進行1.2 MPa的水壓強度試驗,在0.4 MPa SF6氣體壓力下進行740 kV工頻耐壓試驗,在381 kV電壓下局放試驗值不大于3 PC。產(chǎn)品在車間裝配后,整體進行740 kV的工頻耐壓試驗。局放試驗不大于10 PC。產(chǎn)品在現(xiàn)場安裝后,還要進行740 kV× 80 %=592 kV的工頻耐壓交接試驗。盆式絕緣子在出廠及安裝交接試驗過程中經(jīng)過了層層考核,可初步排除故障是盆式絕緣子內(nèi)部存在缺陷引發(fā)的。
(3)該故障在GIS設(shè)備帶電近29h后發(fā)生,因此,盆式絕緣子放電擊穿的原因應該是在GIS組裝過程中,由于工藝要求控制不到位,在管母線或?qū)щ姉U等物件對接過程中,造成金屬部件摩擦而產(chǎn)生細微金屬顆粒,或由于零部件清洗不徹底,遺留有灰塵、雜質(zhì)或金屬顆粒,經(jīng)長途運輸,操作的振動,落到水平布置的該盆式絕緣子表面。產(chǎn)品帶電后,這些灰塵、雜質(zhì)、金屬顆粒會在電場的作用下,緩慢漂浮移動,當某一位置比較集中時,盆式絕緣子表面閃絡(luò)電壓值降低,就會造成SF6氣體的氣隙放電或沿盆式絕緣子表面放電。
(4)盆式絕緣子炸裂的原因為短路電流大,持續(xù)時間比較長,電弧中心溫度可達到10 000℃左右,由于熱脹冷縮的作用,造成盆式絕緣子產(chǎn)生裂紋和炸裂。炸裂后電弧又延伸到盆式絕緣子下表面,又引發(fā)相鄰的CT氣室的導體與觸座屏蔽罩間放電。另外,電弧在電場作用下,旋轉(zhuǎn)到隔離開關(guān)動、靜觸座的屏蔽罩間,又引發(fā)屏蔽罩間及對罐放電,使得屏蔽罩燒出了孔洞。
(5)檢查短線保護閉鎖后的告警時間,檢查短線保護在CT檢測閉鎖短線保護時,保護功能為瞬時閉鎖,但現(xiàn)地保護單元告警(LED閃爍)需0.5 s,中央單元閉鎖告警(閉鎖LED點亮)需1 s時間。因此實際故障時,對側(cè)距離保護140 ms切除故障,短線保護由于Current Neutral Direction為Direction1,保護功能瞬時閉鎖,而LED告警信號由于故障已切除,未能發(fā)出?,F(xiàn)場試驗證明,保護功能閉鎖時現(xiàn)地保護單元需480 ms才能啟動LED告警信號。至此可以確認保護控制面板無報警信號原因:對側(cè)保護經(jīng)過140 ms切除故障,故障消除,未達到短線保護亮故障燈需要故障存在500 ms的啟動條件,造成面板指示燈未點亮。
(1)立即啟動SF6氣體泄漏緊急處置預案,對整個GIS設(shè)備間及其相鄰設(shè)備區(qū)域進行封閉,發(fā)出預警通知,禁止人員進入該區(qū)域工作;安裝足夠數(shù)量的軸流風機進行強制排風,并實時監(jiān)測SF6氣體濃度。
(2)檢測故障區(qū)域內(nèi)SF6氣體含量不超過1000μL/L(即1 000 ppm)后,撤銷預警。在故障GIS間隔搭建無塵工作室與外部環(huán)境進行隔離,檢測工作室內(nèi)濕度不得超過80 %。
(3)逐步將相鄰氣室壓力進行降低回收處理,防止由于單側(cè)氣壓高導致盆式絕緣子損壞。
(4)按照工藝規(guī)程,整體更換50013隔離開關(guān)三相裝配,更換CT氣室內(nèi)的導體、觸座裝配與260 mm高的過渡罐。
(5)采用無毛紙、丙酮清洗相鄰電纜側(cè)母線罐罐體及導體、觸座裝配。
(6)回收相鄰50033隔離開關(guān)A、B、C三相的SF6氣體,開蓋檢查內(nèi)部清潔度,經(jīng)檢查內(nèi)部清潔、進一步清洗后,更換吸附劑,密封圈。經(jīng)檢查相同結(jié)構(gòu)的50033隔離開關(guān)三相氣室,內(nèi)部清潔可以認定50013隔離開關(guān)B相故障屬于個案。
(7)對已處理氣室進行抽真空處理,每15 min記錄一次真空度,對每個氣室抽真空到40 Pa以下,靜置2h,再檢查真空度,若前后兩者之差不大于67 Pa(極限值為133 Pa),可以認定密封良好,繼續(xù)抽真空2 h。
(8)充氣前檢測備用SF6氣體水分含量不大于65 μL/L,充SF6氣體時先氣化鋼瓶內(nèi)的SF6氣體,防止液態(tài)SF6直接充入設(shè)備。監(jiān)測鋼瓶氣壓降至0.14 MPa表壓時應停止充氣。充氣完成24 h后,對設(shè)備中SF6氣體進行濕度、空氣、CF4等項目檢測,符合GB50150和GB/T8905要求。
(9)對開罐處理過的所有氣室進行氣密性試驗和含水量測量。充氣達到額定壓力后,靜置24 h,檢測氣室內(nèi)的SF6氣體水分含量小于250 μL/L;采用局部包扎法進行檢漏,SF6氣體泄漏率小于1 %。
(10)對50013隔離開關(guān)B相進行工頻耐壓試驗,最高試驗電壓為出廠試驗的80 %,即592 kV,在耐壓試驗過程中,進行300 kV老練試驗,在線監(jiān)測B相各氣室的局部放電量。若發(fā)現(xiàn)有氣室局放量過大,則需進行開蓋檢查后處理。最后,耐壓試驗順利通過。在交流耐壓試驗前及試驗過程中,進行了超聲波、超高頻局部放電測量,未發(fā)現(xiàn)異常。
(11)交流耐壓試驗完成后,各氣室進行了分解物測試,結(jié)果正常。
(12)保護專業(yè)人員修改相關(guān)保護定值。將現(xiàn)1號主變高壓側(cè)500 kV短線保護現(xiàn)地單元保護軟件中Current Neutral Direction從Direction1改為Direction2。將GIS側(cè)500 kV短線保護現(xiàn)地單元保護軟件中Current Neutral Direction從Direction1改為Direction2。經(jīng)模擬試驗后保護動作正常。
(13)試驗結(jié)論正常,保護測試正常后,對GIS設(shè)備進行倒送電試驗正常,設(shè)備投運成功。
(14)加強GIS設(shè)備跟蹤監(jiān)測,定期開展GIS氣室超聲波局放檢測,觀測各氣室局放量變化趨勢。
該電站GIS設(shè)備氣室盆式絕緣子擊穿故障的根本原因是生產(chǎn)廠家廠內(nèi)裝配質(zhì)量工藝控制不嚴,現(xiàn)場安裝過程中對于制造廠成套到貨設(shè)備未安排開罐檢查,對于該型設(shè)備的內(nèi)部隱患排查不徹底,而該類故障暴露需要運行時間,不能通過老化試驗或耐壓試驗進行檢驗。所以,對于高電壓、大電流的全密閉電氣設(shè)備應加強廠內(nèi)監(jiān)造,加強設(shè)備交接試驗驗收。對GIS設(shè)備而言,應加強對水平安裝絕緣子的重點監(jiān)測,推廣運用GIS超聲波、超高頻局放在線裝置,做到設(shè)備狀態(tài)可視化,確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。
GIS盆式絕緣子放電故障受材料因素、環(huán)境因素、安裝工藝、檢修工藝的影響比較大,只要在安裝或檢修過程中控制好清潔度、真空度、密閉性等三個方面,做好GIS設(shè)備投運后的巡視檢查和定期工作,基本就可以避免盆式絕緣子故障的發(fā)生。
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作者簡介:劉平(1976-),男,工程師,從事機電設(shè)備運行與檢修業(yè)務(wù)管理工作。
收稿日期:2015-12-16
DOI:10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.017
中圖分類號:M595
文獻標識碼:B
文章編號:1672-5387(2016)03-0058-03