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

1工程概述

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。

2設(shè)備技術(shù)參數(shù)

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

3故障過程

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

4故障原因分析

（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。

5故障處理及防范措施

（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。

6總結(jié)

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。

參考文獻：

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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