劉平(國(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司,湖南長(zhǎng)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(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司,湖南長(zhǎng)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(jì)70年代初期出現(xiàn)的一種先進(jìn)的高壓電氣配電裝置。國(guó)際上稱(chēng)這種電器為Gas-Insulater Switchgear,簡(jiǎn)稱(chēng)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(diǎn),維護(hù)工作量小,所以近年來(lái)應(yīng)用發(fā)展十分迅速。由于GIS設(shè)備對(duì)安裝與檢修的工藝要求十分高,所以,在安裝投運(yùn)初期容易發(fā)生事故。本文對(duì)某電站首次帶電試運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的隔離開(kāi)關(guān)氣室盆式絕緣子擊穿故障進(jìn)行分析探討,并提出了相應(yīng)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(tái)立式單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組,單機(jī)容量(發(fā)電工況)300 MW,總裝機(jī)容量1 200 MW,以一回500 kV電壓等級(jí)并入電網(wǎng)。擔(dān)負(fù)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(kù)、下庫(kù)、引水系統(tǒng)、廠(chǎng)房洞室群及500 kV地面開(kāi)關(guān)站與副廠(chǎng)房等。
電站500 kV GIS由地下和地上兩部分組成,以?xún)苫?00 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(guó)內(nèi)首次使用。地上GIS以一回出線(xiàn)與出線(xiàn)平臺(tái)設(shè)備相連,預(yù)留一回出線(xiàn)。GIS設(shè)備包括管母線(xiàn)、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(xiàn)SF6-空氣套管等。設(shè)備型號(hào)為ZF15-550,額定電壓550 kV,額定電流4 000 A,是國(guó)內(nèi)首套應(yīng)用于抽水蓄能電站的GIS設(shè)備。
設(shè)備型號(hào):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(shí)耐受電流(有效值):63 kA
額定短路持續(xù)時(shí)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(kāi)始帶電試運(yùn)行,未帶負(fù)載,5月1日下午19:34分,1 號(hào)/2號(hào)主變間隔50013隔離開(kāi)關(guān)B相氣室內(nèi)部發(fā)生對(duì)地放電故障,查得放電短路電流約15 kA,故障發(fā)生后,我廠(chǎng)500 kV短線(xiàn)保護(hù)未動(dòng)作,140 ms后線(xiàn)路對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)跳閘。故障后現(xiàn)場(chǎng)檢查有明顯漏氣聲。
故障140 ms后對(duì)側(cè)變電站接地距離二段動(dòng)作切除故障。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn),故障發(fā)生后該電站短線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)A、B套均未動(dòng)作,控制面板上無(wú)任何動(dòng)作信號(hào)及報(bào)警信號(hào),主變A、B套復(fù)壓過(guò)流保護(hù)、主變零序Ⅰ、Ⅱ段保護(hù)啟動(dòng)報(bào)警燈亮,無(wú)出口信號(hào)。
5月2日晚,廠(chǎng)家技術(shù)人員趕到現(xiàn)場(chǎng)并對(duì)故障部位進(jìn)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(kāi)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(dǎo)體上有220×340 mm2的橢圓形漆層被碳化。隔離開(kāi)關(guān)氣室后部的盆式絕緣子(通盆)表面被電弧熏黑,隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)、靜觸指座屏蔽罩被電弧燒出了孔洞。經(jīng)檢查隔離開(kāi)關(guān)觸頭根據(jù)插入痕跡判斷接觸良好。沒(méi)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(gè)大洞
(1)GIS盆式絕緣子由環(huán)氧樹(shù)脂澆注而成,所以,GIS設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生故障時(shí)必然會(huì)沿著絕緣子表面對(duì)外殼進(jìn)行放電。而盆式絕緣子在澆注過(guò)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(qiáng)電場(chǎng)的作用下,表面電場(chǎng)分布會(huì)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(xún)廠(chǎng)家出廠(chǎng)試驗(yàn)報(bào)告,每個(gè)盆式絕緣子單件要進(jìn)行1.2 MPa的水壓強(qiáng)度試驗(yàn),在0.4 MPa SF6氣體壓力下進(jìn)行740 kV工頻耐壓試驗(yàn),在381 kV電壓下局放試驗(yàn)值不大于3 PC。產(chǎn)品在車(chē)間裝配后,整體進(jìn)行740 kV的工頻耐壓試驗(yàn)。局放試驗(yàn)不大于10 PC。產(chǎn)品在現(xiàn)場(chǎng)安裝后,還要進(jìn)行740 kV× 80 %=592 kV的工頻耐壓交接試驗(yàn)。盆式絕緣子在出廠(chǎng)及安裝交接試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)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(yīng)該是在GIS組裝過(guò)程中,由于工藝要求控制不到位,在管母線(xiàn)或?qū)щ姉U等物件對(duì)接過(guò)程中,造成金屬部件摩擦而產(chǎn)生細(xì)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(zhǎng)途運(yùn)輸,操作的振動(dòng),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(huì)在電場(chǎng)的作用下,緩慢漂浮移動(dòng),當(dāng)某一位置比較集中時(shí),盆式絕緣子表面閃絡(luò)電壓值降低,就會(huì)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?yàn)槎搪冯娏鞔?,持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng),電弧中心溫度可達(dá)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(dǎo)體與觸座屏蔽罩間放電。另外,電弧在電場(chǎng)作用下,旋轉(zhuǎn)到隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)、靜觸座的屏蔽罩間,又引發(fā)屏蔽罩間及對(duì)罐放電,使得屏蔽罩燒出了孔洞。
(5)檢查短線(xiàn)保護(hù)閉鎖后的告警時(shí)間,檢查短線(xiàn)保護(hù)在CT檢測(cè)閉鎖短線(xiàn)保護(hù)時(shí),保護(hù)功能為瞬時(shí)閉鎖,但現(xiàn)地保護(hù)單元告警(LED閃爍)需0.5 s,中央單元閉鎖告警(閉鎖LED點(diǎn)亮)需1 s時(shí)間。因此實(shí)際故障時(shí),對(duì)側(cè)距離保護(hù)140 ms切除故障,短線(xiàn)保護(hù)由于Current Neutral Direction為Direction1,保護(hù)功能瞬時(shí)閉鎖,而LED告警信號(hào)由于故障已切除,未能發(fā)出?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,保護(hù)功能閉鎖時(shí)現(xiàn)地保護(hù)單元需480 ms才能啟動(dòng)LED告警信號(hào)。至此可以確認(rèn)保護(hù)控制面板無(wú)報(bào)警信號(hào)原因:對(duì)側(cè)保護(hù)經(jīng)過(guò)140 ms切除故障,故障消除,未達(dá)到短線(xiàn)保護(hù)亮故障燈需要故障存在500 ms的啟動(dòng)條件,造成面板指示燈未點(diǎn)亮。
(1)立即啟動(dòng)SF6氣體泄漏緊急處置預(yù)案,對(duì)整個(gè)GIS設(shè)備間及其相鄰設(shè)備區(qū)域進(jìn)行封閉,發(fā)出預(yù)警通知,禁止人員進(jìn)入該區(qū)域工作;安裝足夠數(shù)量的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制排風(fēng),并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SF6氣體濃度。
(2)檢測(cè)故障區(qū)域內(nèi)SF6氣體含量不超過(guò)1000μL/L(即1 000 ppm)后,撤銷(xiāo)預(yù)警。在故障GIS間隔搭建無(wú)塵工作室與外部環(huán)境進(jìn)行隔離,檢測(cè)工作室內(nèi)濕度不得超過(guò)80 %。
(3)逐步將相鄰氣室壓力進(jìn)行降低回收處理,防止由于單側(cè)氣壓高導(dǎo)致盆式絕緣子損壞。
(4)按照工藝規(guī)程,整體更換50013隔離開(kāi)關(guān)三相裝配,更換CT氣室內(nèi)的導(dǎo)體、觸座裝配與260 mm高的過(guò)渡罐。
(5)采用無(wú)毛紙、丙酮清洗相鄰電纜側(cè)母線(xiàn)罐罐體及導(dǎo)體、觸座裝配。
(6)回收相鄰50033隔離開(kāi)關(guān)A、B、C三相的SF6氣體,開(kāi)蓋檢查內(nèi)部清潔度,經(jīng)檢查內(nèi)部清潔、進(jìn)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(kāi)關(guān)三相氣室,內(nèi)部清潔可以認(rèn)定50013隔離開(kāi)關(guān)B相故障屬于個(gè)案。
(7)對(duì)已處理氣室進(jìn)行抽真空處理,每15 min記錄一次真空度,對(duì)每個(gè)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(rèn)定密封良好,繼續(xù)抽真空2 h。
(8)充氣前檢測(cè)備用SF6氣體水分含量不大于65 μL/L,充SF6氣體時(shí)先氣化鋼瓶?jī)?nèi)的SF6氣體,防止液態(tài)SF6直接充入設(shè)備。監(jiān)測(cè)鋼瓶氣壓降至0.14 MPa表壓時(shí)應(yīng)停止充氣。充氣完成24 h后,對(duì)設(shè)備中SF6氣體進(jìn)行濕度、空氣、CF4等項(xiàng)目檢測(cè),符合GB50150和GB/T8905要求。
(9)對(duì)開(kāi)罐處理過(guò)的所有氣室進(jìn)行氣密性試驗(yàn)和含水量測(cè)量。充氣達(dá)到額定壓力后,靜置24 h,檢測(cè)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(jìn)行檢漏,SF6氣體泄漏率小于1 %。
(10)對(duì)50013隔離開(kāi)關(guān)B相進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn),最高試驗(yàn)電壓為出廠(chǎng)試驗(yàn)的80 %,即592 kV,在耐壓試驗(yàn)過(guò)程中,進(jìn)行300 kV老練試驗(yàn),在線(xiàn)監(jiān)測(cè)B相各氣室的局部放電量。若發(fā)現(xiàn)有氣室局放量過(guò)大,則需進(jìn)行開(kāi)蓋檢查后處理。最后,耐壓試驗(yàn)順利通過(guò)。在交流耐壓試驗(yàn)前及試驗(yàn)過(guò)程中,進(jìn)行了超聲波、超高頻局部放電測(cè)量,未發(fā)現(xiàn)異常。
(11)交流耐壓試驗(yàn)完成后,各氣室進(jìn)行了分解物測(cè)試,結(jié)果正常。
(12)保護(hù)專(zhuān)業(yè)人員修改相關(guān)保護(hù)定值。將現(xiàn)1號(hào)主變高壓側(cè)500 kV短線(xiàn)保護(hù)現(xiàn)地單元保護(hù)軟件中Current Neutral Direction從Direction1改為Direction2。將GIS側(cè)500 kV短線(xiàn)保護(hù)現(xiàn)地單元保護(hù)軟件中Current Neutral Direction從Direction1改為Direction2。經(jīng)模擬試驗(yàn)后保護(hù)動(dòng)作正常。
(13)試驗(yàn)結(jié)論正常,保護(hù)測(cè)試正常后,對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行倒送電試驗(yàn)正常,設(shè)備投運(yùn)成功。
(14)加強(qiáng)GIS設(shè)備跟蹤監(jiān)測(cè),定期開(kāi)展GIS氣室超聲波局放檢測(cè),觀(guān)測(cè)各氣室局放量變化趨勢(shì)。
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(chǎng)家廠(chǎng)內(nèi)裝配質(zhì)量工藝控制不嚴(yán),現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中對(duì)于制造廠(chǎng)成套到貨設(shè)備未安排開(kāi)罐檢查,對(duì)于該型設(shè)備的內(nèi)部隱患排查不徹底,而該類(lèi)故障暴露需要運(yùn)行時(shí)間,不能通過(guò)老化試驗(yàn)或耐壓試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。所以,對(duì)于高電壓、大電流的全密閉電氣設(shè)備應(yīng)加強(qiáng)廠(chǎng)內(nèi)監(jiān)造,加強(qiáng)設(shè)備交接試驗(yàn)驗(yàn)收。對(duì)GIS設(shè)備而言,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水平安裝絕緣子的重點(diǎn)監(jiān)測(cè),推廣運(yùn)用GIS超聲波、超高頻局放在線(xiàn)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(yùn)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(guò)程中控制好清潔度、真空度、密閉性等三個(gè)方面,做好GIS設(shè)備投運(yùn)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(jiǎn)介:劉平(1976-),男,工程師,從事機(jī)電設(shè)備運(yùn)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(lèi)號(hào):M595
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
文章編號(hào):1672-5387(2016)03-0058-03