楊冬冬，梁基重，張亦凌

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)天津?qū)氎婀╇姽?，天?301800）

0 引言

氣體絕緣封閉金屬開關(guān)設備（GIS）是由匯控柜、斷路器、隔離開關(guān)、接地（快速接地）開關(guān)、母線、電流互感器、電壓互感器、套管等一二次設備組成，由于具有小型化、可靠性高、安全性好、安裝周期短、維護方便等優(yōu)點，受到廣大用戶的廣泛歡迎[1-2]。自2006年以來，山西電網(wǎng)35 kV及以上電壓等級GIS設備裝用量增長約10倍，GIS設備發(fā)生故障的次數(shù)也隨之增多。為了保證GIS設備安全、可靠、穩(wěn)定地運行，有必要對山西電網(wǎng)近年來GIS設備缺陷情況進行分析研究，凝練出有針對性的技術(shù)監(jiān)督和運維檢修策略，供設備管理人員和生產(chǎn)技術(shù)人員學習參考。

1 山西電網(wǎng)GIS設備現(xiàn)狀

截至2018年底，山西電網(wǎng)在運的35 kV及以上電壓等級的GIS（HGIS） 共有2869間隔。GIS按電壓等級分：35 kV電壓等級38個間隔，占比1.32%；110 kV電壓等級1746個間隔，占比60.86%；220 kV電壓等級930個間隔，占比32.42%；550 kV電壓等級119個間隔，占比4.15%；1000 kV電壓等級36個間隔，占比1.25%。GIS按投運年限分：投運0～5年的有865個間隔，占比30.15%；5～10年的有1322個間隔，占比46.08%；10～15年的有531個間隔，占比18.51%；15～20年的有112個間隔，20年以上的有39個間隔?？梢钥闯?，110 kV～550 kV電壓等級的GIS最多，占據(jù)了總間隔數(shù)的97%以上，同時，近10年新增2187個間隔，占比76.23%，GIS數(shù)量激增。

2 山西電網(wǎng)近年來GIS故障情況

從近10年來的設備故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，山西電網(wǎng)GIS存在的缺陷和故障主要包括SF6氣體泄漏、內(nèi)部放電絕緣擊穿、斷路器操動機構(gòu)故障及二次回路故障等。

2.1 GIS氣室SF6氣體泄漏

SF6氣體泄漏會造成GIS氣室內(nèi)SF6氣體壓力降低，氣室絕緣下降，閉鎖斷路器動作，發(fā)生故障時會導致斷路器不能分閘，造成事故擴大化。根據(jù)對所屬各單位上報的案例進行分析，山西電網(wǎng)GIS氣室SF6氣體漏氣主要發(fā)生在冬季，主要為盆式絕緣子處漏氣。盆式絕緣子漏氣的原因主要有3點：一是安裝時注膠密封不合格，導致雨水沿著螺栓浸入盆式絕緣子與法蘭之間的潛槽，在螺栓與潛槽部位形成積水，進入冬季后，積水結(jié)冰產(chǎn)生膨脹力，使得盆式絕緣子產(chǎn)生裂紋，當裂紋穿越密封槽時引起盆式絕緣子漏氣[3]。二是盆式絕緣子安裝不當（如螺栓緊固不當、螺栓規(guī)格使用不當、高壓導桿偏離GIS外殼中心等），使其受力不均勻，在長期應力的作用下，產(chǎn)生裂紋，導致氣體泄漏。三是存在質(zhì)量缺陷，制造廠在零部件加工或階段性檢驗過程中存在問題。其他漏點還包括套管法蘭處漏氣、GIS本體砂眼漏氣、SF6密度繼電器管路漏氣等。

案例1：盆式絕緣子漏氣。2012年11月30日，某站220 kV西母2號、3號氣室SF6氣體低氣壓告警，檢修人員進行帶電補氣恢復到正常氣壓，但1天后，2號、3號氣室再次發(fā)生低氣壓告警，緊急申請將220 kV西母停電轉(zhuǎn)檢修。SF6紅外成像檢漏發(fā)現(xiàn)2號、3號氣室之間盆式絕緣子嚴重漏氣，解體后發(fā)現(xiàn)2個氣室之間對接面有進水腐蝕現(xiàn)象，盆式絕緣子存在明顯的裂紋。原因是廠家在現(xiàn)場安裝時，未對對接面進行抹膠密封，雨水侵入密封處和螺栓孔徑內(nèi)，進入冬季后，結(jié)冰產(chǎn)生膨脹力，使得盆式絕緣子出線裂紋，發(fā)生SF6氣體泄漏。

案例2：出線套管頂部法蘭處漏氣[4]。2014年9月，1000 kV特高壓變電站500 kV HGIS 5042間隔50422隔離開關(guān)C相氣室SF6氣體密度繼電器顯示壓力降低，運維人員使用FLIR 306紅外檢漏儀進行帶電檢測，在出線套管頂部檢測到有黑色煙絮狀陰影（如圖1所示），確認存在SF6氣體泄漏。同年10月年度綜合檢修對漏氣出線套管解體檢查，發(fā)現(xiàn)頂部端蓋的注膠螺栓孔內(nèi)有水存在，注膠槽內(nèi)硅橡膠密封膠已經(jīng)氣化消失，并且O型密封圈受到侵蝕。氣體泄漏原因分析為密封圈老化或者受潮失效導致SF6氣體泄漏。

2.2 GIS內(nèi)部放電故障

對近10年發(fā)生的數(shù)起GIS內(nèi)部放電故障進行統(tǒng)計，導致內(nèi)部放電的主要原因是制造廠生產(chǎn)過程管控不嚴，現(xiàn)場安裝沒有嚴格按照工藝進行，螺栓墊片緊固不緊等，安裝現(xiàn)場未進行防塵，導致外部灰塵、雜物遺留在GIS內(nèi)部。

圖1 套管頂端SF6氣體泄漏圖

案例3：出廠安裝不當導致運行后絕緣盆子閃絡放電。2010年5月20日，某站220 kV 292間隔故障跳閘，氣體成分分析檢查發(fā)現(xiàn)B相斷路器氣室硫化物成分顯著增高，I母豎式隔離開關(guān)氣室存在少量硫化物。故障斷路器解體后發(fā)現(xiàn)B相斷路器氣室與I母隔離開關(guān)氣室之間的盆式絕緣子產(chǎn)生了裂紋、碎片及放電擊穿孔洞（如圖2所示），動觸頭側(cè)屏蔽罩因電弧作用表面燒黑，中間導向桿偏下部有明顯擠壓、接觸痕跡。技術(shù)人員對該盆式絕緣子的材料、生產(chǎn)過程及出廠試驗進行了追溯，未發(fā)現(xiàn)問題，排除了該盆式絕緣子制造質(zhì)量的問題。從盆式絕緣子放電后的痕跡分析，故障前絕緣子內(nèi)部已有裂縫，在運行中發(fā)生放電，電弧能量在內(nèi)部裂縫中不能迅速釋放，導致盆式絕緣子發(fā)生炸裂，產(chǎn)生了絕緣子碎塊。從故障盆式絕緣子的觸頭燒黑、導向桿擠壓痕跡分析，本次故障主要原因是由于斷路器出廠裝配時，導電桿安裝中心位置精度控制不到位，導致盆式絕緣子連接后受到應力作用，長途運輸后產(chǎn)生微小裂紋，帶電運行后，裂紋繼續(xù)擴大導致絕緣擊穿發(fā)生放電。

圖2 放電擊穿盆式絕緣子

案例4：隔離開關(guān)傳動機構(gòu)部件變形磨損引起的GIS局放異常[5]。2015年12月12日，某220 kV變電站巡檢過程中發(fā)現(xiàn)220 kV GIS 2085間隔C相有異常響聲，隨即進行現(xiàn)場帶電診斷。SF6氣體分析檢測發(fā)現(xiàn)2085間隔氣室SO2體積分數(shù)為5 μL/L，H2S體積分數(shù)為0.5 μL/L，SO2體積分數(shù)已經(jīng)遠遠超過注意值1 μL/L，表明氣室內(nèi)部有放電；然后利用超聲波和特高頻法進行局放檢測和定位。綜合上述幾種帶電檢測結(jié)果判斷，2085-1 C相隔離開關(guān)存在局部放電，放電類型屬于懸浮放電，放電點位于2085-1 C相隔離開關(guān)傳動機構(gòu)處。解體檢查發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)傳動機構(gòu)導電桿上集聚大量灰黑色粉末，導電桿內(nèi)側(cè)有摩擦痕跡，導電桿末端銷子嚴重磨損；夾插兩側(cè)有磨損痕跡，等電位彈簧受擠壓變形失去了彈性。本次故障的主要原因是：在安裝時，夾插與銷子之間位置配合不當，導致等電位彈簧受到擠壓力，長時間運行后等電位彈簧不可逆變形，使得夾插和銷子接觸不良，產(chǎn)生懸浮電位并放電；夾插外側(cè)與導電桿末端磨損可能為制造或者安裝過程中，因材料、制造質(zhì)量或者安裝工藝控制不嚴，造成位置配合不當，或者在出廠試驗時多次分合操作造成接觸面磨損等。

2.3 GIS斷路器操動機構(gòu)異常

對GIS斷路器操動機構(gòu)異常案例進行分析發(fā)現(xiàn)，設備故障的主要原因是由于設備廠家早期技術(shù)力量薄弱，斷路器在元件生產(chǎn)工藝控制、安裝工藝控制及出廠驗收方面存在嚴重問題，導致斷路器長期運行后出現(xiàn)設備質(zhì)量隱患。

案例5：某220 kV站GIS設備斷路器機械特性異常。2018年5月13日，某220 kV站綜合檢修發(fā)現(xiàn)6臺GIS斷路器合閘時間及同期時間嚴重超標，型號為ZF11B-252（L），2014年投入運行。現(xiàn)場對斷路器機構(gòu)解體后發(fā)現(xiàn)，6臺斷路器彈簧機構(gòu)的兩輪間隙調(diào)節(jié)全部不合格，合閘彈簧調(diào)節(jié)桿外露尺寸一致性差。主要原因為生產(chǎn)廠家在斷路器關(guān)鍵工藝質(zhì)量控制、裝配質(zhì)量控制、關(guān)鍵部件把關(guān)驗收和整組設備出廠試驗等環(huán)節(jié)把關(guān)不嚴，導致設備在投運后性能發(fā)生異常，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行埋下了隱患。

案例6：某500 kV站罐式斷路器油壓低閉鎖合閘異常。2018年5月16日0時46分，某500 kV站5023斷路器“低油壓閉鎖合閘”報警，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)5023罐式斷路器液壓彈簧機構(gòu)高壓油路模塊油輕微滲漏，機構(gòu)箱內(nèi)部存在少量液壓油油跡，導致斷路器頻繁打壓至低油壓閉鎖合閘。后對高壓油路模塊解體檢查，發(fā)現(xiàn)滲油原因為機構(gòu)換向閥處螺絲壓力墊和密封墊安裝錯位，密封不嚴。

2.4 二次回路故障

非全相保護誤動作。某220 kV站早期GIS斷路器本體非全相功能不完善，在污穢潮濕條件下，斷路器機構(gòu)箱內(nèi)輔助開關(guān)引出的非全相啟動回路接點與斷路器位置指示燈接點之間形成放電短路，導致斷路器本體非全相保護誤啟動跳閘。

3 存在的問題及建議

對上述案例進行分析后可以得出，造成山西電網(wǎng)GIS設備常見缺陷和故障的主要原因是工程設計階段、設備制造階段、安裝調(diào)試階段的質(zhì)量管理與控制不嚴造成的，具體表現(xiàn)為GIS產(chǎn)品設計、原材料質(zhì)量、工廠裝配、現(xiàn)場安裝工藝及交接驗收等環(huán)節(jié)存在質(zhì)量控制不嚴，導致存在隱患的設備投入運行，這些隱患導致嚴重的電網(wǎng)事故和設備事故，造成不良影響。因此，要加強設備入網(wǎng)前期質(zhì)量管控及投運后設備運維檢修。

a） 工程設計階段。在GIS產(chǎn)品設計方面，要結(jié)合設備實際運行現(xiàn)狀，嚴格按照設備選型標準、公司反事故措施、差異化要求等進行設計審查，重點是對在原理上可行但實際運行中容易損傷造成設備隱患的微小元件的運行可靠性進行審查；對二次控制和信號回路的完整性進行審查，二次回路不應該有寄生回路，防跳繼電器、非全相繼電器要設置在匯控箱內(nèi)，不應設置在機構(gòu)箱內(nèi)；對于易發(fā)生閃絡的盆式絕緣子，設計時應盡量水平布置；設備機構(gòu)箱內(nèi)要有完善的溫度濕度控制裝置，且布置合理，便于運維期間進行定整定訂設置。

b） 設備制造階段。在原材料料質(zhì)量控制方面，對制造設備的主要原材料、外購件的證明文件及檢驗報告和質(zhì)量證明文件（材質(zhì)成分報告、機械強度報告等）、制造廠家提交的檢驗資料進行審查；檢查實際材質(zhì)與材質(zhì)單是否一致，外協(xié)外購件的尺寸公差、形狀公差、位置公差是否滿足圖紙要求；針對GIS本體及附件易發(fā)生漏氣隱患，重點進行GIS密封性檢測；在產(chǎn)品裝配方面，重點檢查工廠設備裝配記錄是否全面，是否符合產(chǎn)品裝配技術(shù)標準規(guī)范要求，裝配記錄應可追溯。

c）安裝調(diào)試階段。GIS設備現(xiàn)場安裝時，應采取有效的防塵措施，必要時搭建專用的防塵室，重點監(jiān)督GIS元件清理過程，防止灰塵顆粒擦拭不干凈及其他金屬小部件遺留在GIS設備內(nèi)部；監(jiān)督檢查現(xiàn)場安裝工序卡，防止部件錯裝、漏裝、安裝不到位等現(xiàn)象發(fā)生；交接試驗除了完成規(guī)定的試驗項目外，應對影響產(chǎn)品性能的關(guān)鍵參數(shù)進行檢查，特別是影響斷路器機械特性的關(guān)鍵參數(shù)，彈簧機構(gòu)重點關(guān)注機構(gòu)內(nèi)部兩輪間隙、分閘電磁鐵頂桿間隙、合閘簧調(diào)節(jié)桿外露尺寸、脫扣器動作等直接影響開關(guān)可靠分合閘性能的關(guān)鍵部件及裝配工藝等逐項檢查驗收并做好記錄；液壓機構(gòu)重點測試油壓開關(guān)所有微動開關(guān)接點回路，檢查電機電源回路接線完好，核對監(jiān)控后臺信息，校驗分閘、合閘、重合閘閉鎖油壓整定值；GIS設備耐壓期間要同時做好局放檢測工作，并記錄局放值。

d）運維檢修階段。GIS運行中，要加強帶電檢測和在線監(jiān)測工作，按周期開展紅外、特高頻、超聲波帶電檢測，必要時結(jié)合SF6氣體成分分析進行綜合分析判斷；做好SF6氣室壓力巡查及記錄工作，定期進行分析對比，提前發(fā)現(xiàn)氣室漏氣缺陷；做好設備防雨、防塵、通風、防潮性能巡查工作；GIS例行檢修，要做好機械特性試驗數(shù)據(jù)、關(guān)鍵工藝參數(shù)的橫向縱向比對分析；開展非全相繼電器功能校驗工作；加強輔助開關(guān)接點的檢修維護工作。

4 結(jié)語

a） 絕大多數(shù)GIS設備發(fā)生缺陷、故障的原因為GIS在投入運行前就帶有隱患。因此，GIS制造廠要嚴格按照生產(chǎn)工藝流程進行設備質(zhì)量管控，同時電網(wǎng)公司設備質(zhì)量監(jiān)督部門要將監(jiān)督關(guān)口前移，在GIS生產(chǎn)、制造、運輸和交接驗收各個階段，嚴格按照《國網(wǎng)公司GIS驗收管理規(guī)定》和《GIS全過程技術(shù)監(jiān)督精益化管理實施細則》做好設備入網(wǎng)投運前質(zhì)量把關(guān)工作。

b）做好產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)工作，提高員工的技能水平，積極開展設備原理結(jié)構(gòu)、相關(guān)技術(shù)標準、規(guī)程培訓工作，開展實操和技能競賽工作，努力打造一批高水平生產(chǎn)運維人員，為電網(wǎng)設備安全可靠運行做好技術(shù)保障。