馬慧敏，張星宇，戴雨薇，劉文斌

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學研究院，呼和浩特010010）

0 引言

組合電器因結(jié)構(gòu)緊湊、運行可靠，適應性強且易維護等諸多優(yōu)點[1]，在電網(wǎng)建設中被廣泛采用。當組合電器運行年限較長時，也會出現(xiàn)較多問題，例如，因組合電器內(nèi)部隱患不易檢測，發(fā)生故障后，故障位置和原因都較難判斷；故障檢修時的停電范圍比常規(guī)敞開式電器設備要大，解體檢查、檢修耗時也較長[2]。本文通過對國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器2020年底前的運行故障進行了統(tǒng)計分析，從質(zhì)量提升、防范異物、強化運維、缺陷整改等方面給出了相關建議。

1 國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器投運狀況

高壓組合電器通常指封閉式高壓組合電器，即氣體絕緣金屬封閉式開關設備（Gas Insulated Metal?enclosed Switchgear，GIS），其將斷路器、隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、連接母線、套管以及電纜終端等各種電氣設備，按照變電設備一次系統(tǒng)圖，合理組合存放在全封閉的金屬殼體內(nèi)實現(xiàn)電氣功能[2-4]。

截至2020年底，國家電網(wǎng)公司在運特高壓組合電器共416個間隔，分布于天津、河北、冀北、山西、山東、上海、江蘇、浙江、安徽、福建、湖北、河南、蒙東和陜西共計14個省公司，其中山東、江蘇、浙江的裝用量居前。

按照特高壓組合電器制造廠統(tǒng)計，平高電氣股份有限公司（以下簡稱平高電氣）、新東北電氣集團有限公司（以下簡稱新東北電氣）、西電開關電氣有限公司（以下簡稱西開電氣）裝用量占前三位（分別占總裝用量46.0%、24.4%，23.6%），山東電工電氣日立高壓開關有限公司（以下簡稱山東日立）裝用量較少，約占6%。

2 特高壓組合電器故障分析

根據(jù)國家電網(wǎng)公司設備（資產(chǎn)）運維精益管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，截至2020年底，國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器最長投運年限已達12年，期間共發(fā)生故障16起（均為放電類型故障），總故障率高達0.44次/（百間隔·年），明顯高于其他電壓等級，如圖1所示。

圖1 各電壓等級故障率統(tǒng)計

內(nèi)部放電故障是組合電器的主要故障類型之一，組合電器在制造、運輸及安裝過程中，由于制造工藝、碰撞及安裝、檢查不到位等因素，會造成部件損傷或內(nèi)部留有雜質(zhì)，設備運行中容易引發(fā)放電現(xiàn)象[2]。

2.1 故障率及故障類型

據(jù)運維精益管理系統(tǒng)統(tǒng)計資料，各制造廠設備的故障統(tǒng)計情況見表1（暫無山東日立數(shù)據(jù)）。

表1 不同制造廠設備故障率統(tǒng)計

除技術(shù)差異及關鍵組部件質(zhì)量差異，各制造廠產(chǎn)品的故障類型表現(xiàn)各異，其中平高電氣設備主要為內(nèi)置式電流互感器（TA）單元盆式絕緣子表面異物放電；西開電氣設備主要為合閘電阻氣室水平盆式絕緣子表面異物放電；新東北電氣設備主要為關鍵絕緣件內(nèi)部存在缺陷。

2.2 故障部位

國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器發(fā)生故障的部位主要集中在斷路器單元、隔接單元、母線單元及TA單元等部件上，如表2所示。斷路器為組合電器的重要部件，其單元結(jié)構(gòu)復雜，動作頻繁，故障次數(shù)也最多。

表2 故障部位統(tǒng)計

2.3 故障原因分類

國家電網(wǎng)特高壓組合電器的主要故障類型為放電故障，原因主要有存在異物，絕緣件內(nèi)部有缺陷，合閘電阻分閘卡澀未到位燒毀，斷路器靜弧觸頭松動及導體安裝工藝不良發(fā)熱燒融等，統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 故障原因類型統(tǒng)計

由表3可見，特高壓組合電器絕緣件內(nèi)部及外部（絕緣拉桿、盆式絕緣子、支撐絕緣子）問題引發(fā)的故障占比最高，達到81.3%。主要原因有：

（1）特高壓組合電器工廠裝配及現(xiàn)場安裝管控不佳，防塵等防護措施落實不到位[5]，導致異物留存在隱秘部位，設備投入運行后在電場和機械振動作用下，異物掉落至絕緣件表面引起放電[1]。

（2）特高壓組合電器絕緣件的檢測技術(shù)水平不高，管理不到位，絕緣件內(nèi)部缺陷檢出率不高，設備長期帶電運行后易出現(xiàn)絕緣件局部放電情況，最終導致絕緣擊穿。

3 典型故障案例

3.1 內(nèi)置TA盆式絕緣子放電

3.1.1 故障現(xiàn)象

某特高壓站斷路器TA氣室放電，導致母線和主變壓器失電，故障GIS為ZF27-1100型。解體檢查后發(fā)現(xiàn)，因TA氣室存在異物引起氣隙放電，最終發(fā)展至斷路器側(cè)盆式絕緣子表面放電，圖2為TA氣室及盆式絕緣子表面放電痕跡。

圖2 TA氣室及盆式絕緣子放電痕跡

3.1.2 原因分析及建議

內(nèi)置式TA屏蔽筒與線圈間存在縫隙，容易殘留異物；線圈與絕緣板層間也容易殘余異物，且不易清理，均易引發(fā)放電故障。建議如下：

（1）在TA制造過程中，針對可能產(chǎn)生及殘留異物的環(huán)節(jié)制定相應措施。

（2）在TA殼體裝配后、吸附劑及接線座裝配前，增加N2吹拂工藝，清除TA線圈及殼體空間內(nèi)的殘留異物。

（3）推進1000 kV外置式TA的研制工作，使氣室結(jié)極等同于母線筒體結(jié)極。

3.2 GIS水平盆式絕緣子放電

3.2.1 故障現(xiàn)象

某特高壓站開關U相合閘電阻開關氣室故障（LW-1100型GIS設備），合閘電阻機極側(cè)氣室內(nèi)發(fā)生兩次放電。第一次為由水平盆式絕緣子表面積聚異物引起沿面放電，第二次為線路重合后靜觸頭屏蔽罩放電。圖3為絕緣子表面放電痕跡。

圖3 絕緣子表面放電痕跡

3.2.2 原因分析及建議

由于水平盆式絕緣子表面易積聚異物而引起沿面放電，設備運行過程中在電場和機械振動作用下，異物移動掉落、積聚在絕緣子表面，從而發(fā)生放電現(xiàn)象，此類故障曾發(fā)生多起。針對此類故障，提出以下建議：

（1）在新建/擴建工程的設計、設備招標時，應盡量避免采用特高壓GIS盆式絕緣子水平布置方式。

（2）對有類似結(jié)極的特高壓GIS，應加強日常巡檢，定期開展局部放電在線監(jiān)測和帶電檢測。

3.3 GIS內(nèi)部支撐絕緣子放電

3.3.1 故障現(xiàn)象

在對某特高壓站的GIS設備進行帶電檢測時，利用超高頻局放檢測儀檢測到某間隔三維譜圖（PRPS圖譜）具有明顯放電特征（見圖4），其他部位正常，經(jīng)定位分析確定放電位置為某斷路器倉。通過檢查斷路器倉，發(fā)現(xiàn)斷路器支撐絕緣子表面存在兩條氣泡線，經(jīng)X光檢測和車床切割，發(fā)現(xiàn)絕緣子內(nèi)部存在較大尺寸的氣泡缺陷，兩個不規(guī)則氣泡孔洞長約26 mm。

圖4 超高頻放電現(xiàn)象三維波形圖

3.3.2 原因分析及建議

斷路器支撐盆式絕緣子出廠前開展了熱性能試驗、壓力試驗和密封試驗，額定短時工頻耐壓試驗、局放試驗，隨工裝產(chǎn)品進行了絕緣試驗等型式試驗。核查發(fā)現(xiàn)，故障處盆式絕緣子未進行X射線探傷試驗，而現(xiàn)場交接試驗通常不進行X射線探傷試驗。建議如下：

（1）絕緣件需嚴格按照《國家電網(wǎng)有限公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施》進行出廠試驗，GIS內(nèi)部絕緣件應逐只進行X射線探傷試驗、工頻耐壓試驗和局部放電試驗，局部放電量應不大于3 pC[6]。

（2）追溯同一廠家其余盆式絕緣子出廠試驗報告，檢查是否按照規(guī)定開展了X射線探傷試驗；對于存在同樣情況的盆式絕緣子，建議進行現(xiàn)場X射線探傷試驗排查隱患。

4 故障治理措施

（1）產(chǎn)品質(zhì)量提升方面，各制造廠家應根據(jù)各自設備故障情況，針對性地開展特高壓組合電器及其關鍵組件、部件的質(zhì)量提升工作。

（2）到貨驗收方面，需嚴格把控產(chǎn)品驗收環(huán)節(jié)，認真追溯產(chǎn)品出廠試驗情況和出廠監(jiān)造情況。

（3）防范異物方面，應嚴格制訂微粒放電防范措施（如增大絕緣件異物耐受裕度、加裝微粒陷阱），開展有效的絕緣和老練試驗，加強微粒放電檢測預警手段[7-12]。封閉式組合電器內(nèi)部的自由微粒主要來源于設備安裝現(xiàn)場的外界環(huán)境，在安裝設備過程中安裝人員應按照要求統(tǒng)一著裝，嚴格把控所使用的工器具；安裝人員應熟練操作，最大化地減少設備在空氣中的暴露時間[8-13]。

（4）強化運維方面，運維單位應加強對斷路器氣室等故障多發(fā)部位的巡視、維護、停電檢修試驗檢測和帶電檢測。

（5）隱患消除方面，運維單位應協(xié)同相關制造廠加強隱患預防及缺陷的整改治理工作，避免水平布置盆式絕緣子、防止斷路器靜弧觸頭松動等[14-18]。

5 結(jié)語

為確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行，組合電器投入運行后的故障分析和缺陷治理尤為重要。本文針對2020年年底前國家電網(wǎng)公司特高壓組合電器運行故障情況，統(tǒng)計分析了故障率、故障部位、故障原因等情況，并提出了相應的治理措施，供相關技術(shù)人員解決類似問題時參考。