張丕沛，李 杰，汪 鵬

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

相對(duì)于敞開(kāi)式隔離開(kāi)關(guān)，用于GIS 設(shè)備的隔離開(kāi)關(guān)具有的絕緣性能強(qiáng)、維護(hù)工作少、檢修周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［1-3］。然而GIS 隔離開(kāi)關(guān)的拐臂、連桿等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在空氣中，可能由于銹蝕、卡澀等原因?qū)е赂綦x開(kāi)關(guān)分合閘不到位，且隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)、靜觸頭密封在GIS 殼體內(nèi)部，難以直接判斷觸頭的真實(shí)接觸情況，若繼續(xù)帶電運(yùn)行則極有可能發(fā)展為跳閘事故［4-6］。

文獻(xiàn)［7-9］介紹了幾起GIS 故障案例，通過(guò)解體檢查判斷故障原因?yàn)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)卡澀引起的隔離開(kāi)關(guān)分合閘不到位，帶電后動(dòng)、靜觸頭間接觸不良、發(fā)熱燒熔，進(jìn)而導(dǎo)致放電擊穿，但都缺少對(duì)故障過(guò)程的還原及驗(yàn)證過(guò)程；文獻(xiàn)［10-12］建立了梅花觸頭的仿真模型，通過(guò)增大觸頭觸指間接觸電阻的方式來(lái)模擬發(fā)熱過(guò)程，但整個(gè)仿真分析過(guò)程偏向于定性研究，接觸電阻的取值缺少理論及試驗(yàn)支撐。

本文介紹了一起隔離開(kāi)關(guān)合閘不到位引起的GIS 放電故障，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與解體檢查，對(duì)故障過(guò)程及原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步結(jié)合理論分析及仿真計(jì)算，對(duì)故障過(guò)程進(jìn)行還原，驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性。

1 故障概況

2019 年11 月8 日，220 kV 某變電站220 kV 211間隔在送電合環(huán)6 s后，線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，C相接地短路。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，211-3 隔離開(kāi)關(guān)C 相氣室內(nèi)部存在放電分解物，判斷為故障氣室。211 間隔外觀如圖1所示。

圖1 211間隔外觀

該站220 kV組合電器為2007年2月投運(yùn)。211-3隔離開(kāi)關(guān)為電動(dòng)彈簧機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)方式為單機(jī)構(gòu)三相聯(lián)動(dòng)拐臂連接，機(jī)構(gòu)在C 相側(cè)，分合閘指示在A、B 相間。211-3隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 211-3隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)檢查211-3 隔離開(kāi)關(guān)外觀，發(fā)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)三相連桿傳動(dòng)部分有明顯銹蝕，如圖3所示。

圖3 隔離開(kāi)關(guān)三相連桿銹蝕

檢查隔離開(kāi)關(guān)齒輪軸中心距及連桿長(zhǎng)度，檢查結(jié)果如圖4 所示?，F(xiàn)場(chǎng)A、B 相之間連桿長(zhǎng)度為699 mm、軸中心距為698 mm，B、C 相之間連桿長(zhǎng)度為706 mm、軸中心距為707 mm，滿足“軸的中心距離與連桿長(zhǎng)度的誤差應(yīng)控制在±2 mm 范圍內(nèi)”的出廠要求。

圖4 隔離開(kāi)關(guān)齒輪軸中心距及連桿長(zhǎng)度

利用隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試儀，對(duì)211-3 隔離開(kāi)關(guān)合閘角度、合閘超程測(cè)量10次。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 211-3隔離開(kāi)關(guān)機(jī)械特性測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)合閘機(jī)械特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，211-3隔離開(kāi)關(guān)的合閘角度及三相合閘超程均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值（合閘角度（80±2）°，合閘超程25.5 mm）要求，且數(shù)據(jù)波動(dòng)性較大，第2 次試驗(yàn)數(shù)據(jù)值最小；同時(shí)C 相超程明顯小于另外兩相，最小僅為8.66 mm。

3 解體檢查情況

對(duì)故障相C 相進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)部存在大量粉塵，靜觸頭屏蔽罩及罐體底部對(duì)應(yīng)位置存在明顯放電燒蝕痕跡，觸頭及觸指燒蝕嚴(yán)重，如圖5所示，初步判斷靜觸頭屏蔽罩對(duì)殼體放電。

圖5 放電位置燒蝕情況

內(nèi)部絕緣拉桿、盆式絕緣子表面有粉塵，經(jīng)擦拭后，表面光滑，沒(méi)有表面爬電和擊穿情況。絕緣件檢查情況如圖6所示。

圖6 絕緣件檢查情況

4 原因分析

綜合檢查情況，211-3 隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)輸出軸、拐臂、連桿等存在嚴(yán)重銹蝕，10次機(jī)械特性試驗(yàn)中合閘超程均不滿足要求，且C 相超程明顯低于另外兩相，最小僅為8.66 mm。結(jié)合觸頭與觸指具體尺寸，此時(shí)C相動(dòng)觸頭位于剛合點(diǎn)位置附近，如圖7 所示。此時(shí)動(dòng)靜觸頭處于虛接狀態(tài)。且211-3隔離開(kāi)關(guān)已運(yùn)行超過(guò)10 年，超過(guò)3 年沒(méi)有進(jìn)行分合閘操作，因此故障前合閘操作時(shí)的阻力更大，C相的超程甚至小于8.66 mm。

圖7 剛合點(diǎn)位置

因此，判斷故障原因?yàn)椋?11-3 隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)部分銹蝕卡澀，輸出軸、連桿、拐臂之間摩擦阻力增大，機(jī)械特性已不滿足要求，且C 相合閘超程下降最嚴(yán)重。合閘操作后三相均未到位，其中C 相動(dòng)、靜觸頭處于虛接狀態(tài)，合環(huán)后在負(fù)載電流的作用下，C 相動(dòng)、靜觸頭虛接燒蝕滴熔，滴落在屏蔽罩內(nèi)部并熔出缺口，熔融物由缺口處滴落至殼體上。由于滴落過(guò)程縮短了屏蔽罩與殼體間的絕緣距離，因此進(jìn)一步導(dǎo)致了屏蔽罩底部與殼體間發(fā)生擊穿。

5 仿真驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證C 相合閘超程不足是否會(huì)導(dǎo)致燒熔、放電，繼續(xù)對(duì)合閘超程不足時(shí)的接觸電阻大小、以及由此引起的發(fā)熱情況進(jìn)行理論分析。

根據(jù)Holm 接觸電阻表述，單個(gè)梅花觸頭結(jié)構(gòu)的接觸電阻Rj計(jì)算式為

式中：ρ1、ρ2分別為觸頭和觸指的電阻率，Ω·m；ar為等效觸點(diǎn)的接觸半徑，m，其表達(dá)式為

式中：R*為梅花觸頭結(jié)構(gòu)的等效視在半徑，m；E*為梅花觸頭結(jié)構(gòu)的等效彈性模量，N/m2；Fj為觸頭與觸指接觸點(diǎn)的壓力，N。以上3 個(gè)參數(shù)可以通過(guò)式（3）—式（5）計(jì)算［13-16］。

式中：R1、R2分別為觸頭、觸指的幾何半徑，m；E1、E2分別為觸頭、觸指的彈性模量，N/m2；K為抱緊彈簧的剛度系數(shù)，N/m；n為觸指數(shù)量；D0、D1分別為觸頭插入前和插入后的彈簧中心線直徑，m。

以表1 中合閘超程試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值最小值8.66 mm 為例，結(jié)合式（1）—式（5）以及梅花觸頭結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸，計(jì)算得到相應(yīng)的接觸電阻為585 Ω，已遠(yuǎn)大于出廠值14 Ω。

為進(jìn)一步研究接觸電阻增大后，觸頭發(fā)熱的嚴(yán)重程度，根據(jù)隔離開(kāi)關(guān)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸建立三維溫度場(chǎng)仿真模型，如圖8 所示。觸頭觸指接觸面附加一層寬度、厚度均為3 mm 的電阻膜，來(lái)模擬接觸電阻，如圖9 所示，通過(guò)調(diào)整電阻膜的電阻率使其電阻值與接觸電阻相等。仿真得到故障瞬間的梅花觸頭結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖10 所示。觸頭觸指接觸位置的溫度已達(dá)到1 141 ℃，遠(yuǎn)超過(guò)銅材質(zhì)觸頭觸指的熔點(diǎn)（約1 000 ℃）［17-20］?？梢?jiàn)，在觸頭觸指接觸位置的溫度足以導(dǎo)致觸頭觸指的燒熔滴落，驗(yàn)證了對(duì)故障原因的分析。

圖8 隔離開(kāi)關(guān)仿真模型

圖9 模擬接觸電阻的電阻膜

圖10 梅花觸頭結(jié)構(gòu)的溫度分布結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

介紹了一起隔離開(kāi)關(guān)合閘不到位引起的GIS 放電故障，解體發(fā)現(xiàn)觸頭觸指燒蝕嚴(yán)重，放電通道為靜觸頭屏蔽罩對(duì)殼體放電，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械特性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)合閘超程不滿足要求，且C 相明顯低于其他兩相，從而判斷故障原因?yàn)楦綦x開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)嚴(yán)重銹蝕導(dǎo)致合閘后動(dòng)靜觸頭虛接、燒熔、滴落，最終發(fā)展為屏蔽罩對(duì)殼體放電。

進(jìn)一步以合閘超程試驗(yàn)結(jié)果最小值8.66 mm 為例，對(duì)合閘不到位時(shí)觸頭觸指接觸電阻大小及發(fā)熱程度進(jìn)行理論分析和仿真計(jì)算。結(jié)果顯示，觸頭觸指接觸位置的溫度已達(dá)到1 141℃，遠(yuǎn)超過(guò)銅材質(zhì)觸頭觸指的熔點(diǎn)，從而還原了故障過(guò)程，驗(yàn)證了故障原因分析的正確性。