趙 強，陶 鑫，朱 森，林 甫

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司內(nèi)蒙古超特高壓分公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉組合開關(guān)設(shè)備（Gas Insulat?ed Switchgear，GIS）由于其集成度高、占地面積小、運行安全可靠等特點，在我國電網(wǎng)特別是特高壓直流輸電工程中得到廣泛應(yīng)用。GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、快速接地開關(guān)、SF6套管、母線、電壓互感器、電流互感器、避雷器等電氣元件組成[1-6]。各個電氣元件通過一定的接線方式連接，密封在接地的全金屬殼中，內(nèi)部充以SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)。隨著GIS設(shè)備的大范圍應(yīng)用，其故障頻次也相對增多，對GIS設(shè)備制造階段的工藝水平、安裝階段的質(zhì)量控制以及運行過程中的監(jiān)測環(huán)節(jié)提出了更高的要求。本文通過對某特高壓換流站某線路恢復送電過程中兩次充電跳閘故障檢查分析，認為氣室內(nèi)部遺留異物引發(fā)盆式絕緣子沿面放電是導致故障的主要原因，同時提出了相應(yīng)的防范及改進措施。

1 故障概況

某變電站側(cè)（以下簡稱送端）向特高壓換流站側(cè)（以下簡稱受端）進行2次充電均不成功，發(fā)生線路跳閘。故障發(fā)生時，受端側(cè)母線帶電，500 kVⅡ段母線側(cè)斷路器5081處于熱備用狀態(tài)，斷路器5082、5083處于檢修狀態(tài)，電氣主接線示意圖見圖1。兩次跳閘均為送端線路保護裝置差動保護動作、線路保護手合距離加速保護動作跳開5023斷路器，受端線路保護裝置啟動未動作。

圖1 電氣系統(tǒng)主接線示意圖Fig.1 Main wiring diagram of electrical system

2 故障分析

2.1 故障過程

第一次充電過程送受端線路故障錄波圖見圖2。由圖2（a）可知，送端發(fā)合閘命令65 ms后斷路器合閘完成，合閘后線路電流有效值為L1相4.21kA、L2相0.06 kA、L3相0.06 kA，零序電流4.30 kA，可以看出故障特征為L1相單相接地故障，故障電流出現(xiàn)后20 ms保護裝置動作，60 ms斷路器分開故障被切除。由圖2（b）可知，受端波形顯示合閘充電后L1相出現(xiàn)操作過電壓，最高值達到835.33 kV，故障持續(xù)60 ms后切除。第二次充電過程送受端線路故障錄波圖見圖3?？梢钥闯?，第二次充電過程中故障點依然存在，故障特征仍為L1相接地故障并持續(xù)60 ms。受端第二次充電L1相瞬時電壓最高為11.48 kV，而后電壓值接近0，可以判斷故障點位于受端側(cè)出口處。

圖2 第一次充電送受端線路故障錄波圖Fig.2 Fault recording of the first charging transmitting and receiving end line

圖3 第二次充電送受端線路故障錄波圖Fig.3 Fault recording of the second charging transmitting and receiving end line

2.2 現(xiàn)場檢查

2.2.1 SF6分解物檢測

兩次故障后現(xiàn)場人員對受端換流站故障線路出線設(shè)備進行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯異常；對故障線路L1相分支母線及隔離開關(guān)氣室進行SF6分解物檢測，也未發(fā)現(xiàn)異常。次日08：00，受端換流側(cè)發(fā)現(xiàn)故障線路出線G88A氣室套管下方第一個盆式絕緣子澆筑口存在漏氣，故障位置及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖4。2 h內(nèi)出線G88A氣室壓力由0.43 MPa降至0.25 MPa（額定壓力0.40 MPa），壓力變化趨勢見圖5。

圖4 故障位置及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Fault location and internal structure

圖5 G88A氣室壓力變化Fig.5 G88A chamber pressure change

再次對該氣室進行SF6分解物檢測，發(fā)現(xiàn)SO2含量超標，初步判斷G88A氣室內(nèi)部存在放電可能。G88A氣室L1相SF6分解物體積分數(shù)檢測結(jié)果見表1。分析認為，由于取氣口距離故障點位置較遠（約30 m），分解物擴散至取氣口需要較長時間，因此2次故障后的SF6分解物檢測結(jié)果未能發(fā)現(xiàn)故障特征氣體成分。

表1 G88A氣室L1相SF6分解物體積分數(shù)檢測結(jié)果Tab.1 Test results of volume fraction of L1 phase SF6 decomposition in G88A gas chamber 10-6

2.2.2 設(shè)備開蓋檢查

現(xiàn)場對出線G88A氣室套管下端盆式絕緣子進行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)均有不同程度灼蝕（見圖6）。盆式絕緣子凸側(cè)正下方（通氣孔側(cè)）局部受熱變色，對應(yīng)殼體部位鐵紅環(huán)氧底漆受熱變黑，殼體上有點狀電弧燒蝕痕跡，凸面中部有明顯裂紋見圖6（a）。盆式絕緣子凹側(cè)大面積碳化，沿面有寬15 mm、深4 mm左右的溝狀電弧燒蝕碳化通道（見圖6（b）），同時發(fā)現(xiàn)凹面觸頭、導體有多處電弧燒蝕痕跡。凸面裂痕及損傷部位與凹面放電通道重合。

圖6 盆式絕緣子燒蝕Fig.6 Basin insulator ablation

2.3 原因分析

2.3.1 放電過程

根據(jù)對盆式絕緣子開蓋檢查結(jié)果（見表2），分析判定故障點在盆式絕緣子凹側(cè)，觸頭屏蔽沿盆式絕緣子表面對殼體放電。盆式絕緣子凸側(cè)的燒蝕痕跡為電弧通過盆式絕緣子通氣口對殼體放電所致。

表2 盆式絕緣子開蓋檢查結(jié)果Tab.2 Inspection results of decappingthe basin insulator

本次故障線路為同塔雙回線路，故障前后另一回路正常帶電運行。故障發(fā)生至線路轉(zhuǎn)檢修，線路感應(yīng)電流沿盆式絕緣子沿面通道持續(xù)作用10.5 h左右。感應(yīng)電流持續(xù)作用下盆式絕緣子沿面絕緣破壞，輸電線路產(chǎn)生的感應(yīng)電壓在盆式絕緣子燒蝕沿面上電阻較小的某一位置形成感應(yīng)電流通道，對盆式絕緣子持續(xù)燒蝕，最終在盆式絕緣子表面形成燒蝕通道。從檢查情況看，盆式絕緣子凸側(cè)裂紋靠近凹側(cè)電流燒蝕通道，色澤正常，未見變色發(fā)黑等異常情況；盆式絕緣子出廠X射線探傷等試驗均合格。分析認為，盆式絕緣子裂紋是在放電后產(chǎn)生，首次放電后感應(yīng)電流持續(xù)燒蝕，使盆式絕緣子受熱產(chǎn)生裂紋，電流同時作用于膠墊，導致密封損傷最終引發(fā)漏氣[7-9]。

2.3.2 放電原因分析

盆式絕緣子放電的原因一般有絕緣及連接件松動、盆式絕緣子本身絕緣缺陷或存在表面異物。通過現(xiàn)場解體檢查，未發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子及導電桿連接件松動。受端換流站GIS各個零部件（含盆式絕緣子）經(jīng)檢驗合格后進行裝配，總裝試驗合格后準予出廠。故障發(fā)生后對盆式絕緣子、母線單元及套管單元的出廠試驗進行復查。故障盆式絕緣子X射線探傷、額定短時工頻耐壓試驗及局放試驗均合格。分支母線單元和套管單元的主回路電阻測量、額定雷電沖擊耐受試驗、額定工頻短時耐受試驗、局放試驗均合格，結(jié)果見表3[10-12]。對套管下部盆式絕緣子過電壓下電場分析復核顯示，最大場強位于觸頭屏蔽部位22.3 kV/mm，符合設(shè)計要求（如圖7所示）[13-14]。綜合以上復核情況，可基本排除盆式絕緣子出廠環(huán)節(jié)質(zhì)量控制問題導致的設(shè)備缺陷。

圖7 故障部位電場強度Fig.7 Electric field distribution at the fault location

表3 盆式絕緣子試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Basin insulator test data

對GIS的現(xiàn)場交接試驗進行復核，主回路絕緣試驗、主回路電阻測量、SF6氣體密封性試驗、SF6氣體含水量試驗、SF6純度檢測均合格。從圖2（b）可以看出，L1相出現(xiàn)操作過電壓，電壓值達835.33 kV，超過受端站投運以來的波形最高幅值，而現(xiàn)場試驗未進行雷電沖擊耐受試驗，無法考核現(xiàn)場安裝GIS后設(shè)備承受過電壓的能力。結(jié)合盆式絕緣子放電痕跡分析，可以推斷本次故障原因為氣室存在異物。

2.3.3 運輸及安裝過程中異物來源

分支母線設(shè)備單元運輸時導體一端插入盆式絕緣子觸頭上，一端通過運輸蓋板支撐固定。運輸過程中存在導體和觸頭摩擦產(chǎn)生金屬異物的可能性。現(xiàn)場安裝時對殼體內(nèi)部檢查不仔細、清理不到位，會造成金屬異物殘留在罐體中?，F(xiàn)場安裝時單元拼裝對接、更換吸附劑、清理過程中潔凈度控制和工藝管控不到位，也會造成外界的金屬異物進入氣室內(nèi)部。

綜合以上分析，認為現(xiàn)場安裝階段管控不嚴，氣室清理不徹底，導致異物遺留在氣室內(nèi)部，當過電壓產(chǎn)生時異物在電流的作用下誘發(fā)盆式絕緣子沿面閃絡(luò)是造成本次故障的主要原因。故障后對G88A氣室損壞的盆式絕緣子及母線進行更換，同時對L2和L3相分支母線進行了老練、特高頻局放檢測，對L1相進行老練、耐壓、特高頻局放檢測，試驗結(jié)果均合格。

3 改進措施

本次故障說明盆式絕緣子的質(zhì)量對GIS安全穩(wěn)定運行尤為重要。盆式絕緣子故障引起的GIS故障的占比較高，為避免同類問題再次發(fā)生，結(jié)合本次故障，提出以下建議。

3.1 設(shè)備制造及運輸階段

設(shè)備制造廠家應(yīng)加強產(chǎn)品制造過程質(zhì)量管控，優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品生產(chǎn)工藝，在保證產(chǎn)品出廠試驗完全合格的同時加強設(shè)備運輸環(huán)節(jié)把控，對導體和觸頭等易產(chǎn)生摩擦碰撞的重點部位采取有效的防護措施。

3.2 設(shè)備安裝階段

施工單位及設(shè)備制造廠家應(yīng)加強GIS現(xiàn)場安裝工藝質(zhì)量管控，嚴格落實相關(guān)安裝要求。設(shè)備運維單位應(yīng)加強設(shè)備安裝階段的旁站監(jiān)督，確保設(shè)備安裝質(zhì)量。

3.3 現(xiàn)場交接試驗階段

在條件允許的情況下，開展輔助絕緣診斷方法，作為交流耐壓試驗有效補充，確保及時發(fā)現(xiàn)影響設(shè)備絕緣的隱患，為投運后的安全穩(wěn)定運行提供保障。

4 結(jié)束語

本文對某特高壓換流站一起因GIS絕緣故障導致的500 kV線路充電跳閘故障進線了分析。闡述了故障發(fā)生的過程，結(jié)合保護動作情況、故障錄波分析、現(xiàn)場檢查試驗及出廠追溯，分析認為氣室內(nèi)部遺留異物引發(fā)的盆式絕緣子沿面放電是導致此次故障的主要原因，因此從設(shè)備的制造、運輸、安裝、交接階段提出了防范措施，確保設(shè)備的可靠運行。