和曉輝，周磊，邱鵬鋒，黎鐘奇，彭兆裕，譚向宇，李陽，周金旺

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650127；2.云南電網(wǎng)有限責任公司生產運營監(jiān)控中心，云南 昆明 650127；3.云南電網(wǎng)有限責任公司麗江供電局，云南 麗江 674100）

0 前言

近年來，隨著國家經濟的快速發(fā)展，對電力供應提出了更大的需求，因此電網(wǎng)的規(guī)模也愈發(fā)壯大，由于土地資源的緊張，新建的110 kV及以上電壓等級的變電站主要以GIS站為主。GIS以SF6氣體作為絕緣介質和滅弧介質，將除電力變壓器以外的其它電力設備封裝在充滿一定壓力的SF6氣體金屬腔體內[1]。

GIS相較于敞開式變電站AIS具有占地面積少、滅弧性能優(yōu)異、可靠性高、維護工作量少等優(yōu)勢[2-7]。但GIS在制造、裝配、檢修、運行過程中不可避免的引入金屬異物，引起GIS內部電場嚴重畸變，而SF6氣體對電場均勻性極為敏感，容易引起局部放電，在特定工況下導致?lián)舸┦鹿实陌l(fā)生[8-14]。且GIS一旦發(fā)生故障，其全密封結構導致故障位置查找和檢修困難，搶修工作量大，波及事故范圍廣，嚴重影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[15-18]。因此有必要研究GIS內部放電故障的原因并提出相對應的防范措施。

本文主要介紹了一起220 kV GIS隔離開關對地放電事故，通過對故障部位進行解體檢查及有限元仿真結果分析了放電原因，并提出了相對應的防范措施。

1 故障概況

220 kV某GIS變電站220 kV側的主接線形式為雙母線接線，如圖1所示，220 kV側母聯(lián)間隔2121罐式隔離開關為2012年5月生產，2014年4月投運。

圖1 220 kV側主接線示意圖

2022年9月26日02時38分18秒，站內操作合上220 kV 212斷路器給I段母線充電，運行約9分鐘后（02時47分08秒）220 kV母差第一套、第二套保護I母差動動作，選相C相并跳開212斷路器，故障后220 kV I段母線熱備用，212斷路器熱備用。220 kV II段母線正常運行。

220 kV II母 差 流（Id2C）始 終 為0，220 kV II母無故障；故障期間（0 ms至50 ms），220 kV I母、II母C相電壓降為0，大差差流（IdC）約等于I母差流（Id1C），220 kV I母故障。保護動作跳開212斷路器后，220kV I母A、B相電壓逐漸衰減到0，220kV II母電壓恢復，故障電流消失。

根據(jù)內部母差一、母差二動作及故障原因分析，初步判斷母線故障，C相接地；故障錄波定位故障點距212斷路器1米。故障后進行現(xiàn)場檢查，從2121隔離開關C相氣室觀察窗發(fā)現(xiàn)，絕緣盆和導桿上附著有大量的粉塵，對該氣室和212斷路器C相氣室進行氣體成份分析，2121隔離開關C相氣室SO2為36.56 μL/L，H2S為0 μL/L，CO為29.10 μL/L，判斷為C相隔離開關內部存在放電。212斷路器C相氣室SO2為5.89 μL/L，判斷為212斷路器在切除故障電流時，因故障電流較大（根據(jù)錄波數(shù)據(jù)計算故障電流最大值約為9000 A左右），拉弧過程引起SF6氣體分解所產生。后續(xù)需將罐體解體進一步明確放電類型及放電原因。

2 解體檢查

2022年9月29日，在廠家的指導下將2121斷路器隔離開關C相就地進行解體檢查，具體位置示意如圖2所示。

圖2 212母聯(lián)間隔布置圖

2.1 2121隔離開關C相氣室檢查

在將氣室內部的SF6全部回收完成后，首先為了不破壞放電痕跡，將2121隔離開關C相分子篩拆除，采用內窺鏡觀察氣室內部情況。觀察發(fā)現(xiàn)，盆式絕緣子表面附著有大量的白色粉塵，同時在盆式絕緣子與腔體外殼的間隙處掉落有一密封膠墊，見圖3。

2.2 2121隔離開關C相盆式絕緣子檢查

將整個2121隔離開關氣室從母聯(lián)間隙中拆除，將外部腔體取下，露出盆式絕緣子和隔離開關靜觸頭，如圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)盆子表面有大量黑色粉末附著，盆子底部附著有明顯的燒蝕金屬熔渣，同時，在盆子上方的靜觸頭底部發(fā)現(xiàn)明顯的放電燒蝕痕跡。

圖4 2121隔離開關C相盆式絕緣子檢查情況

圖5 2121隔離開關氣室放電路徑示意圖

使用酒精和白潔布擦拭盆子表面，可以明確較為清晰的看到放電路徑：高電位從盆子靜觸頭燒蝕處開始，經過盆子表面閃絡后，放電通道的低電位位于殼體內壁對應放電燒蝕處。

對盆子表面的粉塵和底部附著的熔渣進行元素分析，檢測結果顯示產物中含有Fe和Cu元素，說明有金屬異物參與了放電。

2.3 2121隔離開關C相氣室相鄰部件檢查

檢查2121隔離開關B相和C相氣室，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，僅發(fā)現(xiàn)少量粉塵（2121隔離開關A、B、C三相氣室通過氣管連通），后續(xù)對2121隔離開關B、C兩相氣室進行清潔處理。對212間隔I母側C相的電流互感器和斷路器進行了性能測試，測試結果滿足相關規(guī)程規(guī)定，說明該次故障并未對相鄰的電流互感器和斷路器造成損壞。

查詢施工記錄發(fā)現(xiàn)在對I母送電之前，對2121隔離開關的觀察窗進行過密封膠墊的更換，結合2.1節(jié)發(fā)現(xiàn)掉落的密封膠墊，可推斷該次事故是由密封膠墊或者更換膠墊過程中引入異物引起的，具體的需要進一步結合仿真計算進行分析明確。

3 原因分析

3.1 仿真模型

根據(jù)廠家提供的圖紙建立了建立圖6所示的三維有限元模型，模型中GIS中心導桿和外殼材料均為金屬鋁，由于外殼接地，模型中只考慮其內壁，盆式絕緣子材料為環(huán)氧樹脂，GIS腔體中充有額定壓力的SF6氣體。在文中的仿真計算中，環(huán)氧樹脂和SF6氣體的相對介電常數(shù)分別取5.2和1.02。中心導體及屏蔽罩施加額定工作電壓，其幅值為180 kV；殼體內壁接地，電勢為零。

圖6 220 kV GIS仿真幾何模型示意圖

圖7 差異化網(wǎng)格剖分示意圖

根據(jù)3.1節(jié)情況在殼體模型內放置密封膠墊模型，尺寸與實際一致，其為橡膠類材料，相對介電常數(shù)取為45；GIS中金屬顆粒異物的實際尺寸主要在厘米量級以下[19]，絕緣盆上附著金屬異物主要考慮球狀和圓柱狀，球狀異物半徑設為3 mm，圓柱狀異物半徑1 mm，長10 mm，端部曲率半徑0.5 mm。在網(wǎng)格劃分時，對膠墊和金屬異物進行局部加密，以保證計算的準確性。

圖8 所示為未設置密封膠墊和金屬異物時氣室的場強和電勢分布，其中屏蔽罩表面場強的最大值為3.95 kV/mm，而盆式絕緣子表面的最大場強為 2.14 kV/mm。

圖8 無缺陷時GIS電場仿真結果

3.2 密封膠墊分析

盆式絕緣子與殼體內壁間存在密封膠墊時的靜電場仿真結果如圖9所示，不難發(fā)現(xiàn)密封膠墊的存在對整個結構電場分布的影響不大，其附近出現(xiàn)的最大場強小于2 kV/mm，遠達不到局部放電起始電壓，后續(xù)發(fā)現(xiàn)盆子上的放電路徑與膠墊所在位置相隔90°左右（如圖10），因此可以判定本次放電不是由密封膠圈引起。且與運維人員和廠家確認后，明確了密封膠墊為廠家組裝過程中掉落，并非更換觀察窗時掉落。

圖9 存在密封膠墊時GIS電場仿真結果

圖10 密封膠墊與放電路徑相對位置示意圖

3.3 金屬異物分析

仿真結果表明，金屬顆粒異物模型中如果過于接近導桿，其引起的場強畸變并非最嚴重的，其原因在于GIS嵌件屏蔽罩對其具有屏蔽作用，應該根據(jù)仿真計算合理調整其位置。圖11給出了金屬異物引起場強畸變最嚴重時的情況，局部放大圖中同時給出了等勢線的分布。球形與圓柱形金屬微粒引起電場畸變最大值分別為101.25 kV/mm和109.38 kV/mm，遠超過絕緣子表面12 kV/mm的絕緣強度設計限值[1]，根據(jù)等勢線分布可知，金屬微粒與絕緣子表面附近電場強度具有強垂直分量，與套管電場分布類似，一旦引起局部放電，產生的自由電子部分被束縛在絕緣子表面，極易引起絕緣盆的沿面閃絡。產生的自由電子被束縛在絕緣子表面，引起絕緣盆的沿面閃絡。將電場分布云圖中圖例的最大值設為3 kV/mm，得到圖12。

圖12 存在金屬異物時GIS電場仿真結果

因此，根據(jù)上面存在金屬異物時的電場分布仿真分析和3.2節(jié)放電情況，可分析得出本次放電的過程如下：

1）引入異物。在更換隔離開關氣室觀察窗時引入金屬異物；

2）異物運動。在隔離開關和斷路器合閘過程中，產生的加速度可達30 g，加上GIS正常運行時存在輕微振動[20]，兩者共同作用下異物發(fā)生運動；

3）異物電暈放電。異物運動到圖11所示位置附近，異物與絕緣子表面楔形區(qū)域場強足夠大，達到流柱放電的起始條件，該區(qū)域起始電暈放電；

4）沿面爬電。電暈放電產生的帶電粒子在強垂直分量的電場作用下持續(xù)轟擊絕緣子表面，局部溫度升高。當溫度高致引起氣體熱電離時，局部放電模式由電暈放電轉變?yōu)檠孛媾离姺烹姡?/p>

5）對地放電。沿面爬電向導桿方向發(fā)展，在靠近屏蔽罩時轉變?yōu)闅庀斗烹姡▓D12場強分布可知），與屏蔽罩的高電位相連。同時異物另一端電弧爬電向外殼處發(fā)展，發(fā)展到距外殼垂直距離為1～2 cm，此時電弧頭部對外殼的電場分布為極不均勻場，直接通過氣隙對地放電。具體放電過程示意圖如圖13所示。

圖13 放電過程示意圖

4 結束語

本文主要針對一起200 kV GIS隔離開關對地放電故障案例進行了介紹分析，通過檢查檢修記錄以及對故障GIS進行解體分析，同時結合有限元仿真分析結果，判定本次事故是由于更換氣室觀察窗時引入金屬異物引起的放電，在斷路器合閘產生的振動及GIS存在的輕微振動下，金屬異物發(fā)生運動，導致其與絕緣子接觸的楔形區(qū)域電場畸變嚴重，引起局部放電，進而引起絕緣子表面爬電，最后導致對地放電。

為避免此類故障，結合本次放電故障案例，提出以下的防范措施：

1）優(yōu)化GIS設備檢修流程與環(huán)境。在設備進行開箱檢修時，嚴格控制工作現(xiàn)場的環(huán)境條件，尤其是像本例中的戶外GIS，必須搭建滿足規(guī)程要求的防塵屏障后方可進行。在檢修時，應實時監(jiān)測現(xiàn)場溫度、濕度、潔凈度等參數(shù)，滿足條件才能進行工作。否則會引入異物或者潮氣，形成導電金屬顆?；蛘呤乖O備受潮，導致放電的發(fā)生。

2）定期開展設備檢查。針對SF6氣體絕緣設備定期開展專項檢查工作，具體包括SF6氣體濕度檢查、SF6分解產物檢查、局部放電檢查、紅外測溫檢查、X光檢查等，如發(fā)現(xiàn)檢查結果不滿足規(guī)程要求及時停電進行檢查，及時排除缺陷。

3）GIS檢修投運前嚴格進行交流耐壓實驗。同頻同相耐壓實驗具有非檢測設備不停電和絕緣考核嚴格的優(yōu)點，能夠及時發(fā)現(xiàn)GIS內部的絕緣薄弱點，避免事故發(fā)生。本次案例中進行檢修后未按要求進行同頻同相耐壓實驗，未能及時發(fā)現(xiàn)缺陷。

4）避免獨立氣室相互連通。本次案例中，2121隔離開關A、B、C三相氣室相互連通，C相發(fā)生故障后產生大量的粉塵，涌入A、B兩相氣室，需對A、B兩相氣室進行解體檢查和清理，對故障后的處理工作帶來很大的不便。因此，需對存在管道相通的GIS設備進行改進，對每一個GIS氣室作獨立設置，且每個獨立氣室均配壓力傳感器，防止故障氣室發(fā)生放電時分解物污染其它氣室，帶來額外的工作。

5）提升基層運維人員專業(yè)知識。本次故障發(fā)生后，由于基層運維人員對GIS設備內部結構不夠了解，導致無法及時開展設備解體等工作，影響了故障解決進度。因此，有必要提升基層運維人員的知識儲備，加強運維人員對電力設備結構的了解程度，提升設備檢修效率。