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        一起220 kV氣體絕緣組合電器母線跳閘故障原因分析

        2024-12-31 00:00:00田新和熊攀肖茂潘家駿
        機(jī)電信息 2024年14期
        關(guān)鍵詞:故障分析

        摘 要:近年來,氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear,GIS)在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用,但在現(xiàn)場實際運行過程中也暴露出一些缺陷和故障。在國家電力保供的背景下,對GIS故障診斷工作的要求越來越高。鑒于此,就某220 kV變電站一起220 kV氣體絕緣組合電器母線跳閘故障進(jìn)行分析,結(jié)合現(xiàn)場運行實際觀察故障現(xiàn)象、分析故障原因,得出故障原因為盆式絕緣子在制作過程中混入了微小樹脂片,在運行過程中逐漸發(fā)展成氣隙后導(dǎo)致故障發(fā)生。最后,結(jié)合故障暴露的問題,對下一步采取的措施給出了合理建議,以避免同類型的故障再次發(fā)生。

        關(guān)鍵詞:組合電器;母線跳閘;故障分析

        中圖分類號:TM862" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " 文章編號:1671-0797(2024)14-0006-04

        DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.002

        0" " 引言

        氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear,GIS)具有配置靈活、占地面積小、維護(hù)量少和對環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點,在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3],目前國內(nèi)新建的110 kV及以上變電站基本都是戶外或戶內(nèi)的GIS變電站。但根據(jù)近年來的運行情況分析,組合電器設(shè)備的缺陷和故障也不時發(fā)生[4-6]。

        為確保后續(xù)GIS的安全可靠運行,滿足國家對電力保供的要求[7],對GIS故障診斷工作的要求越來越高。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場運行實際,利用科學(xué)診斷方法觀察故障現(xiàn)象、分析故障原因,最終采取合理的預(yù)防措施避免同類型的故障再次發(fā)生。下面就某220 kV變電站一起220 kV氣體絕緣組合電器母線跳閘故障進(jìn)行分析。

        1" " 故障概況

        某220 kV變電站220 kV六氟化硫封閉式組合電器,設(shè)備型號為ZF9C-252,母線三相共箱,于2014年11月投運。2023年4月開展擴(kuò)建工程,接線方式由雙母線改為雙母線單分段,擴(kuò)建后Ⅱ段母線于2023年4月投運,本次故障設(shè)備即位于該擴(kuò)建部分。

        故障發(fā)生前,220 kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ母并列運行,母聯(lián)212、223開關(guān)在合位,261、201開關(guān)運行于Ⅰ段母線,262、264、202開關(guān)運行于Ⅱ段母線,263、265、203開關(guān)運行于Ⅲ段母線,一次接線圖如圖1所示。

        2024-01-08T08:39,該變電站內(nèi)220 kV 1、2號母差保護(hù)動作,262、264、212、223、202開關(guān)動作跳閘,并遠(yuǎn)跳262、264間隔對側(cè)開關(guān)。故障跳閘后該變電站由261、263線路供電,220 kV Ⅰ母、Ⅲ母運行,1號、3號主變運行,無負(fù)荷損失,無重要用戶及居民供電受影響。

        2" " 現(xiàn)場檢查診斷

        2.1" " 保護(hù)動作分析

        220 kV母線保護(hù)裝置為雙套配置,通過220 kV 1號母線保護(hù)裝置故障錄波波形,觀察和分析故障的發(fā)展過程。保護(hù)裝置啟動時,Ⅱ段母線差動電流(即故障電流)B、C相大小相等、方向相反,A相無故障電流,B、C相母線保護(hù)電壓降低,說明此時故障點發(fā)生B、C兩相相間短路故障,如圖2所示。

        保護(hù)裝置啟動約2 ms后,A相差動電流開始出現(xiàn),隨著時間的推移(2、9、17 ms),A相差動電流不斷增大,三相差動電流變得越來越接近正序量,故障從B、C兩相相間短路發(fā)展為三相短路,如圖3所示。

        由于故障發(fā)生時2號主變高壓側(cè)中性點零序電流很小,表明沒有接地故障。

        2.2" " 設(shè)備本體檢查

        故障發(fā)生后進(jìn)行現(xiàn)場檢查,故障位于Ⅱ段母線中261間隔與212間隔之間的連接母線,該連接母線由三個母線筒、一個波紋管、三個盆式絕緣子(通盆)組成,氣室長度約5 m,母線基礎(chǔ)無位移、無沉降發(fā)生,如圖4所示。

        該連接母線構(gòu)成一個獨立的母線氣室,即220 kV Ⅱ母1號氣室GM21,現(xiàn)場檢查時氣壓接近于零。后臺數(shù)據(jù)顯示,該氣室故障前氣壓正常,故障發(fā)生1.5 min后,后臺報氣壓低告警,可以排除因氣體絕緣降低而導(dǎo)致的短路故障。

        現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)母線筒盆式絕緣子存在黑色噴濺物,注膠孔處標(biāo)識牌被沖開,判定此處為故障點,如圖5所示。

        2.3" " 設(shè)備解體檢查

        將220 kV Ⅱ母1號氣室GM21氣體回收和相鄰氣室降半壓后,進(jìn)行GM21氣室開蓋檢查。打開故障盆式絕緣子母線筒一側(cè)檢修手孔蓋,發(fā)現(xiàn)筒內(nèi)和導(dǎo)體上均不同程度附著有一層六氟化硫分解物,筒底存在部分盆式絕緣子碎片,故障盆式絕緣子有黑色的燒傷痕跡,并出現(xiàn)有部分裂紋。在故障盆式絕緣子另一側(cè),發(fā)現(xiàn)筒內(nèi)不僅有大量六氟化硫分解物,還有大量絕緣子碎片,如圖6所示。

        取下故障盆式絕緣子深入檢查,兩側(cè)均存在嚴(yán)重裂紋和嚴(yán)重?zé)齻?,裂紋已經(jīng)將金屬面貫通,絕緣子還出現(xiàn)一定程度的碳化痕跡。各相觸頭的屏蔽罩也直接燒穿,其中以B相最為嚴(yán)重且有兩個燒損面,判定B相為主放電點,如圖7所示。

        3" " 返廠檢查及分析

        對220 kV Ⅱ母1號氣室GM21三個盆式絕緣子(包含故障盆式絕緣子)返廠檢查及分析,開展盆式絕緣子X射線探傷、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和密度試驗、盆式絕緣子斷裂面解體檢查。

        對故障盆式絕緣子碎片進(jìn)行拼接復(fù)原,發(fā)現(xiàn)部分盆式絕緣子碎片外表面無放電燒黑痕跡,說明故障碎片為由內(nèi)而外的炸裂所致。發(fā)生短路故障時短路點先發(fā)生放電,再導(dǎo)致環(huán)氧樹脂澆筑面在急劇高溫時炸裂、碎片四濺,這些最先炸飛的碎片外表未遭到高溫?zé)g變黑,如圖8所示。

        對故障盆式絕緣子中心導(dǎo)體區(qū)域、斷裂面、外沿區(qū)域等進(jìn)行X射線探傷,發(fā)現(xiàn)除斷裂痕跡外,盆式絕緣子內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。

        從故障盆式絕緣子斷裂塊處取樣進(jìn)行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和密度試驗,取樣測量值符合要求,盆式絕緣子玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和密度未見異常,如表1所示。

        對故障盆式絕緣子解體進(jìn)行斷裂面檢查,發(fā)現(xiàn)B、C兩相間存在明顯的放電通道,中心導(dǎo)體B、C兩相金屬基座均有嚴(yán)重放電燒蝕痕跡,白色曲線大致標(biāo)出了放電通道,如圖9所示。

        對同母線上另外兩個盆式絕緣子電性能試驗檢測,A、B、C相均無發(fā)現(xiàn)異常,電性能檢測結(jié)果合格。在返廠檢查的其他試驗中,通過設(shè)計環(huán)節(jié)、盆式絕緣子生產(chǎn)環(huán)節(jié)、試驗環(huán)節(jié)及放電擊穿現(xiàn)象等排查分析,可以排除導(dǎo)體尺寸問題造成的故障。

        4" " 故障原因分析

        解體發(fā)現(xiàn)故障盆式絕緣子放電位置在A-C相左側(cè),放電擊穿位置距A、C相較近,距離B相較遠(yuǎn),初步判定在A-C相左側(cè)位置存在缺陷,導(dǎo)致放電擊穿。從擊穿通道走向分析,圓圈內(nèi)可能存在缺陷,出現(xiàn)放電擊穿后向B、C相擴(kuò)展,后續(xù)擴(kuò)展到A相,如圖10所示。

        從盆式絕緣子開裂的斷面看,開裂的起始位置均位于擊穿通道,屬于先放電,擊穿的同時因內(nèi)部氣壓驟增導(dǎo)致盆式絕緣子破裂。盆式絕緣子放電開裂原因可能有氣孔、氣隙、內(nèi)部雜質(zhì)。通過X射線探傷及電性能試驗合格,排除氣孔問題;使用0.01 mm塞尺對該盆式絕緣子三相中心導(dǎo)體處進(jìn)行測量,無縫隙排除氣隙問題。

        綜上所述,該盆式絕緣子放電原因為:盆式絕緣子制作過程中,裝模時可能混入微小“L”形樹脂片,存在于A-C相左側(cè)位置,在澆注過程中與環(huán)氧樹脂料緊密結(jié)合,形成內(nèi)部缺陷。由于微小樹脂片與正常環(huán)氧澆注原材料密度一致,通過X射線探傷無法明顯觀察到,廠內(nèi)絕緣試驗未出現(xiàn)異常,故該零件正常流轉(zhuǎn)。裝配至產(chǎn)品上后,隨著產(chǎn)品的運行,經(jīng)過長期現(xiàn)場環(huán)氧溫度冷熱循環(huán)變化,該微小樹脂片與環(huán)氧樹脂料之間會逐漸出現(xiàn)微小氣隙,進(jìn)而在B、C相間產(chǎn)生放電炸裂,造成B、C相母線故障,最終擴(kuò)展到三相故障,導(dǎo)致220 kV Ⅱ段母線跳閘。盆式絕緣子破裂后裂紋迅速擴(kuò)展到盆式絕緣子密封槽處,從盆式絕緣子澆帽口噴出氣體,造成母線氣室漏氣。

        根據(jù)對同氣室內(nèi)另外兩個盆式絕緣子重新進(jìn)行的電性能試驗檢測結(jié)果,結(jié)合設(shè)計環(huán)節(jié)、盆式絕緣子生產(chǎn)環(huán)節(jié)、試驗環(huán)節(jié)及放電擊穿現(xiàn)象等排查分析,判斷該主母線盆式絕緣子放電破裂為偶發(fā)性設(shè)備質(zhì)量事件。

        5" " 總結(jié)與建議

        綜上所述,故障盆式絕緣子制作時混入了微小“L”形樹脂片,在澆注過程中與環(huán)氧樹脂料緊密結(jié)合,形成內(nèi)部缺陷。經(jīng)過長期現(xiàn)場環(huán)氧溫度冷熱循環(huán)變化,該盆式絕緣子中微小樹脂片與環(huán)氧樹脂料之間逐漸出現(xiàn)微小氣隙,進(jìn)而在B、C相間產(chǎn)生放電炸裂,造成B、C相母線故障,最終擴(kuò)展為三相故障,導(dǎo)致220 kV Ⅱ段母線跳閘。

        這起故障跳閘事件暴露出兩點問題:1)廠家設(shè)備質(zhì)量管控不到位,特別是在裝模過程中缺乏對零部件的質(zhì)量管控,讓微小雜質(zhì)鉆了空隙;2)廠家對零件電性能試驗把控不夠嚴(yán)格,X射線探傷裝置分辨率不夠高,對零部件內(nèi)部微小氣孔、微小雜質(zhì)存在檢漏情況。

        該故障跳閘事件也為未來的運維和檢修工作帶來幾點啟示:1)儲備技術(shù)改造項目開展GIS局放在線監(jiān)測[8],及時預(yù)警、及時處理,防止故障再次發(fā)生;2)督促廠家加強(qiáng)設(shè)備質(zhì)量管理,包括生產(chǎn)專業(yè)人員能力提升、零部件電性能試驗檢查加強(qiáng)等方面。

        [參考文獻(xiàn)]

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        收稿日期:2024-03-29

        作者簡介:田新和(1993—),男,四川瀘州人,碩士,工程師,主要從事變電設(shè)備檢修、安裝等工作。

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