氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas-insulated metal- enclosed switchgear, GIS）作為一種可靠的輸變電設備，具有結構緊湊、運行可靠性高和檢修周期長的特點，在110kV及以上變電站、電廠中廣泛應用。

GIS用支柱絕緣子作為GIS中主要的絕緣部件，對管型母線等導體起機械支撐和電氣絕緣的作用，其運行環境惡劣，不僅要承受短路電動力的作用，還要承受管母、附屬金具荷載、機械操作沖擊、熱脹冷縮應力等作用，易在運行中發生傾斜、斷裂、放電等問題。

此外，GIS在制造、運輸和安裝過程中，其內部可能會因質量把控不嚴留下一些如金屬微粒、絕緣件或內部緊固件松動和相對位移等缺陷，嚴重時會導致變電站、輸電線路部分或全部停電，甚至人身傷亡，造成巨大的經濟損失。

近兩年，國內多省份連續發生多起220kV GIS運行事故。本文介紹了一起220kVGIS母線支柱絕緣子缺陷導致三相短路故障的案例，分析了事故原因并提出了改進措施。

1 案例介紹

1.1 故障前情況

天氣晴，故障前運行方式為220kV雙母線運行；203、204為分段開關（已鎖定，不可分閘）；2號主變、出線288在220kV #2母線運行，3號主變、出線291在220kV #1母線運行；220kV其他間隔設備未投運，電氣主接線圖如圖1所示。

設備基本情況：220kVGIS型號為ZF1-252，西安西電高壓開關有限責任公司2015年5月生產，2015年12月投運，自投運以來未經歷過不良工況。二次保護設備220kV母線保護屏型號為IBP-2CA，長園深瑞生產；220kV母線保護屏Ⅱ型號為PCS- 915A，南瑞繼保生產。

圖1 電氣一次主接線圖（部分）

1.2 故障經過

4月2日17:10，220kV #2母線故障，220kV母線差動保護動作，201、212、288開關跳閘。4月26日—29日，對故障的220kV #2母線GM62氣室解體檢查，發現291與202間隔之間的過渡母線氣室內部C相支柱絕緣子斷裂，C相導體落于母線筒底部，掉落附近的筒體內部有嚴重的燒蝕痕跡。

1.3 繼電保護動作情況

288開關故障錄波圖如圖2所示。

通過圖2可知，故障首先為B、C相間短路，持續11ms后轉化為A、B、C三相短路故障，在母線發生故障時212開關最大電流有效值為Ia= 11515A、Ib=14666A、Ic=8967A，213開關最大電流有效值為Ia=11403A、Ib=14687A、Ic=8912A，288開關最大電流有效值為Ia=17178A、Ib=20975A、Ic=15933A，291開關最大電流有效值為Ia=7102A、Ib= 7175A、Ic=6955A。母線故障后56ms切除故障，保護裝置動作記錄情況見表1。

圖2 288開關故障錄波圖

表1 保護裝置動作記錄情況

跳閘后，立即對故障的220kV #2母線相關設備進行檢查，未發現異常情況，通過檢查保護裝置及動作信息確定本次兩套保護裝置均正確動作，判斷220kV #2母線B、C相間故障，排除誤動可能；對220kV #2母線相關設備外觀檢查無異常，懷疑母線氣室內部故障。

2 現場檢查及分析

對220kV #2母線、2號主進212間隔、出線288間隔氣室進行微水及氣體組分測試，結果見表2，GM62氣室中SO2特征氣體組分含量為160◆L/L，遠高于標準≤1◆L/L的要求，且相鄰氣室檢測結果均為0，可判斷220kV #2母線最右側氣室GM62內部發生放電。

表2 #2母線SF6氣體微水、組分測試結果

3 解體檢查試驗情況

3.1 #2母線GM62氣室解體檢查

1）291與202間隔之間的過渡母線氣室內部C相支柱絕緣子斷裂，C相導體落于母線筒底部，掉落附近的筒體內部有嚴重的燒蝕痕跡（如圖3、圖4所示）。

圖3 C相支柱絕緣子斷裂

圖4 斷裂后的支柱絕緣子

2）B相（筒體最下部）支柱絕緣子沿面對筒體放電（如圖5所示），A相支柱絕緣子無異常。

圖5 B相支柱絕緣子放電痕跡

3）GM62和GM52氣室之間的盆式絕緣子無異常，如圖6所示，GM62氣室也未發現其他可能引起內部故障的異常情況。

4）母線筒內壁與導體均有3處明顯放電痕跡，分別如圖7、圖8所示。

母線筒內壁的3處明顯放電痕跡，分別對應于母線導體上的3處放電位置。通過檢查母線導體、支柱絕緣子和母線筒的放電痕跡，判斷位置1為C相支柱絕緣子斷裂后過渡導體對母線筒體放電（有2個放電點），位置2為B、C相母線導體間及B相沿支柱絕緣子直接對地放電，位置3為A、B、C相母線導體間放電。

圖6 GM62和GM52間盆式絕緣子

圖7 GM62氣室母線筒內壁上的放電位置

圖8 母線導體上的放電位置

3.2 支柱絕緣子檢查

對故障的GM62氣室6只支柱絕緣子進行了外觀檢查、X射線探傷檢測，均無異常；對完好的絕緣子進行工頻耐壓和局放試驗，結果均合格；選取1支完好絕緣子進行抗彎曲試驗，力矩達到5386N?m，滿足不小于4900N?m的要求。

追溯損壞的支柱絕緣子澆筑工藝流程記錄，發現澆注工未及時將脫模產品放入烘箱進行二次固化，造成后固化時間縮短，不滿足澆筑固化過程中溫度保持127℃，時長16h工藝要求。

環氧樹脂澆筑工藝是保證支柱絕緣子性能的關鍵，固化時間不足可導致環氧樹脂分子交鏈不充分、不均勻，從而使機械強度降低。固化時一爐共制作支柱絕緣子3只，進一步排查該爐剩余的2只支柱絕緣子，X射線檢測未發現異常，但局放試驗均不合格，達到120pC以上，被判廢處理。

檢查斷裂的支柱絕緣子金屬底板與筒體螺栓連接部位，4條螺栓中有2條受力不均痕跡明顯（如圖9所示），說明在廠內安裝及運行過程中受力不均，導體-支柱絕緣子-金屬底板-母線筒體連接部位存在明顯受力，并在運行中的電動力作用下最終造成絕緣子斷裂。

圖9 金屬底板與母線筒體連接部位

3.3 故障原因分析

母線筒體內重組斷裂后的C相導體絕緣子，B、C相導體之間的放電痕跡位置朝向不完全重合，說明發生相間放電時B、C相的導體位置相比原始的安裝位置已發生變化。檢查斷開的支柱絕緣子，在一側斷裂縫附近有放電噴濺痕跡，并沿外表面深入斷裂面內部，但未覆蓋全部斷裂面，說明發生放電時該絕緣子已存在裂縫，但裂縫并不大，因此判斷放電發生在絕緣子斷裂之后。

綜合考慮以上現場檢查結果和解體情況，判斷此次故障主要原因與過程如下：

1）持續時間4ms，B、C相間短路，無零序電流。291和202間隔之間的C相母線導體支柱絕緣子因本身質量缺陷，在多種力量作用下出現斷裂，C相導體因重力作用向B相移位，B、C相導電桿間絕緣距離不足發生短路。

2）4ms至15ms，B、C相短路且對筒體（地電位）放電，零序電流逐漸增大。B、C相間短路發生4ms后，電弧產生的金屬蒸汽造成該氣室內部絕緣下降，離相間短路點最近的（僅20cm）B相支柱絕緣子發生沿面放電。

該支柱絕緣子在母線筒下部，絕緣子閃絡面正好面向B、C相間短路點，受金屬蒸汽影響較大，導致絕緣子表面形成貫穿性的對母線筒體放電通道。另外，在金屬蒸汽作用下，C相導體直接對母線筒放電。

3）15ms至56ms，發展為三相短路，56ms后跳開三相開關。隨著氣室內部絕緣持續下降，A、B、C三相之間逐漸形成穩定的放電，并最終形成三相短路。從現場放電痕跡看，A相主要通過導電桿對B相放電，B相通過導電桿與A相、C相間形成放電，最終發展為三相短路，C相導體完全跌落于母線筒右側底部。

4 結論

1）220kV #2母線支柱絕緣子未嚴格執行澆筑工藝要求，造成機械強度降低，在運行中的電動力等多種電磁、機械振動力量作用下出現斷裂，產生位移，致使絕緣距離不足產生放電是此次事故的根本原因。

2）此次事故檢修中須更換220kV #1、#2母線全部支柱絕緣子，并根據現場檢查情況更換金屬底板，更換后測量導體與筒壁之間的距離，檢查導體安裝情況，確保導體-絕緣子-金屬底板-筒壁之間的連接無受力情況。

3）基建工程施工過程中，要求廠家加強GIS母線對接、內部安裝環節的管理，提高安裝質量。

4）生產廠家需進一步加強產品制造質量管控，特別是對小型絕緣件按照要求進行全部絕緣試驗，保證產品出廠質量。