- 頭條一起1100千伏氣體絕緣金屬封閉開關設備母線放電故障的分析2022-01-21 作者：余爽 趙科 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語國網江蘇省電力有限公司檢修分公司、國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院的研究人員余爽、趙科，在2021年第4期《電氣技術》上撰文，針對一起特高壓變電站1 100kV氣體絕緣金屬封閉開關設備母線跳閘故障進行了分析。闡述了故障發展過程，結合現場診斷、解體檢查及返廠試驗情況，分析認為母線盆式絕緣子電連接裝配間隙處存在異物，在盆子表面殘余電荷、操作過電壓等因素作用下，造成盆子沿面閃絡是此次事故的主要原因，最后提出了相應的改進措施及建議。
氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear, GIS）在現代電力系統中起著舉足輕重的作用，具有結構緊湊、運行可靠和易維護等優點。GIS在制造、運輸、安裝、運行過程中，可能會因產品質量把控不嚴或長期操作振動，導致其內部導體表面存在金屬微粒、絕緣件或緊固件松動和相對位移等缺陷，嚴重時引發跳閘事故，甚至造成人身傷害，帶來巨大的損失。
1 故障概述
特高壓站執行網調1 000kV Ⅰ母線復役操作，通過T011開關給Ⅰ母線充電，遙控合T011開關，40ms后，1 100kV GIS故障，Ⅰ母兩套母差保護動作，跳開T011開關，C相故障電流約為14.2kA。故障時現場天氣晴，氣溫-6℃～6℃。
故障前運行方式為T011處于熱備用狀態，T051、T041、T022處于冷備用狀態，T053、T042、T043、T023、T013開關處于運行狀態，如圖1所示。
圖1 故障前運行方式
故障設備為河南平高電氣股份有限公司生產的ZF27—1100（L）型GIS，額定電流為6 300A（母線8 000A），額定短路開斷電流為63kA，制造日期為2014年，投運日期為2016年4月3日。
2 檢查處理
2.1 保護動作情況
故障發生后，現場檢查1000kV Ⅰ母第一套母差保護和第二套母差保護均動作，故障電流14.2kA，保護動作行為正確。調取監控后臺事件順序記錄（sequence of event, SOE），故障發展過程見表1，故障時刻波形如圖2所示。
表1 故障發展過程
圖2 1000kV線路及母線故障錄波
從圖2可以看出，T011開關遙控合閘后4ms盱泰Ⅰ線電壓波形開始出現異常，14ms時C相電壓跌至零，故障電流增加。本次故障電流由T011開關流向故障點。由于盱泰Ⅰ線線路保護未動作，判斷故障點處于盱泰Ⅰ線保護范圍外，即T011母線側隔離開關至整個Ⅰ母母線段。
2.2 一次設備檢查情況
故障后，現場檢查發現1 100kV GIS T011斷路器位置為分位，機構油壓為33MPa（額定為31.5MPa），未見異常。對設備SF6壓力情況進行排查，非斷路器氣室的壓力為0.48MPa左右（額定值為0.45MPa），斷路器氣室的壓力為0.68MPa左右（額定值為0.65MPa），排查未見壓力異常。
對Ⅰ母及關聯設備C相的SF6組分進行了測量，發現Ⅰ母10號氣室氣體組分異常，SO2和H2S含量嚴重超標，測量結果如圖3所示，初步判斷放電故障點位于該氣室。
圖3 Ⅰ母10號氣室氣體成分測量結果
現場對Ⅰ母C相10號氣室進行開蓋檢查，確定放電點位于Ⅰ母C相10號氣室近T0411側隔離開關盆式絕緣子，為絕緣沿面閃絡故障，盆子沿面閃絡情況如圖4所示。對該氣室另一側盆子進行檢查未發現放電痕跡。
圖4 故障盆子沿面閃絡情況
綜合一次設備檢查情況及保護動作情況，初步分析故障原因為Ⅰ母C相10號氣室近T0411側隔離開關盆式絕緣子存在絕緣缺陷，在空母線投入時發生沿面閃絡，進而導致母差保護動作跳閘。
3 返廠檢查
3.1 外觀檢查
對故障盆子返廠檢查發現，10:00～13:00區域（面向盆子凹面）有大片灼黑痕跡，3:00區域有三條細樹叉狀放電痕跡，6:00區域有熔融物飛濺痕跡，如圖5所示。
圖5 故障盆子外觀檢查
故障盆子觸頭座在10:00、12:00左右區域（面向盆子凹面）有2片金屬燒融痕跡，如圖6所示。筒體內表面（對應導體電弧燒蝕點）在10:00、12:00區域（面向盆子凹面）有兩處電弧燒蝕點。筒體內表面6:00方向有熔融物滴落堆積痕跡，導體觸頭座表面燒蝕嚴重，如圖7所示。
3.2 試驗檢查
對故障盆子進行X光檢查，未見異常，如圖8所示。對故障盆子凹、凸面打磨拋光，分別進行著色滲透試驗，試驗結果未見異常，如圖9所示。
圖6 故障盆子觸頭座
圖7 導體觸頭座外觀檢查
圖8 故障盆子X光檢查
圖9 故障盆子著色滲透試驗
將故障盆子封入試驗工裝，進行工頻耐壓局部放電試驗，試驗加壓順序為：0→1 100kV/5min→ 762kV/10min→試驗結束。最大局部放電量約為1.7pC，滿足單只絕緣件局部放電量不超過3pC的要求，試驗結果未見異常。
3.3 原因分析
盆式絕緣子放電的原因主要有內部絕緣缺陷、絕緣及連接件松動、表面異物三個方面。通過返廠X光檢測、著色滲透試驗及耐壓試驗，發現盆子絕緣無異常，因此排除內部絕緣缺陷的問題。通過現場解體檢查，未發現盆子及導電桿連接件松動的問題，這一方面的原因也可排除。通過對盆子表面、觸頭座的放電痕跡檢查可以看出，放電起始通道為中心導體12點方向沿盆式絕緣子表面發展，到GIS筒體12點位置導通形成放電通道。因此推斷本次故障原因為盆子電連接裝配間隙處可能存在微小顆粒、纖維等異物。
故障盆子位于Ⅰ母C相母線末端，該相母線未安裝PT，在盆子表面容易積聚殘余電荷。T011開關處于母線另一側，通過T011開關給Ⅰ母線充電時，在操作過電壓、盆子表面殘余電荷、長母線容性效應的共同作用下，故障盆子處電壓相對升高，放電電壓降低，造成絕緣子沿面放電。
綜合上述分析，本次故障原因為盆子電連接裝配間隙處可能存在微小顆粒、纖維等異物，母線復役過程中，在盆子表面殘余電荷、操作過電壓等因素作用下，造成盆子的閃絡故障。故障后異物消除，盆子絕緣強度得到恢復。
4 結論
本文對一起特高壓變電站1 100kV氣體絕緣金屬封閉開關設備母線跳閘故障進行了分析。綜合廠內檢查、解體結果，本次故障原因為盆子電連接裝配間隙處可能存在微小顆粒、纖維等異物，母線復役過程中，在盆子表面殘余電荷、操作過電壓等因素作用下，誘發盆子電連接裝配三角區電場畸變，造成盆子的閃絡故障。
針對本次故障的原因，為避免類似故障再次發生，提出以下建議：
1）生產廠家需進一步加強產品制造質量管控，保證產品生產環境及出廠質量。同時核算盆子結構、盆子與電連接裝配三角區電場，進一步研究操作過電壓下盆子的絕緣特性。
2）基建安裝過程中，施工單位及廠家加強GIS母線對接、內部安裝環節的管理，提高安裝質量。
3）設備驗收過程中，監理及運維單位加強實施驗收檢查，交接試驗過程中對設備本體進行全面的局部放電檢測。
本文編自2021年第4期《電氣技術》，論文標題為“一起1100kV氣體絕緣金屬封閉開關設備母線放電故障分析”，作者為余爽、趙科。
