(國(guó)網(wǎng)成都供電公司，四川 成都 610041)

0 引 言

氣體絕緣組合電器(gas insulated switchgear，GIS)以其占地空間小、檢修周期長(zhǎng)、運(yùn)行可靠性高等特點(diǎn)在電力系統(tǒng)110 kV及以上電壓等級(jí)得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

盆式絕緣子由以氧化鋁為填料的環(huán)氧樹脂復(fù)合體系進(jìn)行澆注和固化而形成，包括盆式支持絕緣子(通氣)和盆式隔板(不通氣)。作為GIS最為核心的部件之一，盆式絕緣子起著分隔氣室、支撐導(dǎo)體和電氣絕緣的作用[3-4]。根據(jù)典型開關(guān)設(shè)備廠家的故障統(tǒng)計(jì)，盆式絕緣子是GIS最主要的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，特別是當(dāng)開關(guān)設(shè)備觸頭磨合產(chǎn)生的金屬顆粒掉落到盆式絕緣子表面、基建安裝階段GIS盆式絕緣子表面異物清理不到位時(shí)，會(huì)導(dǎo)致盆式絕緣子沿面閃絡(luò)電壓嚴(yán)重下降[5-8]。

下面介紹了一起252 kV GIS在送電過(guò)程中及在故障修復(fù)后耐壓試驗(yàn)時(shí)盆式絕緣子放電擊穿故障，分析了盆式絕緣子沿面閃絡(luò)的主要原因和發(fā)展過(guò)程，提出了減少GIS內(nèi)部絕緣故障的防范措施。

1 故障概況

2018年7月6日17：10：50，某220 kV變電站運(yùn)維人員遙控合閘1號(hào)主變壓器220 kV側(cè)201斷路器，17：11：02，1號(hào)主變壓器兩套保護(hù)差動(dòng)速斷動(dòng)作，跳開201斷路器，動(dòng)作時(shí)間5 ms，保護(hù)動(dòng)作二次電流50 A，1號(hào)保護(hù)故障相別為ABC相(PCS-978，轉(zhuǎn)角方式為角轉(zhuǎn)星)，2號(hào)保護(hù)故障相別為AC相(CSC-326，轉(zhuǎn)角方式為星轉(zhuǎn)角)。

故障前，該220 kV變電站運(yùn)行方式如圖1所示，220 kV系統(tǒng)為雙母線接線方式。261、262線路作為主供電源運(yùn)行在220 kVⅠ母，2號(hào)主變壓器202斷路器運(yùn)行在Ⅰ母，帶全站負(fù)荷運(yùn)行，母聯(lián)212斷路器熱備用，263、264線路運(yùn)行在Ⅱ母，201斷路器熱備用，預(yù)備在Ⅰ母投運(yùn)。1號(hào)主變壓器110 kV側(cè)101斷路器、10 kV側(cè)901斷路器均處于熱備用。

該站252 kV GIS設(shè)備為2014年出廠，2016年2月投運(yùn)，故障前正進(jìn)行201斷路器檢修后送電操作。

圖1 故障前某220 kV變電站運(yùn)行方式

1.1 設(shè)備外觀檢查及故障錄波信息

檢修人員在事故發(fā)生后第一時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)各氣室壓力均在正常范圍內(nèi)，一次設(shè)備外觀檢查無(wú)異常。由故障錄波信息(見(jiàn)圖2)可看出：A相一次故障電流為12 800 A，B、C相電流為0，A相故障電壓為0，B、C相電壓不變，持續(xù)時(shí)間60 ms。

其他保護(hù)均未動(dòng)作，也無(wú)其他斷路器跳閘。

圖2 故障錄波信息

1.2 試驗(yàn)分析及故障氣室定位

由于該站兩套母差保護(hù)均未動(dòng)作，兩套主變壓器差動(dòng)速斷保護(hù)均動(dòng)作，主變壓器非電量保護(hù)未動(dòng)作且變壓器本體、瓦斯繼電器、集氣盒、壓力釋放閥等檢查無(wú)異常。初步判斷故障范圍在201斷路器A相CT1與1號(hào)主變壓器本體之間，如圖3所示。主變壓器故障2 h后對(duì)相關(guān)氣室進(jìn)行SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)未見(jiàn)異常，故障5 h后SF6分解產(chǎn)物檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)氣室存在異常分解產(chǎn)物，SO2含量為2.2 μL/L，H2S含量為1.1 μL/L，如表1所示。同時(shí)對(duì)該氣室相鄰氣室進(jìn)行檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異常。因此確定1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)A相氣室存在故障。

表1 2016隔離開關(guān)氣室SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 故障位置

2 故障氣室解體檢查

2016隔離開關(guān)A相氣室自投運(yùn)以來(lái)SF6壓力正常，未發(fā)生漏氣現(xiàn)象。2018年7月5日至6日開展201斷路器機(jī)構(gòu)隱患整治，更換斷路器合閘彈簧后調(diào)試數(shù)據(jù)合格，且故障后斷路器氣室分解產(chǎn)物未見(jiàn)異常。

故障氣室為三相分體式，但三相氣管連通，為確定A相氣室放電對(duì)其他兩相氣室污染情況，對(duì)1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)三相氣室均開罐檢查。

解體發(fā)現(xiàn)A相氣室內(nèi)部遺留大量盆式絕緣子環(huán)氧樹脂放電后產(chǎn)生的粉塵，位于110 kV GIS室?jiàn)A層處的盆式絕緣子表面有明顯電弧灼燒痕跡，該放電盆式絕緣子位置如圖4所示，為水平布置(凸面朝上)。水平布置的盆式絕緣子類似于收集皿，GIS裝配過(guò)程中的粉塵以及金屬屑極易掉落其表面引起電場(chǎng)畸變。

圖4 放電氣室

圖5為放電的A相盆式絕緣子燒蝕受損情況，可以看出該盆式絕緣子表面明顯受大電流電弧燒蝕，金屬嵌件及導(dǎo)體屏蔽罩已燒蝕嚴(yán)重變形，GIS筒體表面也有明顯燒蝕痕跡，筒內(nèi)存在大量盆式絕緣子放電后產(chǎn)生的粉末。

對(duì)1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)B相氣室開罐檢查未見(jiàn)異常，盆式絕緣子表面無(wú)放電痕跡，分支母線筒內(nèi)無(wú)放電粉塵。

圖5 1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)氣室A相放電盆式絕緣子

對(duì)1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)C相氣室開罐檢查，分支母線筒內(nèi)無(wú)放電粉塵，但C相位于110 kV GIS夾層處的水平布置盆式絕緣子表面有明顯放電痕跡。該間隔自投運(yùn)以來(lái)無(wú)異常，在1號(hào)主變壓器201斷路器隔離開關(guān)合閘送電時(shí)C相電流也無(wú)異常。根據(jù)放電樹枝分析，該放電樹枝明顯是在較小能量下放電形成的，可排除運(yùn)行中放電的可能。根據(jù)DL/T 618-2011規(guī)程，GIS耐壓調(diào)試過(guò)程中發(fā)生放電，若重復(fù)耐壓通過(guò)則認(rèn)為試驗(yàn)合格。經(jīng)咨詢基建調(diào)試單位，該間隔交接驗(yàn)收時(shí)確實(shí)發(fā)生過(guò)放電擊穿，但重復(fù)耐壓試驗(yàn)合格。故判斷該放電痕跡為基建調(diào)試交流耐壓時(shí)盆式絕緣子放電造成，雖然盆式絕緣子表面有放電閃絡(luò)痕跡，但絕緣未完全破壞、絕緣子仍可承受試驗(yàn)電壓。

圖6 1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)氣室C相放電盆式絕緣子

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)GIS受損情況，修復(fù)方案為更換1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)A相氣室水平布置盆式絕緣子以及110 kV GIS夾層受損的分支母線筒，更換1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)C相氣室水平布置盆式絕緣子，并對(duì)1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)三相氣室全面清理，檢查該氣室三相所有盆式絕緣子沿面狀況，確認(rèn)盆式絕緣子沿面潔凈。

故障修復(fù)后現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)值為368 kV(出廠試驗(yàn)值的80%)，其中A、C相一次通過(guò)，但B相在耐壓試驗(yàn)過(guò)程中放電擊穿(放電電壓在220～250 kV間)?，F(xiàn)場(chǎng)核實(shí)耐壓設(shè)備及高壓引線對(duì)地距離后再次對(duì)B相試驗(yàn)，第1次升壓至252 kV 10 s后放電擊穿，第2次加壓至180 kV放電擊穿，第3次加壓至210 kV放電擊穿，判定在耐壓區(qū)域B相內(nèi)發(fā)生絕緣擊穿。

對(duì)1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)B相氣室再次開罐檢查，發(fā)現(xiàn)220 kV GIS室豎直布置盆式絕緣子表面有明顯放電痕跡，放電位置如圖7中所示，放電痕跡如圖8、圖9所示。

從圖8中放電樹枝形態(tài)分析，該盆式絕緣子表面有多條放電通道，且對(duì)耐壓區(qū)域其他盆式絕緣子及母線筒檢查無(wú)異常，因此判斷盆式絕緣子在試驗(yàn)過(guò)程中沿面發(fā)生多次放電擊穿。

圖7 1號(hào)主變壓器2016隔離開關(guān)氣室B相放電盆式絕緣子位置(耐壓試驗(yàn)時(shí)放電擊穿)

圖8 B相盆式絕緣子放電痕跡(耐壓試驗(yàn)時(shí)放電擊穿)

從圖9中可以看出放電點(diǎn)處金屬嵌件與環(huán)氧樹脂結(jié)合處有明顯燒蝕痕跡，且圖9中虛框內(nèi)金屬嵌件與環(huán)氧樹脂結(jié)合處明顯不平整，該處為環(huán)氧樹脂、金屬嵌件以及SF6氣體三交界面，屬于電場(chǎng)畸變區(qū)，在絕緣子表面未清理干凈的情況下易發(fā)生放電。

同時(shí)該盆式絕緣子安裝在拐角處，由于安裝位置限制，在故障后回收氣體、抽真空過(guò)程中，絕緣子表面吸附異物后不易清理干凈。

3 金屬顆粒對(duì)絕緣子表面電荷影響分析

圖10為金屬微粒對(duì)盆式絕緣子表面電荷影響示意圖。當(dāng)高壓導(dǎo)體電壓為正半波，金屬微粒A端相對(duì)于高壓導(dǎo)體為負(fù)極性，B端相對(duì)于外殼為正極性。由于負(fù)極性電暈放電起始電壓低于正極性，當(dāng)A端局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)電暈放電起始電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，A端將先于B端發(fā)生負(fù)極性電暈放電。A端附近盆式絕緣子表面聚集起正極性表面電荷，在離A端較遠(yuǎn)的空間則是分散的負(fù)電荷，A端附近的正電荷使電場(chǎng)畸變更容易形成流注、產(chǎn)生電暈放電，放電產(chǎn)生的許多電子崩造成了彌散分布的等離子層，削弱了等離子體前方的電場(chǎng)，不利于放電的向前發(fā)展，因此A端放電類似于湯遜放電，分布較為彌散，在放電路徑上積聚起負(fù)極性表面電荷[9]。

圖9 放電盆式絕緣子與金屬嵌件交界情況(耐壓試驗(yàn)時(shí)放電擊穿)

圖10 金屬微粒對(duì)盆式絕緣子表面電荷影響

當(dāng)B端局部電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)電暈起始場(chǎng)強(qiáng)，B端發(fā)生正極性電暈放電，在B端附近盆式絕緣子表面積聚起少量正極性表面電荷。

當(dāng)高壓導(dǎo)體電壓為負(fù)半波時(shí)，B端首先發(fā)生負(fù)電暈放電，在B端附近盆式絕緣子表面積聚負(fù)極性表面電荷；當(dāng)電壓升高到A端發(fā)生正極性電暈放電時(shí)，在A端附近盆式絕緣子表面積聚起少量正表面電荷。

由于電壓極性周期性變化，電荷整體分布比較均勻，但負(fù)極性電暈放電比正極性電暈放電更容易起始，放電更為彌散，且SF6氣體為強(qiáng)負(fù)電性氣體，很容易吸附電子形成負(fù)離子，因此在交流電壓下，絕緣子沿面放電會(huì)產(chǎn)生以負(fù)電荷為主的電荷積聚[4,9]。盆式絕緣子表面電荷積聚及其電場(chǎng)畸變直接導(dǎo)致沿面閃絡(luò)電壓降低。

4 結(jié) 語(yǔ)

故障前無(wú)惡劣天氣，所有保護(hù)裝置及系統(tǒng)無(wú)異常，在1號(hào)主變壓器201斷路器檢修完成后送電1號(hào)主變壓器時(shí)發(fā)生A相盆式絕緣子沿面閃絡(luò)放電，B、C相盆式絕緣子均在試驗(yàn)電壓下發(fā)生沿面放電，經(jīng)分析本次故障的原因?qū)佼a(chǎn)品或裝配質(zhì)量問(wèn)題。

造成本次三相盆式絕緣子放電的原因是：

1)盆式絕緣子生產(chǎn)過(guò)程中，金屬嵌件與環(huán)氧樹脂結(jié)合處工藝不良。由于該處為環(huán)氧樹脂、金屬及SF6氣體3類電介質(zhì)交界面，工藝處理不良產(chǎn)生不光滑的毛刺后會(huì)導(dǎo)致電場(chǎng)畸變產(chǎn)生局部放電，在表面有粉塵、金屬屑等異物的情況下局部放電加劇，最終導(dǎo)致放電擊穿。

2)在基建安裝時(shí)絕緣子表面未清理干凈。GIS裝配過(guò)程中的粉塵以及金屬屑掉落在盆式絕緣子表面引起電場(chǎng)畸變，在送電過(guò)程中產(chǎn)生的操作過(guò)電壓以及機(jī)械振動(dòng)作用下，絕緣子表面絕緣裂化或異物跳躍至高電場(chǎng)區(qū)域，導(dǎo)致盆式絕緣子沿面放電。

建議：1)制造廠應(yīng)加強(qiáng)盆式絕緣子的澆筑、固化工藝質(zhì)量管控，加強(qiáng)磨具的清潔度檢查，避免絕緣子內(nèi)存在異物、空穴、裂紋等隱性缺陷。

2)基建安裝時(shí)應(yīng)對(duì)GIS內(nèi)盆式絕緣子、導(dǎo)體、筒體全面清理，確保安裝質(zhì)量工藝，并嚴(yán)格按照100%出廠耐壓試驗(yàn)值開展現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)。

3)根據(jù)DL/T 618-2011《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)規(guī)程》，GIS耐壓過(guò)程中發(fā)生擊穿放電，可進(jìn)行重復(fù)耐壓，若重復(fù)耐壓能經(jīng)受規(guī)定的試驗(yàn)電壓，認(rèn)為耐壓試驗(yàn)通過(guò)。然而從本次耐壓試驗(yàn)結(jié)果以及C相盆式絕緣子表面已有放電痕跡仍在運(yùn)行電壓下正常運(yùn)行的情況來(lái)看，建議GIS耐壓試驗(yàn)時(shí)一旦發(fā)生放電擊穿就應(yīng)該開罐檢查確認(rèn)放電點(diǎn)及放電原因。

4)根據(jù)220 kV室內(nèi)變電站典型設(shè)計(jì)方案，該站220 kV GIS主變壓器進(jìn)線分支母線從4樓GIS室至1樓主變壓器室設(shè)計(jì)為一個(gè)氣室，氣室長(zhǎng)20 m左右且三相氣室連通，主變壓器室內(nèi)GIS分支母線和套管安裝高度12 m左右且無(wú)檢修通道，在發(fā)生故障時(shí)施工難度極大、故障影響范圍大，建議在今后的新建變電站中避免采用此類設(shè)計(jì)。