胡 昊，鄭雄明，許 昌

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

GIS設(shè)備具有其占地面積少，絕緣性能好，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在我國發(fā)電站及變電站中廣泛應(yīng)用，GIS設(shè)備的數(shù)量不斷增加，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的主導(dǎo)開關(guān)設(shè)備。在運(yùn)行過程中，由于GIS設(shè)備運(yùn)行年限的增長，其發(fā)生故障的概率也在逐年上升，即使出現(xiàn)微小缺陷，也容易發(fā)生蔓延，引發(fā)設(shè)備故障，且查找故障點(diǎn)和檢修時需要停電的范圍大，檢修時間長等問題導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失較大。因此，研究GIS設(shè)備常見故障，總結(jié)故障原因，預(yù)防此類事故發(fā)生十分必要[1]。

隔河巖水力發(fā)電廠GIS設(shè)備由法國ALSTHOM生產(chǎn)，于1994年全部投入運(yùn)行，至今已運(yùn)行26年之久，難免發(fā)生設(shè)備故障，文章結(jié)合一起隔河巖500 kV GIS設(shè)備內(nèi)部放電故障，闡述故障過程，從診斷試驗和解體檢查兩方面分析故障原因，提出應(yīng)對措施，以保障設(shè)備安全運(yùn)行。

1 故障概述

1.1 故障經(jīng)過

2019-05-18T21:55分隔河巖電廠對3號機(jī)組發(fā)出正常停機(jī)指令，21時56斷開清5003開關(guān)時，主站報：3號機(jī)組大差保護(hù)動作、清葛線9PP1 Rcs-915GA母差保護(hù)裝置跳母聯(lián)動作、清葛線阿海法II母差保護(hù)動作、清葛線母聯(lián)5012開關(guān)分、3號機(jī)組失靈保護(hù)動作、3號機(jī)組變差保護(hù)動作、3號機(jī)組Mark2快速停機(jī)啟動(見圖1)。

圖1 母線保護(hù)圖

1.2 現(xiàn)場檢查試驗

故障發(fā)生后現(xiàn)場檢查5003開關(guān)在分閘位置，開關(guān)操作機(jī)構(gòu)油壓、氣隔SF6氣體壓力正常，本體外觀完好；線路避雷器計數(shù)器未動作，外觀完好。

隔河巖電廠3號機(jī)發(fā)生故障后第一時間對5003開關(guān)A、B、C、三相進(jìn)行了SF6氣體微水、純度測試、回路電阻、絕緣、開關(guān)分合閘時間等檢查。檢查發(fā)現(xiàn)C相微水較其他兩相明顯偏高且相對變化值較大，其他無異常。通過對故障錄波及試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的分析，主變高壓側(cè)的C相有差動電流，而AB兩相無差流，初步判斷故障位置位于5003開關(guān)C相G0氣室。初步判定故障相后，回收C相G0氣室SF6氣體，打開5003開關(guān)頂蓋檢查，并無明顯異常，但氣隔內(nèi)有明顯臭味。對回收至氣瓶的SF6氣體進(jìn)行成份試驗，SO2超標(biāo)，確定故障點(diǎn)就在C相。

2 故障處理

為進(jìn)一步確定故障原因，將5003開關(guān)G0氣室C相解體，發(fā)現(xiàn)C相盆式絕緣子凸面(近開關(guān)側(cè))表面嚴(yán)重?zé)g碳化(見圖2)，但凹表面正常，絕緣子無貫穿性放電現(xiàn)象；絕緣子觸頭安裝的均壓環(huán)上有多個燒蝕的孔洞；母線筒內(nèi)故障點(diǎn)底部沉積大量黑色碳粉，內(nèi)壁濺有少量金屬熔化物，開關(guān)底部沉積有黑色粉末(見圖3)，開關(guān)觸頭及其他附件無異?，F(xiàn)象。

圖2 5003開關(guān)母線筒內(nèi)沉積物照片

圖3 5003開關(guān)絕緣子表面照片

由于沒有備用設(shè)備，現(xiàn)將備用間隔5052開關(guān)A相下端母線筒內(nèi)的盤式絕緣子和均壓罩拆卸，更換至5003開關(guān)C相，并進(jìn)行全面清掃。整體回裝完成后電氣預(yù)防性試驗合格。6月9日進(jìn)行檢查性耐壓試驗，具體為額定相電壓317 kV耐壓5 min，根據(jù)廠家要求按75%出廠值(680 kV)進(jìn)行單相耐壓試驗，在60%時(415 kV)耐壓3 min，75%時(510 kV)耐壓1 min。試驗合格。

3 原因分析

3.1 實(shí)驗數(shù)據(jù)對比分析

經(jīng)過比較歷年的5003開關(guān)回路電阻(見圖4)及分合閘時間(見圖5)后，試驗數(shù)據(jù)未見明顯變化趨勢，排除因斷路器分閘不同期造成的過電壓引起絕緣擊穿。

圖4 兩方案水力坡降變化曲線對比圖

圖4 5003開關(guān)回路電阻測量記錄圖

圖5 5003開關(guān)回路電阻測量記錄圖

圖5 兩方案從襯砌內(nèi)緣到圍巖內(nèi)部的孔隙水壓力變化曲線圖

同期性實(shí)驗數(shù)據(jù)符合制造廠規(guī)定:合閘不同期性小于8 ms，分閘不同期性小于3.3 ms，排除因斷路器分閘不同期造成的過電壓引起絕緣擊穿，而判斷為盆式絕緣子絕緣降低引起的短路故障。

如圖6、圖7所示，在發(fā)生故障后測量5003 C相氣隔的微水為420.5 ppm，相比上次2018-01-24日測量記錄47.32 ppm，雖然水分變化很大，但仍滿足行標(biāo)DL/T 603-2017《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》對氣體水分的要求。查詢清5003開關(guān)檢修記錄，自2005年至今，未對5003開關(guān)氣室進(jìn)行氣體處理，排除因SF6氣體導(dǎo)致的絕緣降低的可能?；厥罩翚馄康腟F6氣體SO2為22.8 μL/L，根據(jù)行標(biāo)DL/T 603-2017《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)規(guī)程》GIS診斷性試驗項目的要求：SO2≤5，H2S≤2。SO2含量嚴(yán)重超標(biāo)。

圖6 5003開關(guān)氣隔近年微水測量記錄圖

圖7 5003開關(guān)氣隔近年SF6純度測量記錄圖

水分陡增的原因分析為：此盆式絕緣子制作材料為環(huán)氧樹脂，屬于有機(jī)絕緣，在絕緣子故障后產(chǎn)生的高溫使有機(jī)材料發(fā)生碳化，釋放的H和O離子被SF6吸收。而SO2含量超標(biāo)源于SF6氣體在高溫和電弧放電作用下會產(chǎn)生大量分解物，分解物主要包括SO2，SF4等。同時也印證了該氣室內(nèi)部發(fā)生了放電故障。

3.2 故障分析

在排除其他引起跳閘的原因后，結(jié)合相關(guān)試驗數(shù)據(jù)總結(jié)故障原因如下：

隔河巖電廠GIS設(shè)備開關(guān)均為立式結(jié)構(gòu)(見圖8)，故障點(diǎn)清5003開關(guān)氣室內(nèi)近主變側(cè)盆式絕緣子靠近開關(guān)上斷口部位，由于多年的運(yùn)行，開關(guān)多次操作拉弧產(chǎn)生的金屬微粒會隨著滅弧氣流的影響而附著在盆式絕緣子凸面(見圖9)。

圖8 開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖9 盤式絕緣子結(jié)構(gòu)圖

盆式絕緣子正常工作時，其表面最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在靠近中心導(dǎo)體的邊緣處，且盆式絕緣子表面電場分布基本以導(dǎo)體中心向外擴(kuò)散呈現(xiàn)逐步降低的趨勢[2]。在交流電壓作用下，絕緣子表面的金屬微粒會產(chǎn)生劇烈局部放電，絕緣子表面開始積聚表面電荷，當(dāng)絕緣子表面積聚了大量的電荷時，這些電荷就會改變絕緣子表面電場的分布[3]。

如果絕緣子表面長時間積聚有大量的電荷，則會導(dǎo)致絕緣子沿面閃絡(luò)電壓降低；而金屬微粒或粉塵積累的越多，面積越大，則引起的場強(qiáng)畸變越嚴(yán)重，沿面閃絡(luò)電壓也就越低,盆式絕緣子很易發(fā)生局部放電，該放電不會迅速形成貫穿性通道，但在長期的過程中會使環(huán)氧樹脂老化或產(chǎn)生化學(xué)降解，形成樹枝放電，并最終導(dǎo)致?lián)舸4]。

由于盆式絕緣子閃絡(luò)電壓降低，在正常停機(jī)分閘后產(chǎn)生的過電壓將盆式絕緣子絕緣擊穿，導(dǎo)致C相母線通過盆式絕緣子表面與外殼法蘭間產(chǎn)生沿面放電，造成短路故障。而短路故障后產(chǎn)生的電弧導(dǎo)致盆式絕緣子表面碳化、均壓環(huán)被擊穿。

4 結(jié) 語

此次故障發(fā)生后，為保障機(jī)組的安全運(yùn)行，將隔河巖電廠4臺機(jī)組投運(yùn)的6臺開關(guān)列入解體檢修計劃中。2019年9月在除5003外開關(guān)解體時，在盆式絕緣子及母線筒內(nèi)壁上確實(shí)存在大量金屬顆粒及黑色粉塵，但并未發(fā)現(xiàn)有放電及其他異?，F(xiàn)象。同時也了解到廣州抽水蓄能公司(該廠GIS設(shè)備于1994年投運(yùn)，與隔河巖GIS設(shè)備同型號)的500 kV GIS設(shè)備5003開關(guān)內(nèi)因絕緣桿絕緣強(qiáng)度降低造成接地故障。

因此對于此類隨著運(yùn)行年限可能出現(xiàn)絕緣故障的電氣設(shè)備，應(yīng)保持應(yīng)修必修的原則，并重視設(shè)備在線監(jiān)測試驗，結(jié)合超聲波、超高頻局部放電檢測技術(shù)及SF6氣體成分檢測來記錄大齡設(shè)備絕緣的老化趨勢。通過試驗數(shù)據(jù)分析對設(shè)備進(jìn)行針對性檢修，預(yù)防此類故障，保障機(jī)組安全運(yùn)行[5]。