張星宇 張小明 左秀江 戴雨薇 陳雅琦

500kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備盆式絕緣子放電故障原因分析

張星宇 張小明 左秀江 戴雨薇 陳雅琦

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020）

本文介紹了某±800kV換流站恢復(fù)送電過程中發(fā)生放電故障的500kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備盆式絕緣子現(xiàn)場(chǎng)解體情況，結(jié)合繼電保護(hù)動(dòng)作分析，追溯設(shè)備出廠試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)盆式絕緣子進(jìn)行了電場(chǎng)模擬分析，最終確定了盆式絕緣子放電故障原因。

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）；盆式絕緣子；放電故障；電場(chǎng)模擬分析

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（gas insulated switch- gear, GIS）設(shè)備在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。組合電器結(jié)構(gòu)緊湊，很容易在生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)由于管控不嚴(yán)導(dǎo)致母線筒內(nèi)存在異物，造成內(nèi)部缺陷[2-5]。

某±800kV換流站一條500kV送出線路消缺結(jié)束，在恢復(fù)送電過程中，兩次充電未成功，第二次充電失敗后，變電站工作人員在巡視中發(fā)現(xiàn)該出線側(cè)500kV GIS設(shè)備G88A氣室漏氣。

本文在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備解體檢查的基礎(chǔ)上，結(jié)合繼電保護(hù)動(dòng)作情況，追溯設(shè)備出廠試驗(yàn)并進(jìn)行盆式絕緣子電場(chǎng)模擬試驗(yàn)，綜合分析該盆式絕緣子放電故障 原因。

1 繼電保護(hù)動(dòng)作情況及分析

繼電保護(hù)動(dòng)作事件過程如圖1所示。

圖1 繼電保護(hù)動(dòng)作事件過程

1.1 兩次送電故障錄波情況

該送出線路第一次送電過程中兩側(cè)換流站故障錄波波形如圖2和圖3所示，根據(jù)受端換流站側(cè)錄波顯示19:05:38:599時(shí)受端換流站發(fā)合閘命令，66ms后開關(guān)合閘完成，送出線路A、B、C相出現(xiàn)電壓、電流，錄波顯示A相電壓有效值為243.17kV、B相為313.05kV、C相為307.66kV，A相電流有效值為4.21kA、B相為0.057kA、C相為0.061kA，零序電流4.301kA。故障特征為A相單相接地故障，故障電流出現(xiàn)21ms保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘，61ms開關(guān)跳開故障切除。送端換流站側(cè)故障錄波顯示開關(guān)合閘后，A相出現(xiàn)操作過電壓，幅值為835.334kV（1.95p.u.），后降為8.9kV左右，B相電壓最高幅值為-606.48kV，C相電壓最高幅值為-825.158kV，故障持續(xù)61ms?，F(xiàn)場(chǎng)避雷器A、B相未動(dòng)作，C相動(dòng)作。

圖2 受端換流站第一次送電故障錄波波形

圖3 送端換流站第一次送電故障錄波波形

該送出線路第二次送電過程中兩側(cè)換流站故障錄波波形分別如圖4和圖5所示。第二次送電過程中受端換流站側(cè)故障量趨勢(shì)與第一次送電情況基本相符，故障持續(xù)61ms左右，故障特征為A相接地故障。送端換流站側(cè)A相瞬時(shí)電壓最高為11.989kV左右，B、C相電壓正常。從兩側(cè)錄波看，第二次送電受端換流站合閘時(shí)故障點(diǎn)依然存在，送端換流站側(cè)A相電壓接近0，故障應(yīng)為該線路送端換流站側(cè)出口處直接接地故障。

圖4 受端換流站第二次送電故障錄波波形

圖5 送端換流站第二次送電故障錄波波形

1.2 繼電保護(hù)裝置動(dòng)作情況

受端換流站側(cè)：PSL—603UA保護(hù)裝置11月14日19:05:38:664啟動(dòng)，22ms分相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、31ms距離加速動(dòng)作。CSC—103A保護(hù)裝置19:05:38:665啟動(dòng)，20ms縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、差動(dòng)手合動(dòng)作，34ms距離加速動(dòng)作，67ms零序加速動(dòng)作。

送端換流站側(cè)：PSL—603UA保護(hù)裝置、CSC—103A保護(hù)裝置啟動(dòng)，未動(dòng)作。

1.3 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作分析

線路在空充時(shí)故障或空載時(shí)發(fā)生故障，其邏輯為：一側(cè)變電站開關(guān)在分位、一側(cè)開關(guān)在合位，合閘側(cè)檢測(cè)到故障且故障電流大于差動(dòng)保護(hù)定值時(shí)，合閘側(cè)線路差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作跳閘，分位側(cè)線路保護(hù)不動(dòng)作。本次故障受端換流站側(cè)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，送端換流站側(cè)啟動(dòng)未動(dòng)作，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作行為符合空充狀態(tài)下故障的動(dòng)作邏輯[2]。

送端換流站側(cè)開關(guān)在分位，故障電流為零，保護(hù)裝置無法通過電流突變量啟動(dòng)，縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù)針對(duì)空充狀態(tài)增加了跳閘位置節(jié)點(diǎn)（TWJ）啟動(dòng)元件，作為手合于故障或空充線路，一側(cè)啟動(dòng)另一側(cè)不啟動(dòng)時(shí)，未合側(cè)保護(hù)裝置的啟動(dòng)元件，即未合側(cè)只要滿足：①裝置有三相TWJ開入；②收到對(duì)側(cè)保護(hù)啟動(dòng)信號(hào)，則保護(hù)啟動(dòng)。送端換流站側(cè)保護(hù)啟動(dòng)框圖如圖6所示。

圖6 送端換流站側(cè)保護(hù)啟動(dòng)框圖

本次故障，送端換流站側(cè)滿足TWJ啟動(dòng)條件，保護(hù)裝置啟動(dòng)，向?qū)?cè)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，但因本側(cè)開關(guān)故障前三相在分位，不滿足差動(dòng)跳閘邏輯，差動(dòng)保護(hù)未動(dòng)作。

受端換流站側(cè)電流突變量元件啟動(dòng)，接收到對(duì)側(cè)發(fā)送的啟動(dòng)信號(hào)，差動(dòng)電流1.112A大于差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作定值0.15A，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作。

1.4 手合于故障加速保護(hù)動(dòng)作分析

合閘加速保護(hù)分為距離加速和零序加速兩種，受端換流站側(cè)滿足手合加速條件，PSL—603UA保護(hù)裝置故障阻抗為29.814Ω，小于接地距離Ⅲ段定值57.6Ω，經(jīng)過延時(shí)（最長不超過50ms）距離加速動(dòng)作；零序加速保護(hù)手合時(shí)固定延時(shí)100ms，故障持續(xù)60ms左右，零序加速未達(dá)到延時(shí)，零序加速保護(hù)不動(dòng)作。CSC—103A保護(hù)故障阻抗為29.88Ω，小于接地距離Ⅲ段定值57.6Ω，距離手合加速動(dòng)作。故障時(shí)零序電流為1.086A，大于零序過電流加速段定值0.09A，零序加速保護(hù)裝置內(nèi)固定延時(shí)60ms，零序加速保護(hù)動(dòng)作。

1.5 故障過程行波測(cè)距分析

送端換流站配置XC—100E行波測(cè)距裝置，其基本原理：通過測(cè)量電壓、電流行波在故障點(diǎn)及母線（電站）之間的傳播時(shí)間進(jìn)行測(cè)距[2]。

故障線路送電過程中因本側(cè)開關(guān)處于分位無電流量輸入，無法通過故障線路行波進(jìn)行測(cè)距，可以根據(jù)故障點(diǎn)產(chǎn)生行波通過故障線路到受端換流站母線，經(jīng)過另一線路到達(dá)送端換流站母線進(jìn)行測(cè)距。

結(jié)合測(cè)距行波波形=(2 740-1 738)×148 000m= 146 588m，分析結(jié)果為距受端換流站側(cè)約為146.7km，符合計(jì)算結(jié)果。送端換流站側(cè)行波單端測(cè)距分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 送端換流站側(cè)行波單端測(cè)距分析結(jié)果

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查及解體情況

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

14日22:00，第一次充電失敗后，檢修人員對(duì)送端換流站內(nèi)5083DK線路高抗、故障線路出線設(shè)備進(jìn)行檢查，設(shè)備外觀檢查無異常；對(duì)故障線路A相分支母線及隔離開關(guān)氣室進(jìn)行SF6分解物試驗(yàn)（見表1），試驗(yàn)結(jié)果無異常。15日02:00第二次充電失敗后，對(duì)5083DK線路高抗、故障線路出線設(shè)備進(jìn)行檢查，設(shè)備外觀檢查無異常；對(duì)故障線路A相分支母線及隔離開關(guān)氣室進(jìn)行SF6分解物試驗(yàn)（見表1），試驗(yàn)結(jié)果無異常；對(duì)5083DK線路高抗進(jìn)行油色譜分析，數(shù)據(jù)無異常。

15日08:00，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)故障線路出線G88A氣室漏氣，壓力開始有下降趨勢(shì)?，F(xiàn)場(chǎng)立即進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)套管下方第一個(gè)盆式絕緣子澆筑口有漏氣響聲。隨后進(jìn)行SF6分解物檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)有SO2體積分?jǐn)?shù)為69.4×10-6，故障點(diǎn)所在氣室較長，約為35m，分析認(rèn)為氣室較長，SO2擴(kuò)散至取氣口需要較長時(shí)間，所以故障后很長時(shí)間才檢測(cè)到分解物（見表1）。

表1 G88A氣室（A相）分解物檢測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 設(shè)備解體檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)G88A氣室SO2體積分?jǐn)?shù)為69.4× 10-6，判斷G88A氣室內(nèi)部存在放電，故障位置如圖8所示。16日02:00，對(duì)故障線路出線G88A氣室套管下端第一個(gè)盆式絕緣子進(jìn)行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子兩側(cè)均有燒傷。

圖8 放電氣室故障位置

現(xiàn)場(chǎng)開蓋后，發(fā)現(xiàn)故障部位位于套管下方通氣盆式絕緣子，如圖9和圖10所示，盆式絕緣子凸側(cè)朝向套管側(cè)，凹側(cè)朝向分支母線側(cè)。

圖9 故障位置

圖10 故障位置內(nèi)部形態(tài)圖

檢查發(fā)現(xiàn)，故障盆式絕緣子放電位置位于正常運(yùn)行位置的正下方。放電發(fā)生在盆式絕緣子凹面，凹面大面積炭化，且有兩條明顯放電通道，其中一條放電通道是寬15～20mm、深4mm左右、均勻且炭化嚴(yán)重的溝狀損傷；在凸面存在明顯裂縫，嚴(yán)重?fù)p傷部位呈長35mm、寬15mm、高9mm的鼓包狀裂縫，凸面損傷裂縫和凹面兩條放電通道重合，盆式絕緣子觸頭、導(dǎo)體有多處電弧燒蝕痕跡。具體檢查情況如圖11～圖14所示。

圖11 盆式絕緣子放電情況（凹面）

圖12 盆式絕緣子放電情況（凸面）

圖13 盆式絕緣子放電損傷情況（凹面）

圖14 盆式絕緣子放電損傷情況（凸面）

2.3 故障設(shè)備出廠試驗(yàn)追溯和電場(chǎng)強(qiáng)度核對(duì)

廠家反饋資料顯示，該換流站550kV GIS采用單元化出產(chǎn)方式，所有零部件（含盆式絕緣子）經(jīng)檢驗(yàn)合格后，進(jìn)入總裝車間進(jìn)行裝配，試驗(yàn)合格后出廠。經(jīng)檢查盆式絕緣子的試驗(yàn)記錄、G16197F5—21套管單元及G16197F5—18母線單元的試驗(yàn)記錄，均合格。

按照標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，盆式絕緣子通過了熱性能試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)和密封試驗(yàn)的型式試驗(yàn)，隨產(chǎn)品通過了絕緣試驗(yàn)等型式試驗(yàn)[3-7]。故障處的盆式絕緣子編號(hào)為517513Z1438，其X射線探傷、額定短時(shí)工頻耐壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)均合格。

G16197F5—18分支母線單元的主回路電阻測(cè)量、額定雷電沖擊耐受試驗(yàn)、額定工頻短時(shí)耐受試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)均合格。

G16197F5—21套管單元的主回路電阻測(cè)量、額定雷電沖擊耐受試驗(yàn)、額定工頻短時(shí)耐受試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)均合格。

對(duì)套管下部故障盆式絕緣子處的電場(chǎng)進(jìn)行分析如圖15所示，該處內(nèi)部導(dǎo)體電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為22.3kV/mm，位于觸頭屏蔽部位，符合設(shè)計(jì)要求。

2.4 設(shè)備交接試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況追溯

圖15 故障盆式絕緣子處電場(chǎng)分析

此次消缺為輸電線路消缺，不包括站內(nèi)設(shè)備，自投運(yùn)以來，此次線路消缺前該GIS設(shè)備一直處于帶電運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)投運(yùn)時(shí)錄波波形顯示電壓最高幅值為-606.48kV，小于此次最大操作過電壓幅值835.334kV。

3 綜合分析

第一次充電后的故障錄波波形顯示故障線路A相最大操作過電壓為835.334kV（盆式絕緣子承受最大操作過電壓值為1 300kV），第二次充電后的故障錄波波形顯示故障線路A相電壓峰值為11.989kV，第二次充電后故障線路A相電壓峰值小于第一次充電后電壓，兩次充電故障錄波圖均顯示故障特征為A相接地故障，根據(jù)故障盆式絕緣子損傷情況（見表2），可以判定第一次充電時(shí)導(dǎo)電桿經(jīng)故障盆式絕緣子凹面對(duì)母線筒壁放電。

表2 故障盆式絕緣子損傷情況

結(jié)合錄波波形顯示故障線路A、B、C相線路感應(yīng)電壓分別為8.9kV、14.2kV、9.0kV，在盆式絕緣子第一次充電后發(fā)生放電，絕緣降低，形成放電通道，在放電通道上由感應(yīng)電壓產(chǎn)生感應(yīng)電流，自14日19:31故障發(fā)生，至15日04:00線路轉(zhuǎn)檢修，線路感應(yīng)電流沿盆式絕緣子沿面通道持續(xù)作用10h29min，在感應(yīng)電流的電和熱作用下盆式絕緣子進(jìn)一步損傷，造成凹面均勻并炭化嚴(yán)重的溝狀損傷和凸面鼓包狀裂縫，同時(shí)引起盆式絕緣子膠墊等密封損傷，導(dǎo)致氣室漏氣。

通過出廠試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)追溯，基本可以排除盆式絕緣子質(zhì)量原因，但現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)無法考核設(shè)備安裝后過電壓承受水平。綜合分析，本次故障應(yīng)是現(xiàn)場(chǎng)安裝等環(huán)節(jié)管控不嚴(yán)導(dǎo)致母線筒內(nèi)存在異物，造成該設(shè)備絕緣水平降低，在過電壓作用下引起放電。

4 結(jié)論

本次事故中繼電保護(hù)裝置動(dòng)作正確。事故的主要原因是現(xiàn)場(chǎng)安裝等環(huán)節(jié)管控不嚴(yán)導(dǎo)致母線筒內(nèi)存在異物造成故障線路A相分支母線盆式絕緣子在第一次充電時(shí)發(fā)生放電，盆式絕緣子絕緣降低，形成放電通道，在放電通道上由感應(yīng)電壓產(chǎn)生感應(yīng)電流，在其長時(shí)間作用下盆式絕緣子進(jìn)一步損傷，并導(dǎo)致氣室漏氣。

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Analysis on discharged fault of basin-type insulator in 500kV gas insulated switchgear

ZHANG Xingyu ZHANG Xiaoming ZUO Xiujiang DAI Yuwei CHEN Yaqi

(State Grid East Inner Mongolia Electric Power Research Institute, Hohhot 010020)

In this paper, the disintegration of the 500kV gas insulated switchgear (GIS) basin-type insulator that is discharged during the restoring power supply process of a ±800kV converter station is introduced. The relay protection action is analyzed, and the results of delivery test are traced in this paper. Though analyzing the simulation results of electric field of the basin-type insulator, cause of the discharged fault is obtained.

gas insulated switchgear (GIS); basin-type insulator; discharged fault; simulation analysis of electric field

2020-11-25

2021-01-11

張星宇（1991—），男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，碩士，工程師，主要從事設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)工作。