張 威

（中國(guó)電力技術(shù)裝備有限公司，北京 100052）

0 引言

隨著電力工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，氣體絕緣組合電器（gas-insulated switchgear，GIS）在電網(wǎng)中的應(yīng)用日益廣泛，相對(duì)于常規(guī)敞開式變電裝置，其具有體積小、占地少、抗震性能好、技術(shù)性能優(yōu)良等特點(diǎn)。但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，GIS（HGIS）設(shè)備在制造、裝配及運(yùn)行過程中，內(nèi)部可能產(chǎn)生一些缺陷，給系統(tǒng)帶來安全隱患[1-3]?；贕IS設(shè)備為全封閉式、外觀直接可獲取的信息有限、停電巡視等手段滯后、設(shè)備故障類型多樣的特點(diǎn)，為準(zhǔn)確掌控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)一直積極利用聲、光、電、化學(xué)等檢測(cè)技術(shù)實(shí)施狀態(tài)檢測(cè)[4-15]。

近年來，GIS設(shè)備因內(nèi)部過熱缺陷導(dǎo)致的閃絡(luò)擊穿事故頻發(fā)。文中梳理了多起GIS設(shè)備由于內(nèi)部電連接接觸不良而引起的過熱缺陷及閃絡(luò)事故案例，并全面分析了停電試驗(yàn)、帶電檢測(cè)、在線監(jiān)測(cè)等方法的適用性與不足之處，最終提出了合理化建議。

1 GIS設(shè)備內(nèi)部電連接接觸不良

由于開關(guān)的多次操作，導(dǎo)致兩個(gè)導(dǎo)電組件之間的電氣連接（比較典型的部位有隔離開關(guān)觸頭，母線連接的滑動(dòng)觸頭）出現(xiàn)問題，從而造成GIS運(yùn)行中發(fā)生閃絡(luò)事故。

GIS設(shè)備在運(yùn)行過程中，由于裝配不當(dāng)、振動(dòng)或電動(dòng)力等原因引起兩個(gè)導(dǎo)電組件之間的電氣連接（比較典型的部位有隔離開關(guān)觸頭，母線連接的滑動(dòng)觸頭）接觸不良，此時(shí)接觸電阻變大，長(zhǎng)期通流運(yùn)行下將引起輕微的發(fā)熱。內(nèi)部導(dǎo)體溫度的上升將使其電阻率變大，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。隨著溫度升高，反作用效果越來越大，最終將由于溫度過高導(dǎo)致導(dǎo)體融化，引發(fā)GIS設(shè)備故障。

1）A 變電站母線隔室電連接過熱熔斷，造成閃絡(luò)擊穿

A 相導(dǎo)體端部在制造過程中存在裂紋，工廠裝配后與轉(zhuǎn)接部位存在接觸不良，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行發(fā)熱，觸指彈性下降，并形成惡性循環(huán)，使導(dǎo)體端部裂紋加大，導(dǎo)體端部和電連接靜觸頭在過熱情況下，產(chǎn)生金屬軟化和熔焊效應(yīng)，使觸頭無法承受導(dǎo)體自身重力，觸頭部分?jǐn)嗔言斐蓪?dǎo)體跌落，最終引起A 相接地短路，故障圖如圖1所示。

圖1 A變電站GIS分支母線導(dǎo)體和電連接部分燒蝕散落情況

2）B 變電站GIS隔離開關(guān)內(nèi)部過熱導(dǎo)致靜觸頭燒蝕，引發(fā)閃絡(luò)擊穿

B 變電站GIS隔離開關(guān)觸頭座過熱的可能原因有：故障相內(nèi)靜觸頭外圈彈簧可能未裝配或因裝配不到位，以及彈簧材質(zhì)不良，導(dǎo)致動(dòng)觸頭與靜觸頭接觸不良。本身存在缺陷的靜觸頭不能承受增大的負(fù)荷電流，過熱導(dǎo)致最終燒損觸頭屏蔽罩，引發(fā)金屬滴熔對(duì)地發(fā)生閃絡(luò)擊穿故障，故障圖如圖2所示。

圖2 B變電站GIS隔離開關(guān)燒損的動(dòng)、靜觸頭

3）C變電站GIS隔離開關(guān)動(dòng)、靜觸頭間小間隙拉弧放電，引發(fā)閃絡(luò)擊穿

C變電站GIS設(shè)備隔離開關(guān)所配置機(jī)構(gòu)存在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)合閘不到位的風(fēng)險(xiǎn)，其機(jī)構(gòu)輔助開關(guān)位置信號(hào)與主觸頭位置狀態(tài)不一致。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作后，因動(dòng)、靜觸頭之間存在小間隙，導(dǎo)致合閘后隔離開關(guān)動(dòng)、靜觸頭間小間隙持續(xù)拉弧放電，最終發(fā)展為對(duì)外殼擊穿故障，故障圖如圖3所示。

圖3 C變電站GIS隔離開關(guān)C相動(dòng)、靜觸頭嚴(yán)重?zé)g

4）D變電站GIS內(nèi)部電連接接觸不良

D 變電站GIS內(nèi)部過渡墊與導(dǎo)體之間有兩個(gè)螺栓沒有完全緊固，過渡墊與導(dǎo)體之間、兩過渡墊之間接觸不良，導(dǎo)致接觸面存在燒蝕痕跡，且過渡墊與導(dǎo)體之間燒蝕更嚴(yán)重，故障圖如圖4所示。

圖4 D變電站GIS電連接接觸不良

2 檢測(cè)方法分析

針對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部電連接接觸不良的缺陷隱患，下面具體分析各類檢測(cè)方法。

2.1 停電檢測(cè)方法

目前，主回路電阻測(cè)量已廣泛應(yīng)用于GIS設(shè)備的出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)與例行試驗(yàn)等過程中，能夠有效發(fā)現(xiàn)內(nèi)部接頭以及動(dòng)、靜觸頭間等電接觸處接觸電阻偏大等問題。但是，其原理導(dǎo)致了它的應(yīng)用僅局限于停電試驗(yàn)，而難以開展帶電檢測(cè)或在線監(jiān)測(cè)。

2.2 帶電檢測(cè)方法

1）紅外成像檢測(cè)

通過紅外成像技術(shù)檢測(cè)GIS設(shè)備這種金屬封閉設(shè)備，紅外線無法穿透GIS殼體，故測(cè)得的溫度實(shí)際為GIS殼體的溫度，如果GIS內(nèi)部電連接過熱，經(jīng)過內(nèi)部SF6氣體微弱的熱傳導(dǎo)，對(duì)應(yīng)殼體處的溫度變化會(huì)很小，很難通過紅外成像技術(shù)檢測(cè)出。

由此可見，目前紅外成像檢測(cè)技術(shù)雖在發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備外部金具接觸不良等方面成效顯著，而GIS設(shè)備內(nèi)部過熱缺陷卻很難通過紅外成像技術(shù)檢測(cè)出。

2）SF6氣體成分分析

SF6氣體分解產(chǎn)物的組分和含量與設(shè)備內(nèi)部缺陷有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為設(shè)備診斷提供了有效依據(jù)，主要體現(xiàn)在：SF6設(shè)備內(nèi)部發(fā)生導(dǎo)電金屬對(duì)地放電、局部放電和材料異常發(fā)熱等故障，及斷路器、隔離開關(guān)和接地開關(guān)進(jìn)行正常操作，都會(huì)伴隨產(chǎn)生SF6氣體分解產(chǎn)物。

當(dāng)設(shè)備導(dǎo)電桿連接接觸不良，使導(dǎo)電接觸點(diǎn)電阻增大，導(dǎo)致故障點(diǎn)溫度過高。當(dāng)溫度超過380 ℃，SF6氣體開始分解生成分解產(chǎn)物，達(dá)到600 ℃時(shí)，鋁合金導(dǎo)電桿開始熔化。試驗(yàn)表明，在高氣壓下溫度高于190 ℃以上時(shí)，固體絕緣材料與SF6氣體發(fā)生反應(yīng)，若出現(xiàn)更高溫度時(shí)，絕緣材料直接發(fā)生分解。此類故障產(chǎn)生的分解產(chǎn)物含有大量的SO2、SO2F2和H2S 等。

3）局部放電檢測(cè)

GIS設(shè)備內(nèi)部電連接接觸不良，往往會(huì)產(chǎn)生局部放電，通過超聲波、特高頻局部放電檢測(cè)能夠捕捉到有效局放信號(hào)。

然而，近幾年來，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)一直大力推動(dòng)GIS局部放電帶電檢測(cè)工作的開展，然而目前成功發(fā)現(xiàn)并解體印證的GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣隱患并不太多，其成功檢出率較低，且近年來時(shí)常發(fā)生的GIS設(shè)備絕緣事故也并未在故障之前的GIS局部放電帶電檢測(cè)工作中被提前檢測(cè)到。其主要原因有四點(diǎn)：一是GIS局部放電信號(hào)不穩(wěn)定；二是GIS局部放電檢測(cè)的影響因素太多，有些異常信號(hào)不易下結(jié)論；三是GIS局部放電檢測(cè)方法對(duì)某些類型局部放電隱患的檢測(cè)能力較差；四是即使能夠準(zhǔn)確判斷，可能相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)也沒有進(jìn)行解體檢修的必要。因此，GIS超聲波、特高頻局部放電檢測(cè)雖然靈敏度高，但準(zhǔn)確率低，且缺陷檢出率不高。

4）X 射線數(shù)字成像檢測(cè)

利用X 射線檢測(cè)技術(shù)對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行可視化無損檢測(cè)，能在不解體設(shè)備、不破壞環(huán)境情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部情況直觀、可靠、準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，可檢測(cè)出不同的缺陷類型，如螺絲未擰緊、屏蔽罩松動(dòng)、隔離開關(guān)合閘不到位、隔離開關(guān)分閘不到位的裝配類缺陷等。

由于X 射線數(shù)字成像檢測(cè)輻射劑量大、安全防護(hù)問題突出、檢測(cè)靈敏度較低等諸多因素，使GIS設(shè)備X 射線數(shù)字成像檢測(cè)的全面推廣應(yīng)用受到限制。

2.3 其它檢測(cè)思路

1）通過模擬試驗(yàn)與仿真計(jì)算，找出GIS內(nèi)部電連接過熱處溫升與GIS殼體外壁溫升之間的規(guī)律，以指導(dǎo)紅外測(cè)溫檢測(cè)GIS殼體外部溫升閾值的給出。

2）通過光纖溫度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)量光纖沿線各GIS設(shè)備觸點(diǎn)的溫度，并對(duì)過熱觸點(diǎn)進(jìn)行定位，使運(yùn)行人員能及時(shí)了解GIS的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)溫度超過廠家規(guī)定最高限值時(shí)進(jìn)行預(yù)警。

3）GIS紅外在線監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部接頭的非接觸式測(cè)量，且不干擾或破壞被測(cè)物體的溫度場(chǎng)和熱平衡狀態(tài)，同時(shí)解決了高電壓和高溫部分的有效隔離，可對(duì)GIS設(shè)備觸頭的溫度進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)測(cè)量及越線預(yù)警。

4）采用示波器采集電流互感器與電壓互感器二次波形，通過傅立葉變換，找出直流電壓與直流電流，通過電路基本原理計(jì)算出回路電阻值，再通過回阻值比對(duì)判斷是否存在過熱缺陷。

回路電阻測(cè)試需要GIS設(shè)備停電檢修，帶電檢測(cè)方法雖技術(shù)成熟，但用于檢測(cè)GIS內(nèi)部接頭接觸不良的有效性還有待進(jìn)一步研究，而在線監(jiān)測(cè)方法由于GIS結(jié)構(gòu)的特殊性還沒有得到廣泛應(yīng)用?？梢?，現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部接頭發(fā)熱還難以做到提前檢測(cè)和預(yù)防。

3 檢測(cè)案例

通過超聲波、特高頻時(shí)差定位系統(tǒng)及SF6組分分析儀對(duì)E變電站某刀閘氣室部位進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)聲音明顯，且在振動(dòng)聲中摻雜著細(xì)微的放電聲。判斷該刀閘氣室內(nèi)部存在嚴(yán)重的放電現(xiàn)象，原因?yàn)樵摬课荒巢考佑|不良產(chǎn)生伴隨振動(dòng)的懸浮放電。部件卡住時(shí)，懸浮放電及噪音消失，但放電產(chǎn)生的粉塵附在電極上形成尖端，從而產(chǎn)生電暈放電特征。當(dāng)振動(dòng)再次造成部件接觸不良，便再次產(chǎn)生振動(dòng)并伴隨懸浮放電。懸浮放電引起直接擊穿的概率較小，但因放電能量大，對(duì)部件燒蝕能力強(qiáng)，可能導(dǎo)致燒落粉塵或掉落部件導(dǎo)致?lián)舸?/p>

解體檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)刀閘氣室內(nèi)刀閘操作撥叉與動(dòng)觸頭連接處等電位彈簧已燒蝕成粉末，撥叉上也有燒傷痕跡，傳動(dòng)絕緣子上布滿放電粉塵，如圖5所示。

圖5 E變電站GIS解體

4 結(jié)語

1）現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部接頭發(fā)熱難以做到提前檢測(cè)和預(yù)防。

2）應(yīng)加大新技術(shù)研究力度，并大力發(fā)展針對(duì)內(nèi)部電連接接觸不良缺陷隱患的GIS設(shè)備帶電檢測(cè)技術(shù)，輔以停電試驗(yàn)技術(shù)，重要和關(guān)鍵設(shè)備安裝在線監(jiān)測(cè)裝置，三者有機(jī)結(jié)合，做到設(shè)備內(nèi)部電連接狀態(tài)全方位感知。