三相電流不平衡對GIS設備的影響及故障原因分析

/國網寧夏電力公司檢修公司 祁迎賓 高海洋 史磊/

三相電流不平衡對GIS設備的影響及故障原因分析

/國網寧夏電力公司檢修公司 祁迎賓 高海洋 史磊/

近年來，GIS以其較高的安全可靠性在換流站中得到越來越廣泛的應用。與此同時，因GIS設備故障導致的事故也給換流站的安全穩定運行帶來極大威脅，使得對其進行早期故障排查顯得更加重要。本文以天山、江陵、復龍三個換流站為例，從交流電流入手，詳細介紹了如何通過交流電流的變化發現GIS早期故障，并從中總結出一套實用性較強的處理方法，同時對存在的問題提出了優化改進建議，以期對以后相同故障的處理、驗收以及通過GIS電流三相不平衡發現GIS設備隱患具有指導意義。

GIS；交流電流；早期故障

0 引言

GIS，即六氟化硫氣體絕緣組合電器裝置（SF6Gas insulated Switchgear），其將斷路器、隔離開關、接地刀閘、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線等經優化設計組合成一個整體，能夠實現自動控制，操作簡單，維護方便。與傳統分散元件式開關裝置相比，具有很多新的特點：體積小、可靠性高、安全性能好、安裝周期短、維護方便及檢修周期長。但由于安裝工藝欠佳、部分設備部件不合格、設備老化等原因GIS也先后出現過一些故障，嚴重影響設備的安全運行以及電網的穩定，但通過對故障分析研究發現GIS故障大多會對流過其的三相電流產生一定影響。因此，通過分析GIS故障對交流電流的影響可以及時發現GIS早期故障，若能及時采取正確有效的處理措施，可以避免故障的擴大，對電網的安全穩定運行具有非常重要的意義。

1 GIS設備介紹

以特高壓±800kV天山換流站為例，天山站500kV交流場采用GIS設備，單相布置，主要設備包括斷路器、隔離開關、接地刀閘、電流互感器、主母線、分支母線、套管、電壓互感器、就地控制柜等，實際布置如圖1所示。

圖1 天山站GIS設備實際布置圖

圖2 斷路器外形圖

GIS斷路器采用雙端口結構，如圖2所示，配用液壓彈簧操動機構，可以滿足濾波器大組回路容性電流1300A的要求。斷路器開斷結構包括絕緣支座、靜觸頭、動觸頭、拉桿等，拉桿是動觸頭動作的最直接的部件，在斷路器分合閘時拉桿帶動滅弧裝置里整個可動部件運動，實現分合閘。斷路器絕緣結構包括對地絕緣、斷口間的絕緣和相間絕緣，斷路器本體罐體結構如圖3所示。

圖3 斷路器本體罐體結構圖

隔離開關可分別組合進一臺或兩臺接地刀閘，使GIS布置時更加緊湊、靈活。同時，隔離開關、接地刀閘還配有電動機構，可三相機械聯動，也可單相操動；出線套管的作用是供架空線與GIS連接使用，結構包括接線板、導電桿、屏蔽環、連接筒、靜觸頭、接頭、絕緣子等；母線采用分相式結構，鋁制殼體，觸頭采用螺旋彈簧和觸指柵，接頭采用插拔式結構，可實現殼體與導體整體運輸，并采用滑動連接件，使拆裝檢修更加方便，導體采用高電導率鋁材，通過導電連接件與GIS其他元件連通，滿足不同的主接線方式來匯集分配傳送電能。

電壓互感器可以把高電壓按比例關系變換成100V或更低等級的標準二次電壓，供保護、計量、儀表裝置使用。同時，使用電壓互感器可以將高電壓與電氣工作人員隔離。其結構包括保護蓋板、靜觸頭、絕緣子、接地端子等；電流互感器將數值較大的一次電流通過一定的變比轉換為數值較小的二次電流，用來進行保護、測量等用途，電壓互感結構和原理分別見圖4和圖5。

2 交流電流對GIS設備的影響及電流不平衡判斷

GIS故障會直接或間接對交流電流產生影響，直接影響一般為CT測量故障，即CT某相二次繞組斷線造成三相電流測量值不同。

GIS電流三相不平衡指GIS串內三相電流在幅值上不同或其相位差不是120度，亦或兼而有之，常見為三相電流幅值相差較大。以天山站為例，天山站可以通過OWS相應界面對GIS運行電流進行實時監視，當GIS不平衡電流大于內部軟件預設值時，發出報警信號提示運行人員注意。

圖4 電壓互感器結構圖

圖5 電壓互感器原理圖

軟件通過對GIS三相電流的采集計算，判斷出三相電流大小的中間值，即IM=（IA+IB+IC）-（IMAX+IMIN），再將中間值分別與每相電流相減，所得結果的絕對值若大于某一定值，則發出報警。

以500kV第一串T1 A相為例，由流過T1三相的電流測量值IA、IB、IC及三相電流最大值IMAX、最小值IMIN可計算出不平衡電流為、|IM-（IA+IB+IC）-（IMAX+IMIN）|，將不平衡電流的絕對值分別與軟件設定值I_CT1_DIFF和I_CT1_HYST進行比較，當差值大于I_CT1_DIFF時，經200ms展寬、200ms延時后監視系統發“交流小室電流WA.W1 A相CT故障”報警，當差值小于等于I_CT1_HYST時，不發報警。

如圖6所示，I_CT1_DIFF為定值I_CT1_RFF （250）與三相電流中間值二者取最大乘以系數0.06，I_CT1_DIFF為定值I_CT1_RFF（250）與中間值二者取最大乘以系數0.01。

圖6 定值計算軟件邏輯圖

通過了解GIS不平衡電流的算法以及對監盤界面進行實時監視，可以在早期發現GIS存在電流不平衡現象，對發現GIS早期故障具有針對性的指導意義。

3 故障原因分析

GIS早期故障包括絕緣拉桿故障，內部松動故障及CT故障等，當絕緣拉桿上有附著物、受到外力作用產生裂紋或受潮時，都會導致放電故障的產生；內部松動故障會導致接觸不良，接觸不良的部位有母線連接處、盆式絕緣子連接處等，該故障通常會使回路電阻變大引起電流不平衡及局部過熱、放電等現象，造成盆式絕緣子擊穿等；CT故障主要為CT及二次回路故障，CT儀表故障或二次回路斷線，此類故障都會影響GIS設備電流的平衡。

通過對GIS運行設備三相電流的監視可以極早的發現GIS設備的早期故障，通過分析處理防止GIS設備故障的擴大及進一步損壞。

3.1 伸縮節過熱導致電流不平衡

（1）故障現象

2014年4月2日，如圖7所示，天山站運維人員通過監盤對GIS設備的不平衡電流進0行計算發現500kV GIS第三串5031斷路器C相電流比A、B兩相小115A，5032和5033斷路器C相電流比A、B兩相高115A左右，且第一串、第二串和第四串C相與A、B相相差約40A左右，但是第五至八串電流基本平衡，相差在10A以內，從各串C相電流偏差值來看，初步判斷GIS設備故障存在于第三串，而具體故障位置需進一步進行分析及驗證。

（2）故障分析及位置判斷

從各串電流來看，初步判斷故障存在于第三串，從GIS的構件進行分析，一次設備故障及二次設備故障均有可能導致GIS電流不平衡運行，但二次設備故障處理較為簡潔，所以首先對GIS的二次設備及回路進行檢查。如果電流不平衡故障是由于二次設備或回路故障引起，則可排除GIS設備本體存在故障隱患，所以在故障發現之初，首先對第三串各個斷路器的CT不同繞組使用鉗形表進行了測量，發現GIS不同繞組測量值與后臺顯示基本一致，因此可以排除CT和二次回路的故障；因1-4串均出現電流不平衡現象，判斷回路電阻異常的可能性較大。

圖7 500kV GIS 斷路器各相電流

如圖8所示，第一串#2主變和第二串#1主變為電源側，故兩串的電流流向分別為以501167地刀處和502367地刀處為分界點流向兩側，兩路電流再經503167地刀處流向負荷側（極1高端換流變811B）。通過電流不平衡趨勢發現，上側電流（I1）C相（黃色）全部偏小，下側電流（I2）C相（藍色）全部偏大。說明當電源相同，負荷相同的情況下，電源側由黃色區域流向負荷側的電阻比電源側由藍色區域流向負荷側的接觸電阻大，初步判斷故障點存在于5011開關經#1M至5031開關負荷側或5022、5021開關經#1M至5031開關負荷側，即圖9中黃色線路區域。

圖8 母線電流流向圖

為了進一步確定故障范圍，可采用假設法對故障范圍進行分析及排除。假設某一范圍內接觸電阻增大，則相關串開關電流將出現不平衡，通過判斷故障后的電流不平衡情況是否符合本次故障現象，即可確定故障范圍，具體排除過程如下。

1）若5011開關至#1M母線之間接觸電阻增大：第一串5011開關電流將存在不平衡，但是第二串5021開關則不會存在不平衡，則排除此范圍。

2）若5022開關至#1M母線之間接觸電阻增大：第二串5021和5022開關電流將存在不平衡，但是第一串5011開關則不會存在不平衡，則排除此范圍。

3）若5031開關至#1M母線至之間接觸電阻增大：第一串5011開關、第二串5021和5022開關、第三串5031開關均會存在電流不平衡現象，但是第四串5041開關則不會存在不平衡電流，則排除此范圍；同理可以排除第五至八串。

4）若#1M母線靠第二串側至靠第三串側范圍內接觸電阻增大：第一串5011開關、第二串5021和5022開關、第三串5031開關、第四串5041開關、第五至八串變開關均會存在不平衡電流，但是由于第五至八串距離越來越遠，前面部分的接觸電阻增大對后面四串的影響則越來越小、越來越不明顯，完全符合本次故障現象，對第三串電流不平衡影響最大（115A左右），然后對第四串電流不平衡影響逐步減?。?0A左右），第五至八串為（10A以內），故，此確認此范圍為故障檢查重點。

為了防止由于伸縮節松動引起母線內部接觸不良導致接觸電阻增大，檢查#1M母線第二串至第三串之間的伸縮節長度。廠家設計標準應該在68cm至73cm之間，實際測量為68cm，符合要求，并聯系新疆電科院帶電檢測技術人進行超高頻局部放電和超高頻局部放電測試，未發現放電跡象，后利用紅外測溫儀進行溫度測試，發現GIS I母C相靠近第二串附近的伸縮節存在過熱現象，伸縮節外部連接銅排最高溫度達到253℃，故判定故障原因為伸縮節過熱導致接觸電阻增大，從而導致C相電流不平衡。

3.2 盆式絕緣子接觸不良導致電流不平衡

（1）故障現象

某年5月22～23日復龍換流站500kV交流GIS串內出現CT三相電流不平衡情況，對第三串、第四串測控主機ACC3、ACC4電流回路進行檢測，確認第三串、第四串A、B相電流正常，C相電流不平衡，與OWS后臺顯示一致。初步判斷故障范圍在第三串、第四串內（如圖9所示），具體故障位置需要進一步檢查分析。詳細數據見表1。

表1 不平衡電流詳細數據

圖9 復龍站GIS第三串及第四串回路圖

（2）故障分析及位置判斷

首先對二次設備及回路進行檢查，對初步懷疑故障串的CT不同繞組使用鉗形表進行了測量，發現不同二次繞組與后臺顯示電流值基本一致，排除了CT單一繞組故障的可能。為了進一步排除CT及二次回路的故障，對CT進行了電壓比試驗，回路電阻及絕緣電阻測試，發現CT電壓比正確，回路電阻及絕緣電阻合格，因此可以排除CT和二次回路的故障。故此次故障可能出現在通流回路接觸電阻增大。使用內窺鏡檢查第三串、第四串刀閘、地刀實際位置均正常且內部無異常。

由于故障原因為通流回路接觸電阻增大，而具體故障位置仍未查明，為了確定具體故障位置，對故障開關進行回路電阻測試。

首先對三相電流偏差較大的5131及5143開關進行檢查，將5131開關轉至檢修狀態，進行回路電阻測試，發現回路電阻正常，同時在監視電流變化時，發現拉開5131開關后，第三串其余CT測量值處于平衡狀態。而第四串T6不平衡程度增大，具體見表2。

表2 不平衡電流詳細數據

5131開關試驗完畢后，對5131開關恢復運行，將5143開關轉至檢修狀態，在拉開5143開關時，同時監視電流變化，發現第三串及第四串電流不平衡狀態消失，具體見表3。隨后對5143開關進行回路電阻測試，檢查結果顯示5143開關C相回路電阻異常，在低電壓下回路保持開路，證明導致此次故障的具體位置為5143開關間隔。

表3 不平衡電流詳細數據

對5143開關間隔進行紅外測溫，測溫結果顯示第四串5143斷路器靠T6側盆式絕緣子側溫度比其他部位高4℃左右，而且盆式絕緣子一圈的溫度都是26.3℃較為均衡，認為發熱異常是由于此處接觸不良造成，初步判斷異常點位于斷路器5143內靠T6側盆式絕緣子連接處。

對5143斷路器C相開蓋檢查發現，有螺栓發熱變色的痕跡。說明盆式絕緣子連接處螺栓緊固力矩不足，投入運行后長時間承受重力使螺栓松動，導致該部位接觸不良，最終使電阻變大造成三相電流不平衡。

3.3 母線處可拆卸單元接觸不良導致電流不平衡

（1）故障現象

2014年3月9日，江陵換流站極II調試時，當極II負荷升到750MW后，發現流過第八串CT的T6的電流存在不平衡現象，B相電流相對于A、C兩相很小，且T1、T3的B相電流遠大于A、C相電流，處于不對稱運行狀態。發現不平衡故障后，即將負荷降至150MW時，同時監視電流變化，發現三相電流又趨于平衡，負荷變化導致第八串T6三相電流變化見表4。針對以上所觀察到的現象，第八串電流的不平衡程度與所帶負荷有關，初步分析認為第八串二次測量回路存在故障或一次通流回路接觸不良。

表4 不平衡電流詳細數據

（2）故障分析及位置判斷

對初步分析結果的測量回路進行檢查，對第八串各個斷路器的CT不同繞組使用鉗形表進行了測量，不同的二次繞組的特性均一致，因此可以排除CT單一繞組故障的可能?；诔醪椒治龅囊淮瓮骰芈方佑|不良，申請將第八串及II母轉檢修，對回路電阻進行測量以判斷故障位置。

由于在功率升至750MW時，第八串的T6電流互感器B相電流變小，如圖10所示，為了確保故障點不會遺漏，首先在514327與513227之間注流發現B相電流有損失，回路電阻偏大而其余相正常，表明514327與513227之間存在接觸不良點。為了進一步明確故障點，將514327與513227分成兩段分別進行測量，即514327、513327之間和513327、513227之間，發現514327與513327之間B相電流有損失，回路電阻偏大；而513327與513227之間電流與回路電阻均正常。表明513327與513227之間連接完好，514327與513327之間有接觸不良點。

圖10 螺栓發熱變色

在確認故障點位于514327與513327之間時，為了縮小故障范圍，引入完好串第六串參與電阻測量，進行故障排除。首先對511327至514327進行注流，檢測回路電流與電阻均正常，表明511327至514327接觸完好，隨后從513327處注流，分別從514327、511327處進行測量測量，測量結果發現電流均有損失，且回路電阻偏大。此次試驗結果可以斷定問題出于51332與母線之間。

為了確認實驗結果及處理故障，拆開隔刀51332氣室進行檢查，拆開后發現隔刀51332至II母之間緊靠II母的支撐絕緣子及觸頭燒傷，因此判定故障原因為II母靠近WA-W8處可拆卸單元接觸不好導致連接點接觸電阻偏大，最終引起GIS電流三相不平衡，該檢查結果與整個實驗分析及結果一致。

4 故障處理方式

通過對GIS運行設備三相電流的監視可以極早地發現GIS設備的早期故障，由以上典型案例的分析可以總結出一套實用性較強的處理方法，用這種方法便能通過交流電流的變化確定GIS早期故障位置并解決，具體如下：

1）發現GIS三相電流不平衡運行，初步判斷GIS存在早期故障。

2）進行故障的初步分析。

3）判斷是否為二次測量故障，對CT進行試驗檢查。

4）對可能的故障部位、氣室通過紅外測溫、超聲波局放、超聲波檢測、分解物測試、回路電阻測量進行判斷確定。

5）根據測試結果進一步分析確定可能故障位置。

6）對確定的故障位置確定后故障情況進行檢修工作。

5 反措及建議

1）運行期間加強GIS運行電流監視，及時進行日比對工作，特別是直流負荷調整前后，并對運行監盤作業指導書進行補充完善，將CT電流值的監視作為監盤工作的一個重要項目。

2）實際軟件中設置定值相差為150A（以天山站為例）才給出告警，由于告警值較高GIS一般都為平衡運行，建議將三相電流不平衡告警定值調低（50A），從而提早發現故障隱患。

3）為了確保后續工程不發生同類事件，應要求GIS設備廠家、監造方以及現場施工監理加強設備裝配質量控制，嚴格按照設備安裝要求及流程進行裝配并滿足規程及指導書的工藝要求。

4）在以后的安裝和驗收階段，應對連接處進行檢查，同時在早期GIS帶電運行階段關注GIS運行電流，及早發現隱患。

6 結束語

本文首先對GIS設備及其優點進行了介紹，然后對如何通過GIS交流電流的變化排查早期設備故障進行了深入分析，得出了一套實用性較強的處理方法，并對存在的問題提出了優化改進建議，希望對新建直流工程GIS相關設備的設計、調試、運行和維護起到一定借鑒作用，對以后相同故障的處理、驗收以及通過GIS交流電流的變化發現GIS設備故障起到一定的指導作用。

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