一起220kV GIS間隔絕緣故障分析及改進措施

王鳳智， 傅正財， 秦 沫

1. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 上海 200030 2. 上海西門子高壓開關有限公司 上海 200245

一起220kV GIS間隔絕緣故障分析及改進措施

王鳳智1，2， 傅正財1， 秦 沫2

1. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 上海 200030 2. 上海西門子高壓開關有限公司 上海 200245

220kV氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)間隔的故障原因包括機械故障、絕緣及工藝因素等，其中絕緣問題常常會引起故障擴大。對一起220kV GIS間隔絕緣故障進行有限元仿真和現場拆卸分析，確認了故障原因，以及設計和工藝等方面存在的不足，并對現有設計、加工和裝配工藝進行了改進，以避免類似故障再次發生。

電力系統； 氣體絕緣金屬封閉開關設備； 絕緣； 故障

掛網運行中的氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)，其機械性能和電氣性能都經過嚴格的型式試驗，型式試驗模擬線路上的常見故障，并遵照嚴格的試驗規程進行。實際電網通常運行于額定參數條件下，電壓、電流等參數都遠低于型式試驗時的參數，但GIS絕緣故障仍時有發生[1-2]，這就需要引起重視。

本文介紹一起220kV GIS間隔絕緣故障，該GIS為成熟產品，并有長期電網運行記錄，故障類型為發展型絕緣故障，從單相故障發展為三相故障，并蔓延至其它氣室。筆者就該產品的故障現象、設計絕緣裕度及工藝問題進行分析，結合拆解狀況和有限元仿真解析故障成因，并就產品設計和工藝問題提出改進措施，以降低同類故障發生的概率。

1 故障情況

發生故障的220kV GIS為小型化產品，故障產品間隔如圖1所示。斷路器、隔離開關等模塊為分箱設計，母線為三相共箱設計。各GIS間隔的上下母線通過波紋管建立連接，并調整誤差。掛網運行14個月后由于接地故障導致斷路器跳閘?，F場故障錄波顯示，GIS間隔發生對地短路。初始狀態為C相單相接地，之后發展為三相接地?，F場監測設備顯示，C相發生接地故障持續時間為10ms，之后發生的三相對地故障持續時間為40ms。

拆卸故障間隔，斷路器氣室未見異常，但在連接D03與D04間隔下母線波紋管處發現電弧造成5mm 左右不規則穿孔，并導致SF6氣體泄漏。臨近波紋管位置的C相導體及觸頭有明顯放電痕跡，連接Q1的B相導體有放電痕跡。氣室防爆膜未動作，氣室內有大量電弧放電生成物。下母線多個零件存在放電痕跡，包括支撐絕緣子、下母線殼體及主回路中部分導體與觸頭，如圖2所示。絕緣故障氣室內出現復雜的放電狀況，諸多放電點和受損零件分布在氣室各個位置。對間隔拆解后各氣室狀況記錄如表1所示，可判定此次故障是由下母線引起的。

圖1 故障GIS產品間隔布置圖

圖2 下母線零件狀況

表1 產品狀況匯總

2 故障分析

2.1 導致對地放電的可能原因

該產品已有多年掛網運行記錄，發生三相接地故障極其罕見。對于故障的原因，認為有水分、SF6氣體泄漏、零件質量及工藝問題導致放電等幾種可能[1-2]。

間隔拆卸后，各氣室吸附劑數量滿足設計要求，未見吸附劑包裝破損或散落。與下母線結構一致的上母線氣室中使用的吸附劑數量相同，且未出現擊穿。因此排除由吸附劑缺失導致水分增加，進而使絕緣劣化的可能。各氣室SF6壓力由密度表監控，在發生故障前未見氣體壓力報警，可以排除由SF6泄漏導致絕緣劣化的可能。綜合產品現場狀況，基本確認此次絕緣故障與產品零件質量或安裝工藝有關。

2.2 C相局部放電與對地絕緣故障的成因

長期運行在電網電壓下的產品，其狀況與型式試驗所面臨的情況不同。產品長期帶電狀態下，局部放電現象是客觀存在的。局部放電雖然不是破壞性放電，但會導致在氣室內部形成放電生成物，這些生成物在拆卸后可見于導體及絕緣體表面，通常為灰白色細密顆粒[3-6]。同時，局部放電會導致SF6分解生成SOF2、SO2F4、SO2等物質，其中酸性物質的腐蝕性會導致零件質量的下降[7-9]。

通常情況下，絕緣故障的放電起始點位于場強集中處。對于一個造型復雜且結構緊湊的三相設備而言，內部會出現多個電場相對集中的區域。在劣化的絕緣介質中，這些電場相對集中的區域是潛在的易發生放電的部位。使用ANSYS軟件對結構進行有限元分析，邊界條件設定為三相對地，施加電壓為1050kV[10-11]，仿真結果如圖3所示。圖3中紅色區域為電場集中處，其中零電位電場集中區域為波紋管，以及與單相絕緣子相連的法蘭接口，高電位電場集中區域為波紋管附近的耦合觸頭、屏蔽罩，以及連接單相絕緣子的耦合觸頭。

圖3 結構有限元仿真

現場拆卸后的C相放電零件如圖4所示，分別為耦合觸頭、屏蔽罩、波紋管及螺栓。放電最為嚴重的是耦合觸頭及連接件單側屏蔽罩，燒穿部位為該耦合觸頭及屏蔽罩所對應的波紋管處，即圖3中紅色標簽處。值得注意的是，C相放電最嚴重的部位并沒有出現在電場強度最高的單相法蘭耦合觸頭處，而是出現在電場強度相對較弱的連接件屏蔽罩處，并且螺栓上出現了嚴重的放電痕跡，由此可以判定，對地放電由螺栓頭部及相連的屏蔽罩引起，對應的放電點為波紋管。由圖3仿真結果可知，施加高電位后，電場集中處并不在螺栓或與其相連的屏蔽罩處，而在與其相連的耦合觸頭處[12-14]，且屏蔽罩只有一側發生放電，另一側沒有任何放電痕跡，這進一步驗證了此次放電的最初原因與螺栓及屏蔽罩有關。

圖4 C相放電零件

引發屏蔽罩及螺栓放電的原因有三種：一是屏蔽罩表面缺陷；二是螺栓表面缺陷；三是螺栓與屏蔽罩連接失效，形成懸浮電位。如果是屏蔽罩表面缺陷，很難形成圍繞螺栓孔四周的均勻放電痕跡。如果是螺栓表面缺陷，螺栓的位置在屏蔽罩之下，螺栓頭低于屏蔽罩3mm，處于屏蔽罩保護中，缺陷同樣受到屏蔽罩保護。從放電痕跡看，螺栓頭部分燒蝕均勻，屏蔽罩螺栓孔部位燒蝕也均勻，可見由于表面缺陷造成對地放電的可能性很小。

最終根據放電痕跡(圖5)判定屏蔽罩與螺栓內側存在連接問題。屏蔽罩內有放電痕跡，且燒損嚴重。屏蔽罩在運行狀態中，安裝于導體側面，如果螺栓松動，則一側內表面接近導體，另一側遠離導體，可出現內側燒損嚴重的情況。螺栓孔內側與螺栓搭接面處也嚴重燒損，推斷在屏蔽罩與導體臨近處，以及螺栓與屏蔽罩的搭接面曾有放電發生。該處為弧形面搭接，是螺栓未能有效施加力矩所致。在初始狀態下，屏蔽罩與螺栓連接處，以及屏蔽罩與導體臨近位置產生局部放電，并導致屏蔽罩表面情況持續劣化。同時，局部放電持續存在，使SF6氣體絕緣強度降低，最終導致C相屏蔽罩對波紋管絕緣擊穿，進而形成C相對地絕緣故障。

圖5 屏蔽罩與螺栓放電痕跡

2.3 單相絕緣故障發展為三相絕緣故障的分析

由于大量酸性放電生成物、光輻射等因素的影響，樹脂絕緣件的絕緣強度會降低，即絕緣件的延面會因酸性物質腐蝕而劣化。在這樣的情況下，對于污穢比較敏感的絕緣件易發生放電[15-18]。圖6所示為下母線的內部狀況，可見多個絕緣子有放電痕跡。與B相絕緣子鄰近的耦合觸頭也發生了對地擊穿，放電痕跡位于B相耦合觸頭處及臨近殼體。該放電部位與圖3中B相導體電場吻合，說明電場集中部位在電場劣化條件下易發生擊穿。由于A相及B相均可找到對地放電痕跡，因此驗證了故障錄波所顯示的C相接地故障發生后發展為三相接地故障。

2.4 防爆膜未動作的思考

此次故障中另一個值得注意的現象是防爆膜未動作。在燃弧狀態下，氣室內壓力理論上會迅速增高導致防爆膜破裂。本次絕緣故障中，波紋管燒穿，SF6氣體泄漏，而防爆膜未動作，思考原因是波紋管燒穿部位壁厚約1mm，在達到防爆膜破裂壓力前，波紋管已被燒穿?？梢姡辣さ膭幼鲏毫χ敌枰鹱⒁?。

3 改進措施

本起故障中，氣室的放電現象復雜，但放電起始部位的判定相對明確。從波紋管燒穿可判定，放電的起始部位為C相耦合觸頭臨近屏蔽罩的一側。從仿真結果及長期運行數據看，屏蔽罩對波紋管放電不是設計缺陷，推斷導致此次故障的原因為螺栓與屏蔽罩連接失效，與產品的安裝工藝有關。從蔓延到整個氣室的放電現象分析，產品在局部放電作用下，金屬件的表面質量、絕緣件和絕緣介質的絕緣強度均會逐漸下降。對本起故障進行總結，得出以下改進措施。

3.1 螺栓裝配工藝

GIS內部螺栓種類和數量繁多，螺栓根據實際需要涂抹不同的潤滑脂和膠水，因此如何控制工藝流程、避免人為錯誤非常重要。此外，可以從設計角度考量，在滿足需求的同時，盡量減少螺栓的種類。在工藝方面，應使用流程控制卡片等方法記錄并檢測工藝步驟，清晰到責任人，力矩扳手等需要定期檢測精度，還應盡量避免應用弧形面搭接。

3.2 電場強度集中部位的設計

電場裕度是一個需要謹慎考慮的問題，盡量在設計階段避免極不均勻電場的存在。就本起故障而言，耦合觸頭電場偏高也是造成B相耦合觸頭對殼體絕緣擊穿的原因之一。對于此類設計，宜采用較大倒角以避免場強集中[19-21]。此外，殼體作為零電位的設計也非常重要，殼體直徑的大小與絕緣、溫升息息相關，過度追求小直徑殼體、降低殼體成本并不是最佳選擇，如何均衡導體、殼體在電場和溫升試驗中的表現與成本之間的關系，對產品性能是否穩定至關重要。

3.3 絕緣件的設計和工藝

絕緣件在設備中通常起基石的作用。如果絕緣件的設計裕度偏小，則極易導致例行試驗失敗。導體和殼體的后期改進會導致成本上升，絕緣的更改成本則更是遠超導體和殼體的更改，因此在產品設計中應避免后期更改。在設計階段，使用ANSYS軟件嚴格考核電場[22-23]，尤其是絕緣介質、金屬材料和SF6三交點，并在使用前針對絕緣件做例行局部放電試驗，在生產階段按照工藝流程對絕緣件進行清理和裝配。以上這些措施可有效避免絕緣子缺陷或人為因素導致的絕緣故障發生。

4 結束語

成熟產品的設計改進，均應在不造成重大參數變化的前提下進行。除設計改進外，保持產品性能穩定的重要因素是工藝。針對本起絕緣故障，可以明確絕緣故障產生和發展的過程，同時引發對設計和工藝流程控制的思考。故障項目更換了所有間隔的下母線，以及D03、D04間隔母線與隔離開關連接的6個絕緣子?，F場對安裝工藝嚴格控制，并順利通過試驗，運行至今一切正常，未發生類似故障。

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上海電氣電站大容量調相機進軍特高壓領域

據中國上海門戶網站報道，由上海電氣集團自主研發的當前最大容量調相機正式進入國家電網特高壓大直流工程。

日前，臨沂換流站3臺 300MVA 調相機正式合同簽署，首臺機組將于2017年8月交付。在2016年4月國家電網公司的公開招投標中，上海電氣中標其中13臺機組，占62%，總價近8億元人民幣。

相關資料顯示，國家電網該項目段工程建成后，每年可向江蘇、山東兩地輸送清潔電能 1100 億kWh，可有效緩解霧霾，促進節能減排，改善大氣環境，經濟效益和社會效益十分顯著。

Failure causes of the interval in 220kV gas insulated metal enclosed switchgear and controlgears (GIS) include mechanical failure， insulation and engineering factors among which the insulation problem often causes failure propagation. By finite element simulation and on-site tear down analysis of the insulation fault of the interval in 220kV GIS insulation fault， its failure cause was identified as well as the shortcomings in design and engineering. The existing design， processing and assembly process had been improved to prevent similar failures from happening again.

Power System； GIS； Insulation； Failure

2016年6月

王鳳智(1980— )，女，本科，電氣工程師，主要從事高壓開關設備設計和仿真工作， E-mali：fengzhi.wang@siemens.com

TM59

B

1674-540X(2016)04-050-05