GIS設備盆式絕緣子擊穿故障原因分析及處理探討

劉平（國網新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南長沙410213）

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GIS設備盆式絕緣子擊穿故障原因分析及處理探討

劉平
（國網新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南長沙410213）

摘要：SF6全封閉組合電器體積小、技術性能優良，是20世紀70年代初期出現的一種先進的高壓電氣配電裝置。國際上稱這種電器為Gas-Insulater Switchgear，簡稱為GIS。GIS設備具有優良的技術性能和占地面積少的特點，維護工作量小，所以近年來應用發展十分迅速。由于GIS設備對安裝與檢修的工藝要求十分高，所以，在安裝投運初期容易發生事故。本文對某電站首次帶電試運行過程中發生的隔離開關氣室盆式絕緣子擊穿故障進行分析探討，并提出了相應的防范措施。

關鍵詞：GIS；盆式絕緣子；擊穿；分析；處理

1工程概述

某電站安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機-發電電動機組，單機容量（發電工況）300 MW，總裝機容量1 200 MW，以一回500 kV電壓等級并入電網。擔負電網的調峰、填谷、調頻、調相及緊急事故備用等任務。電站樞紐建筑物包括上庫、下庫、引水系統、廠房洞室群及500 kV地面開關站與副廠房等。

電站500 kV GIS由地下和地上兩部分組成，以兩回500 kV交聯聚乙烯高壓電纜連接，所用500 kV干式電纜終端為國內首次使用。地上GIS以一回出線與出線平臺設備相連，預留一回出線。GIS設備包括管母線、斷路器、隔離刀閘、接地刀閘、快速接地刀閘、避雷器、電容式電壓互感器、出線SF6-空氣套管等。設備型號為ZF15－550，額定電壓550 kV，額定電流4 000 A，是國內首套應用于抽水蓄能電站的GIS設備。

2設備技術參數

設備型號：ZF15-550

額定電壓：550 kV

額定頻率：50 Hz

額定電流：4 000 A

額定短時耐受電流(有效值)：63 kA

額定短路持續時間：3 s

額定峰值耐受電流：171 kA

SF6年漏氣率：小于0.5 %

斷路器氣室SF6氣體額定壓力：0.60 MPa

其他氣室SF6氣體額定壓力：0.4 MPa

3故障過程

該電站GIS設備于2009年4月30日14：16開始帶電試運行，未帶負載，5月1日下午19：34分，1 號/2號主變間隔50013隔離開關B相氣室內部發生對地放電故障，查得放電短路電流約15 kA，故障發生后，我廠500 kV短線保護未動作，140 ms后線路對側開關跳閘。故障后現場檢查有明顯漏氣聲。

故障140 ms后對側變電站接地距離二段動作切除故障。經過現場檢查發現，故障發生后該電站短線差動保護A、B套均未動作，控制面板上無任何動作信號及報警信號，主變A、B套復壓過流保護、主變零序Ⅰ、Ⅱ段保護啟動報警燈亮，無出口信號。

5月2日晚，廠家技術人員趕到現場并對故障部位進行解體檢查，發現氣室內有大量的粉塵和分解物，隔離開關與TA氣室間的盆式絕緣子有兩條貫穿的裂紋，并且炸裂一大塊，相鄰的CT罐內的導體上有220×340 mm2的橢圓形漆層被碳化。隔離開關氣室后部的盆式絕緣子（通盆）表面被電弧熏黑，隔離開關動、靜觸指座屏蔽罩被電弧燒出了孔洞。經檢查隔離開關觸頭根據插入痕跡判斷接觸良好。沒有發現其他異常。

圖1　CT氣室法蘭面處有燒灼痕跡

圖2　盆式絕緣子被炸出一個大洞

4故障原因分析

（1）GIS盆式絕緣子由環氧樹脂澆注而成，所以，GIS設備內部產生故障時必然會沿著絕緣子表面對外殼進行放電。而盆式絕緣子在澆注過程中若表面粗糙、不平滑、有劃傷或清潔度不夠等缺陷，安裝帶電后在強電場的作用下，表面電場分布會發生畸變，從而使盆式絕緣子表面閃絡電壓降低，在額定電壓情況下發生閃絡放電。

（2）查詢廠家出廠試驗報告，每個盆式絕緣子單件要進行1.2 MPa的水壓強度試驗，在0.4 MPa SF6氣體壓力下進行740 kV工頻耐壓試驗，在381 kV電壓下局放試驗值不大于3 PC。產品在車間裝配后，整體進行740 kV的工頻耐壓試驗。局放試驗不大于10 PC。產品在現場安裝后，還要進行740 kV× 80 %=592 kV的工頻耐壓交接試驗。盆式絕緣子在出廠及安裝交接試驗過程中經過了層層考核，可初步排除故障是盆式絕緣子內部存在缺陷引發的。

（3）該故障在GIS設備帶電近29h后發生，因此，盆式絕緣子放電擊穿的原因應該是在GIS組裝過程中，由于工藝要求控制不到位，在管母線或導電桿等物件對接過程中，造成金屬部件摩擦而產生細微金屬顆粒，或由于零部件清洗不徹底，遺留有灰塵、雜質或金屬顆粒，經長途運輸，操作的振動，落到水平布置的該盆式絕緣子表面。產品帶電后，這些灰塵、雜質、金屬顆粒會在電場的作用下，緩慢漂浮移動，當某一位置比較集中時，盆式絕緣子表面閃絡電壓值降低，就會造成SF6氣體的氣隙放電或沿盆式絕緣子表面放電。

（4）盆式絕緣子炸裂的原因為短路電流大，持續時間比較長，電弧中心溫度可達到10 000℃左右，由于熱脹冷縮的作用，造成盆式絕緣子產生裂紋和炸裂。炸裂后電弧又延伸到盆式絕緣子下表面，又引發相鄰的CT氣室的導體與觸座屏蔽罩間放電。另外，電弧在電場作用下，旋轉到隔離開關動、靜觸座的屏蔽罩間，又引發屏蔽罩間及對罐放電，使得屏蔽罩燒出了孔洞。

（5）檢查短線保護閉鎖后的告警時間，檢查短線保護在CT檢測閉鎖短線保護時，保護功能為瞬時閉鎖，但現地保護單元告警（LED閃爍）需0.5 s，中央單元閉鎖告警（閉鎖LED點亮）需1 s時間。因此實際故障時，對側距離保護140 ms切除故障，短線保護由于Current Neutral Direction為Direction1，保護功能瞬時閉鎖，而LED告警信號由于故障已切除，未能發出。現場試驗證明，保護功能閉鎖時現地保護單元需480 ms才能啟動LED告警信號。至此可以確認保護控制面板無報警信號原因：對側保護經過140 ms切除故障，故障消除，未達到短線保護亮故障燈需要故障存在500 ms的啟動條件，造成面板指示燈未點亮。

5故障處理及防范措施

（1）立即啟動SF6氣體泄漏緊急處置預案，對整個GIS設備間及其相鄰設備區域進行封閉，發出預警通知，禁止人員進入該區域工作；安裝足夠數量的軸流風機進行強制排風，并實時監測SF6氣體濃度。

（2）檢測故障區域內SF6氣體含量不超過1000μL/L（即1 000 ppm）后，撤銷預警。在故障GIS間隔搭建無塵工作室與外部環境進行隔離，檢測工作室內濕度不得超過80 %。

（3）逐步將相鄰氣室壓力進行降低回收處理，防止由于單側氣壓高導致盆式絕緣子損壞。

（4）按照工藝規程，整體更換50013隔離開關三相裝配，更換CT氣室內的導體、觸座裝配與260 mm高的過渡罐。

（5）采用無毛紙、丙酮清洗相鄰電纜側母線罐罐體及導體、觸座裝配。

（6）回收相鄰50033隔離開關A、B、C三相的SF6氣體，開蓋檢查內部清潔度，經檢查內部清潔、進一步清洗后，更換吸附劑，密封圈。經檢查相同結構的50033隔離開關三相氣室，內部清潔可以認定50013隔離開關B相故障屬于個案。

（7）對已處理氣室進行抽真空處理，每15 min記錄一次真空度，對每個氣室抽真空到40 Pa以下，靜置2h，再檢查真空度，若前后兩者之差不大于67 Pa（極限值為133 Pa），可以認定密封良好，繼續抽真空2 h。

（8）充氣前檢測備用SF6氣體水分含量不大于65 μL/L，充SF6氣體時先氣化鋼瓶內的SF6氣體，防止液態SF6直接充入設備。監測鋼瓶氣壓降至0.14 MPa表壓時應停止充氣。充氣完成24 h后，對設備中SF6氣體進行濕度、空氣、CF4等項目檢測，符合GB50150和GB/T8905要求。

（9）對開罐處理過的所有氣室進行氣密性試驗和含水量測量。充氣達到額定壓力后，靜置24 h，檢測氣室內的SF6氣體水分含量小于250 μL/L；采用局部包扎法進行檢漏，SF6氣體泄漏率小于1 %。

（10）對50013隔離開關B相進行工頻耐壓試驗，最高試驗電壓為出廠試驗的80 %，即592 kV，在耐壓試驗過程中，進行300 kV老練試驗，在線監測B相各氣室的局部放電量。若發現有氣室局放量過大，則需進行開蓋檢查后處理。最后，耐壓試驗順利通過。在交流耐壓試驗前及試驗過程中，進行了超聲波、超高頻局部放電測量，未發現異常。

（11）交流耐壓試驗完成后，各氣室進行了分解物測試，結果正常。

（12）保護專業人員修改相關保護定值。將現1號主變高壓側500 kV短線保護現地單元保護軟件中Current Neutral Direction從Direction1改為Direction2。將GIS側500 kV短線保護現地單元保護軟件中Current Neutral Direction從Direction1改為Direction2。經模擬試驗后保護動作正常。

（13）試驗結論正常，保護測試正常后，對GIS設備進行倒送電試驗正常，設備投運成功。

（14）加強GIS設備跟蹤監測，定期開展GIS氣室超聲波局放檢測，觀測各氣室局放量變化趨勢。

6總結

該電站GIS設備氣室盆式絕緣子擊穿故障的根本原因是生產廠家廠內裝配質量工藝控制不嚴，現場安裝過程中對于制造廠成套到貨設備未安排開罐檢查，對于該型設備的內部隱患排查不徹底，而該類故障暴露需要運行時間，不能通過老化試驗或耐壓試驗進行檢驗。所以，對于高電壓、大電流的全密閉電氣設備應加強廠內監造，加強設備交接試驗驗收。對GIS設備而言，應加強對水平安裝絕緣子的重點監測，推廣運用GIS超聲波、超高頻局放在線裝置，做到設備狀態可視化，確保設備的安全穩定運行。

GIS盆式絕緣子放電故障受材料因素、環境因素、安裝工藝、檢修工藝的影響比較大，只要在安裝或檢修過程中控制好清潔度、真空度、密閉性等三個方面，做好GIS設備投運后的巡視檢查和定期工作，基本就可以避免盆式絕緣子故障的發生。

參考文獻：

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作者簡介：劉平（1976-），男，工程師，從事機電設備運行與檢修業務管理工作。

收稿日期：2015-12-16

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.017

中圖分類號：M595

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0058-03