一起550kVGIS母線內部擊穿故障的原因分析及處理

劉靖羽 李培

摘 要：柱式絕緣子在GIS母線中被廣泛應用，其不但起到支撐母線導體的作用，同時將母線導體上的高電位與母線殼體的低電位絕緣開來。雖然柱式絕緣子的材料具有優良的機械和電氣性能，但長期帶電情況下也可能發生故障。本文對一起550kVGIS母線內部的柱式絕緣子故障的原因進行詳細的調查分析，并提出避免該類故障再次發生的對策。

關鍵詞：GIS；柱式絕緣子；內部擊穿故障

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）16-0136-03

Analysis and treatment of internal breakdown of a 550 kVGIS bus

LIU Jingyu LI Pei

Abstract： The cylindrical insulator is widely used in GIS bus. It not only supports bus conductor， but also insulates high potential on bus conductor from low potential of bus shell. Although the cylindrical insulator material has excellent mechanical and electrical properties， but long-term electrical conditions may also occur. This paper made a detailed investigation and analysis on the causes of a column type insulator inside the 550kVGIS busbar， and put forward some countermeasures to avoid the recurrence of this kind of fault.

Keywords： GIS；post insulator； internal breakdown fault

GIS母線是一種采用SF6氣體或混合氣體作絕緣介質，外殼與導體同軸布置的輸電線路。與電力電纜相比，GIS母線能傳輸更大容量的電能（可達GW級）。與架空輸電線路相比，GIS母線更適用于高壓和超高壓遠距離、大容量的電力傳輸。與電力電纜及架空輸電線路相比，GIS母線還具有以下優點：不易老化、傳輸功率大、無電磁干擾、運行可靠、維護成本低、不受外界污染和高海拔等環境影響及安裝簡便快捷等。GIS母線的故障率非常低，但GIS母線發生內部擊穿故障后，故障點的查找比較困難，檢修時間長，經濟損失大。筆者針對一起550kVGIS母線內部的柱式絕緣子故障，通過對故障母線的試驗、解體檢查、故障調查，發現柱式絕緣子內部的微小缺陷最終導致GIS母線放電。為避免該類故障再次發生，本文同時提出了相應的對策措施[1-3]。

1 故障概況

某變電站550kVGIS一次主接線如圖1所示，采用一倍半接線，共4串（2個完整串、2個不完整串），有10臺斷路器，2條主變進線，4條架空輸電線路出線。GIS設備在故障前正常運行時，所有斷路器及隔離開關均處于合閘狀態，2條主母線同時帶電運行。

2016年某日凌晨05：00，該變電站550kVGIS設備的GCB12、GCB22、GCB31和GCB41斷路器事故跳閘，主母線1的第一套、第二套母差保護動作，1母失壓。事故電流：6.7kA；持續時間：2周。

從變電站后臺監控系統報文分析，事故發生前，該變電站550kVGIS設備未發生站區內外保護動作及保護啟動情況，所有設備均無異常信號，設備的SF6氣壓無異常。事故發生前，無雷電等惡劣天氣現象，事件發生時，天氣晴朗，當時氣溫為20℃，現場沒有檢修人員。

2 故障原因的現場調查

為查明本次故障的原因，該變電站所屬的供電局、電力研究院、送變電公司及GIS生產廠家的工程技術人員，進行了現場討論并制訂了調查方案。從故障錄波器的錄波波形圖中發現，故障發生在A相。分析認為，主母線1的A相母線發生內部擊穿放電，造成了本次故障。

在現場對550kVGIS設備的外觀進行了詳細檢查，沒有發現因電弧燒蝕產生的殼體局部變色現象。分析認為，短路電流只有6.7kA，持續時間也短，不足以造成殼體的局部油漆變色。

該變電站550kVGIS設備主母線1的A相母線，長度為158m，共分9個氣室。為查明具體的故障點，現場對9個氣室的氣體成分進行檢測，檢測結果如表1所示。

經現場檢查分析，并結合測試數據，查明本次故障的部位位于主母線1的A相母線，氣室編號為“氣室8”，故障段母線長度為26m，具體故障原因需結合返廠解體檢查進一步明確。

3 故障母線在GIS廠內的解體檢查

3.1 故障母線解體調查結果

故障母線解體后發現，該氣室內部有大量的白色分解物AlF3，其是母線放電時SF6氣體在高溫下與GIS導體、殼體材料中的鋁發生化學反應產生的。內部的柱式絕緣子已經破裂，破裂的碎塊散落在殼體下部，殼體內壁下部同時有燒熔痕跡。柱式絕緣子朝向內側1/5圓周發生貫穿性破碎，深度25mm，在破損的中心部位，顏色較暗，為放電痕跡。柱式絕緣子破損面右側，有一條寬約8mm、深約5mm的黑色痕跡，在黑色痕跡的兩端，沒有明顯電弧燒蝕痕跡，推測黑色痕跡為故障發生后，主母線1上感應的較小電流長期持續作用后留下的痕跡。柱式絕緣子上、下屏蔽導體上，有故障發生時大電流燒熔的痕跡，同時在柱式絕緣子下端固定法蘭上，也有大電流燒熔痕跡。拆解時的照片分別見圖2、圖3。

3.2 故障母線關鍵部件的尺寸復核測量

對拆解后故障母線的關鍵部件進行了尺寸復核測量，檢查的目的在于確認安裝部件是否異常。經測量：所測量的零部件重要尺寸全部在圖紙標注的公差范圍內，零部件尺寸正常，排除了因部件制造不良造成絕緣放電的可能性。

3.3 故障母線內部分解物的分析結果

故障母線拆解后，對放電的柱式絕緣子表面的分解物進行了收集和化學成分分析，具體收集位置見圖4，分解物中各種化學成分的百分比見表2。

分解物的化學分析結果：分解粉末的主要成分為C、O、F、S和Al元素。C、O元素主要來源于柱式絕緣子材料環氧樹脂，S、F元素主要來源于SF6氣體。除此之外，鑄鋁導體（材料：鑄鋁硅鎂合金ZL101）燒熔后會分解出Al、Mg和Fe等元素，安裝潤滑脂在故障電流產生的高溫下揮發析出少量Mo元素。化學分析結果表明，柱式絕緣子的材質正常[4，5]。

3.4 柱式絕緣子的X射線檢查和彎曲試驗

為檢查該變電站550kVGIS設備中柱式絕緣子的質量，對拆解后返回GIS廠的全部柱式絕緣子進行了外觀檢查，并隨機抽取了1件未放電燒蝕的柱式絕緣子，進行了X射線檢查和彎曲試驗，試驗時的照片分別見圖5和圖6。

柱式絕緣子X射線檢查結果表明，支柱絕緣子內部無裂紋、氣泡和金屬異物等內部缺陷。柱式絕緣子的彎曲試驗結果表明，支柱絕緣子在0.9T.m（型式試驗值）載荷作用后，X射線檢查仍無異常。試驗結果表明，柱式絕緣子的制造質量正常。

3.5 柱式絕緣子的制造履歷調查

為進一步調查柱式絕緣子的制造質量，查閱了相關存檔技術資料。該變電站550kVGIS設備中柱式絕緣子在出廠檢查時，全部實施了耐電壓試驗及局放試驗，局放值小于3pC，確認無異常，出廠檢查為合格品。

柱式絕緣子裝配到母線殼體后，進行了裝配狀態的耐電壓試驗和局放試驗。其中，雷電沖擊耐受電壓試驗：±1 300、±1 425kV和±1 550kV，各1次；結論：合格。1min工頻電壓試驗：AC740kV×lmin；結論：合格。局放量檢測結果：施加電壓740kV×1min后降壓至350kV×5min測量2.5pC以下；結論：合格。GIS現場耐電壓試驗記錄的調查結果：工頻耐壓740kV×0.8kV 1min；結論：合格。

通過以上制造履歷的調查，從柱式絕緣子和GIS制造履歷中沒有發現造成此次故障的主要原因，GIS產品正常地進行了生產裝配和相關性能試驗。

4 母線內部擊穿故障的原因分析

根據拆解調查的結果，推測本次母線放電故障的現象如下：①本次放電現象推測為柱式絕緣子的內部貫穿性破壞；②一般情況下，造成內部貫穿破壞的原因為內部缺陷（細小氣隙、異物等），外表面附著有異物時，會發生沿面閃絡，不會發生內部貫穿破壞；③該柱式絕緣子在單件狀態、GIS裝配狀態下通過了耐電壓、局放等試驗，說明該柱式絕緣子滿足產品正常的使有工況；④各部件的尺寸合格，安裝中也沒有產生異常載荷的可能。

分析認為，造成此次母線內部擊穿故障的原因為：柱式絕緣子的內部缺陷產生了微小的放電。柱式絕緣子在單品出廠試驗及母線組裝后的局放試驗中沒有檢測到異常，據此判斷缺陷不是氣隙或異物混入，推測是由于高壓電極局部粘緊力不足，并受到運輸時的振動或者運行后的熱負荷及機械振動的影響，高壓電極處產生剝離，逐漸發展為微小放電，此微小放電在長時間的運行中不斷發展，最終導致內部貫穿破壞。

5 處理措施及恒久對策

從柱式絕緣子的型式試驗數值及隨機抽檢品進行的彎曲破壞試驗結果看，高壓電極與樹脂的粘緊力具有足夠的強度。為確保該變電站550kVGIS設備的可靠運行，采用UHF法在現場對GIS設備進行了帶電檢測。從檢測結果看，GIS設備的局放值在合格范圍內，沒有發現異常。作為恒久對策，在柱式絕緣子的零部件生產過程中，可通過延長局放試驗的時間，比如：從原有的10min延長到20min。同時，對柱式絕緣子逐件進行X射線檢查，檢查時特別關注高壓電極與環氧樹脂的結合面情況[6]。

6 結語

本文對一起因柱式絕緣子的制造缺陷引起的母線內部擊穿故障進行詳細分析。柱式絕緣子在GIS開關設備中被廣泛應用，盡管因柱式絕緣子制造不良而造成GIS放電的概率極低，但放電故障造成的停電損失還是相當大的。建議在柱式絕緣子制造過程中嚴格做到“三按”生產，嚴把出廠試驗關。同時，對運行中的GIS設備，建議采用UHF法定期對GIS進行帶電檢測，及早發現GIS設備的安全隱患。

參考文獻：

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