420kV GIS隔離開關絕緣拉桿放電問題分析

丁柏慶 高澤禹

摘要：隨著國家的快速發展，各領域的不斷進步，電力企業的不斷改革和提高，高壓隔離開關是GIS設備中的關鍵結構，能夠保證高壓電器及裝置在檢修工作時的安全，起隔離高電壓的作用，同時還可用于不產生強大電弧的某些切換操作。絕緣拉桿作為隔離開關本體和操作機構之間機械連接的傳動零件，由于在工作中長期承受瞬時載荷，其性能好壞直接決定了高壓隔離開關的可靠性。

關鍵詞：420kV;GIS隔離開關;絕緣拉桿;放電問題

引言

絕緣拉桿作為GIS中主要的絕緣件之一，在高、低壓之間實現電氣隔離，在機械上驅動開關可動部分運動，實現電氣連接的開斷，起著絕緣、操動的雙重作用。絕緣拉桿在工作過程中既要承擔絕緣耐受———高的過電壓，還要承擔高的機械載荷，而考慮設備結構因素，絕緣拉桿一般結構為細長型，在運行中要承受拉伸載荷或扭轉載荷以及瞬時操作過電壓、雷擊過電壓等。而在電網中對電氣設備的可靠性要求比較高，GIS設備更換零部件比較復雜且困難，要求設備有較長的壽命。因此在設備設計階段就要充分考慮絕緣拉桿高的電氣絕緣性能、機械性能，要求產品重量輕、蠕變小、抗疲勞性能好，還需要材料具有良好的抗老化性能，需進行一系列的型式試驗對其進行驗證。本文對芳綸纖維管狀絕緣拉桿在試驗中出現的擊穿現象進行分析和探討。

1故障特點

該次故障具有如下特點：a.屏蔽罩相對于絕緣拉桿傳動銜接凸耳部兩側燒穿成洞，且金屬凸耳被熔化，已看不見痕跡，表明該部位燒傷嚴重，應為故障激發點，但凸耳對地并非最小距離，該部位最小對地距離為帶有凸耳的柱形部件端面;b.管型絕緣拉桿尖角部位起層現象明顯，起層尖角部位在U型豁口端部，而U型豁口正處于與凸耳銜接部位，根據凸耳被熔化現象判斷，該部位應為故障激發點。

2試驗

2.1主要原材料及儀器設備

環氧樹脂，美國亨斯曼公司;固化劑、促進劑，北京旭通鑫源科技有限公司;芳綸纖維織物，日本帝人公司;聚酯纖維織物，北京科拉斯化工技術有限公司;芳綸/聚酯纖維混編織物，煙臺泰和新材股份有限公司;泰科芳綸絕緣拉桿，美國泰科電子公司。PR70RTM注射機，美國固瑞克公司;Instron萬能材料試驗機，北京玻鋼院復合材料有限公司;MTS810.25電液伺服疲勞試驗機，西安航空動力股份有限公司材料檢測研究中心;差示掃描量熱儀（DSC），全球能源互聯網研究院;PNT-14AX射線工業CT系統，北京玻鋼院復合材料有限公司;120kV工頻耐壓測試系統，江都華宇高壓電氣有限公司。

2.2芳綸/聚酯纖維混編織物的選擇

由于環氧樹脂與芳綸纖維織物的界面結合性能較差，需要對芳綸纖維織物進行雜化，本研究從纖維織物的單絲規格直徑、面密度以及編織方式進行優選，主要選用芳綸纖維單絲和聚酯纖維單絲二維混編織物，經紗方向為芳綸纖維單絲，緯紗方向為聚酯纖維單絲，織物面密度為200g/m2，纖維單絲規格為1000D，纖維編織方式為二維機織。

2.3420kV芳綸絕緣拉桿的制備

芳綸絕緣拉桿的制備：①將芳綸/聚酯纖維混編織物纏繞在涂覆有脫模劑的芯軸上，纏繞完成后與芯軸共同裝入涂覆脫模劑的模腔中，固定模具的兩端;②將環氧樹脂進行真空脫泡處理;③將環氧樹脂混合體系在一定壓力下放入模具下端口，完成對芳綸/聚酯纖維混編織物進行浸漬;④將環氧樹脂/纖維織物復合材料體系在一定溫度條件下凝膠;⑤將凝膠后的體系置于一定溫度的烘箱中固化;⑥將一次固化后的體系進行二次固化，得到420kV國產芳綸絕緣拉桿。

2.4測試方法

管狀結構復合材料性能測試按照GB/T5132.2—2009《電氣用熱固性樹脂工業硬質圓形層壓管和棒第2部分：試驗方法》進行。電氣強度按照GB/T1408.1—2006《絕緣材料電氣強度試驗方法第1部分工頻下試驗》進行測試。介質損耗因數按照GB/T1409—2006《測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻（包括米波波長在內）下電容率和介質損耗因數的推薦方法》進行測試。吸水率按照GB/T1034—2008《塑料吸水性的測定》進行測試。密度按照GB/T1033.1—2008《塑料非泡沫塑料密度的測定第1部分浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》進行測試。

3絕緣拉桿結構及故障

3.1絕緣拉桿結構

絕緣拉桿的結構，中間位芳綸-聚酯浸漬絕緣管，兩端為金屬嵌件，金屬嵌件與絕緣管件通過粘接劑連接在一起。為了保證絕緣拉桿在工程使用中的可靠性，需對絕緣拉桿進行一系列的型式試驗以充分驗證其電氣、機械性能。產品額定電壓420kV，額定電流5000A，額定開斷電流63kA，額定雷電沖擊耐受電壓1425kV，額定工頻耐受電壓AC650/1min。

3.2絕緣拉桿故障過程

絕緣拉桿進行型式試驗后，進行裝機電氣試驗，以及機械壽命驗證。裝機電氣試驗項目：工頻耐壓：AC650kV/1min，分、合閘狀態下雷電沖擊試驗：±1425kV，各15次。隔離開關處于分閘位置進行雷電沖擊試驗電壓時，施加電壓值-1425kV發生電擊穿。

3.3拆解檢查

對樣機進行拆解點檢發現，隔離開關殼體內有絕緣拉桿表皮聚酯材料碎屑，絕緣拉桿連接高壓側到低壓屏蔽處發生貫穿性層間擊穿、炸裂，高壓側連接導體及低壓屏蔽上均有明顯放電點，絕緣拉桿擊穿位置起層嚴重。對絕緣拉桿進行刨切，發現絕緣拉桿電氣擊穿破壞了絕緣材料的增強層，形成層間貫穿性擊穿。

4防范措施

（1）要求GIS制造廠家對所有隔離開關絕緣拉桿在工廠裝配前進行工頻耐壓試驗、沖擊電壓試驗和局部放電檢測，剔除絕緣性能不合格產品;（2）要求GIS制造廠家增加絕緣拉桿檢測手段，建議采用專用儀器（如X關探傷）進行材料致密性和裂紋檢查;（3）建議GIS制造廠家進行裝配工藝革新，確保隔離開關絕緣拉桿聯軸裝配質量，避免絕緣拉桿機械損傷的出現;（4）對在運行的同型設備，結合停電在廠家指導下對隔離開關操作機構進行檢查（檢查轉動力矩是否符合廠家技術要求）;（5）對在運行的同型設備隔離開關氣室進行超聲局放帶電檢測，并同時進行SF6氣體組份檢查，若出現局放異常且SO2含量超過2ppm的氣室需進行開倉檢查。

結語

上所述，絕緣拉桿內有異物，異物有磁性異物和非磁性異物兩種，磁性異物由磁性雜質組成，非磁性異物主要由鋁合金屑及其它雜質組成。經檢測，這些雜質并非絕緣拉桿材質，在實際運行和維護過程中，由于生產過程中存在缺陷或裝配過程中存在配合部位不對中等問題，動觸頭的運動可能導致金屬尖刺或異物的產生。這些雜質對于整體的電壓和電場分布產生影響較小，但在尖刺或異物周圍存在不均勻的電場，使隔離開關氣室中心導體到隔離開關殼體之間的電場較大區域連通，形成放電通道，導致絕緣拉桿被擊穿。

參考文獻

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（作者單位：1.新東北電氣集團超高壓有限公司沈陽分公司;2.新東北電氣集團高壓開關有限公司檢修分公司）