組合電器導(dǎo)體接頭過熱的原因分析及檢測方法研究

張丕沛，李 杰，汪 鵬，徐明昊

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；2.新南威爾士大學(xué)，澳大利亞 NSW2052）

0 引言

封閉式氣體絕緣組合電器把高壓帶電體密封在充滿SF6氣體絕緣介質(zhì)的金屬容器內(nèi)，具有絕緣性能好、運行可靠度高、維護工作小、檢修周期較長等特點，被廣泛應(yīng)用于高壓輸變電系統(tǒng)中［1-3］。然而，當(dāng)組合電器內(nèi)部導(dǎo)體接觸不良時，由于接觸電阻變大，在負荷電流流過時會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致接頭材料的熔化、滴落，破壞組合電器內(nèi)部絕緣，從而引起放電跳閘事故［4-6］。若能利用有效的帶電檢測手段提前發(fā)現(xiàn)組合電器內(nèi)部導(dǎo)體接頭處的過熱現(xiàn)象，便能及時采取措施預(yù)防事故發(fā)生。

針對一起組合電器內(nèi)部導(dǎo)體接頭過熱引起的放電故障，通過解體檢查，對故障過程及原因進行了分析，并研究了利用紅外測溫判斷內(nèi)部導(dǎo)體接頭過熱的檢測方法。

1 故障概況

某220 kV 變電站110 kV 主接線形式為雙母線接線，110 kV 組合電器于2008 年7 月投運。2020 年4 月28 日，該變電站1 號主變壓器差動保護動作跳閘，C 相接地短路，110 kV 側(cè)一次故障電流約5 000 A。

經(jīng)現(xiàn)場檢查，1 號主變壓器外觀無異常，對其開展油色譜分析、繞組變形測試、直阻測試，試驗結(jié)果均合格。檢查1 號主變壓器110 kV 側(cè)組合電器外觀，發(fā)現(xiàn)1 號主變壓器110 kV 側(cè)101-3 隔離開關(guān)氣室C 相（主變壓器進線套管側(cè)）有疑似局部過熱點，如圖1 所示。對該氣室開展SF6氣體分解物檢測，檢測結(jié)果如表1 所示，其中SO2、H2S 體積分數(shù)均大于Q／GDW 1168—2013《輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修試驗規(guī)程》中規(guī)定的注意值，檢測數(shù)據(jù)異常；其他氣室氣體分解物檢測無異常。因此，判斷故障點為1 號主變壓器110 kV 側(cè)101-3 隔離開關(guān)氣室C 相。

圖1 組合電器現(xiàn)場檢查

表1 氣體分解物體積分數(shù)檢測結(jié)果 μL／L

2 解體檢查情況

4 月29 日，對1 號主變壓器110 kV 側(cè)組合電器故障相C 相進行現(xiàn)場解體檢查。

2.1 內(nèi)部放電部位

解體檢查發(fā)現(xiàn)觸頭座屏蔽罩底部有明顯放電噴濺痕跡，殼體底部對應(yīng)位置有放電燒蝕形成的坑洞。判斷主要放電通道為觸頭座對筒壁放電，如圖2 所示。

2.2 觸指燒蝕情況

檢查屏蔽罩內(nèi)觸指，數(shù)量為24 片（與設(shè)計值一致），觸指無缺失；觸指全部碳化發(fā)黑，下方8 片觸指燒熔在一起，并附著大量燒熔物，判斷為觸頭與觸指燒熔后堆積形成。殼體底部對應(yīng)位置有明顯滴熔物堆積，判斷為燒熔物滴落形成，如圖3 所示。

2.3 觸頭及導(dǎo)體情況

檢查觸頭，發(fā)現(xiàn)觸頭導(dǎo)流部位大部分燒熔，觸頭附近導(dǎo)體燒蝕嚴重，如圖4 所示。除觸頭燒蝕處外，導(dǎo)體其余部分光滑無異常。

2.4 觸指彈簧抱緊情況

屏蔽罩內(nèi)發(fā)現(xiàn)兩根抱緊彈簧殘余物，一根完整，另一根燒成兩段，如圖5 所示。

圖2 放電部位檢查

圖3 觸指燒蝕情況

圖4 觸頭燒蝕情況

圖5 故障相抱緊彈簧殘余物

檢查正常相彈簧情況，如圖6 所示。正常設(shè)計應(yīng)有3 根彈簧，為鋼材質(zhì)。由于鋼材質(zhì)熔點約1 535 ℃，高于銅觸指的熔點1 084 ℃，彈簧觸指不會發(fā)生熔融，初步判斷安裝時缺少一根抱緊彈簧。

圖6 正常相抱緊彈簧

3 原因分析

綜合現(xiàn)場解體檢查情況，判斷故障原因為1 號主變壓器110 kV 側(cè)組合電器進線管母C 相導(dǎo)體觸頭與觸頭座接觸不良，直阻增大導(dǎo)致溫度升高，觸頭、觸指、導(dǎo)向桿在高溫下燒熔并滴落在屏蔽罩內(nèi)部，高溫的滴熔物將屏蔽罩燒蝕形成缺口，進而在向殼體底部滴落過程中發(fā)生放電，導(dǎo)致SF6氣體絕緣水平降低，最終在絕緣最薄弱的位置（屏蔽罩與殼體間）發(fā)生擊穿放電。

而導(dǎo)致導(dǎo)體觸頭與觸頭座接觸不良的根本原因，可能與現(xiàn)場安裝時漏裝抱緊彈簧有關(guān)。按照正常設(shè)計，觸指外側(cè)應(yīng)有3 根抱緊彈簧，但現(xiàn)場解體只發(fā)現(xiàn)2 根抱緊彈簧，彈簧完全燒熔的可能性極小（彈簧鋼熔點約1 535 ℃，遠高于銅觸指的1 084 ℃、鋁合金的600 ℃）。因此，判斷現(xiàn)場安裝時漏裝一根抱緊彈簧。該段導(dǎo)體長1 689 mm，中間沒有任何結(jié)構(gòu)進行支撐固定，觸頭側(cè)需要依靠3 根抱緊彈簧的抱緊力固定在觸指內(nèi)部并保持良好接觸，而2 根彈簧抱緊力不足，隨著長時間運行（超過10 年），在電動力及振動作用下，導(dǎo)體在觸頭座內(nèi)發(fā)生位移，導(dǎo)致觸頭與觸指間壓接不緊，接觸電阻增大，導(dǎo)致發(fā)熱。

4 紅外檢測方法研究

當(dāng)組合電器內(nèi)部導(dǎo)體接頭處發(fā)熱時，熱量主要以熱對流的形式通過SF6氣體傳輸?shù)綒んw上，但SF6氣體的換熱系數(shù)較小，當(dāng)導(dǎo)體溫度超過1 000 ℃時，殼體表面溫升可能只有1～10 K。

根據(jù)DL／T 664—2016《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》，導(dǎo)體連接處熱點溫度大于90 ℃即可診斷為嚴重缺陷。建立故障氣室簡化后的三維模型，并對導(dǎo)體連接處發(fā)熱時的溫度分布進行仿真，結(jié)果如圖7所示。

圖7 導(dǎo)體連接處發(fā)熱時的內(nèi)外溫度分布

可以看出，當(dāng)導(dǎo)體連接處溫度達到90 ℃時，殼體表面溫升約為3 K，因此可以認為，對組合電器導(dǎo)體接頭處進行紅外測溫時，當(dāng)殼體表面溫升大于3 K時，說明內(nèi)部導(dǎo)體存在嚴重發(fā)熱缺陷。

5 結(jié)語

介紹一起110 kV 組合電器放電故障，通過現(xiàn)場解體檢查，判斷為導(dǎo)體接頭處的觸頭座內(nèi)缺失1 根抱緊彈簧，導(dǎo)致觸頭觸指因接觸不良而發(fā)熱燒熔，氣體絕緣能力降低，進而由于金屬滴熔引起的擊穿放電。并通過仿真計算，對組合電器內(nèi)部導(dǎo)體接頭過熱的紅外檢測方法進行研究分析，結(jié)果顯示，當(dāng)組合電器殼體表面溫升大于3 K 時，可判斷內(nèi)部導(dǎo)體接頭處存在嚴重發(fā)熱缺陷，應(yīng)及時采取措施進行處理。同時，由于殼體表面溫升值較小，因此紅外測溫應(yīng)采用精確測溫的形式，避免環(huán)境因素、儀器參數(shù)等對測量結(jié)果帶來干擾。