500kV變電站主變壓器跳閘故障分析

王江偉，李 杰，師 偉，孫景文，張丕沛

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

封閉式氣體絕緣組合電器（GasInsulatedSwitchgear，GIS）與常規高壓電器相比，具有占地面積小、檢修周期長、安全可靠的優點，因此廣泛應用于高壓輸變電系統中。但是組合電器對生產裝配工藝要求高，如果在生產裝配過程中殘留異物，可能導致放電故障。組合電器因其全封閉性，一旦發生放電故障，新品更換和故障分析難度較大，而組合電器往往應用在高壓系統中，因此放電故障造成的停電影響較大［1］。為減少組合電器放電故障，應對相關故障案例進行深入全面的分析，確定故障原因，不斷改進后續生產裝配工作。

介紹了一起組合電器內部藏匿殘留異物引起的放電故障，通過現場檢查、解體檢查、試驗驗證確認了故障原因，并對后續工作提出了建議。

1 故障概況

某500 kV 變電站3 號主變壓器擴建工程啟動送電過程中，3 號主變壓器差動保護動作，500 kV 側5051 斷路器、220 kV 側203 斷路器跳閘，5042 斷路器充電過流保護動作跳閘。故障相關部分簡化接線圖如圖1 所示。

發生故障前，3 號主變壓器500 kV 側5051 斷路器運行、5052 斷路器分位，220 kV 側203 斷路器運行；500 kV 5042 斷路器投入充電過流保護，經500 kV 1 號母線、5051 斷路器對3 號主變壓器進行充電，1 號母線其他斷路器分位（5031 斷路器）。

圖1 故障相關部分簡化接線

2 現場檢查

2.1 保護動作時序檢查

故障時，3 號主變壓器保護差動動作，5042 斷路器保護充電過流保護動作，故障相為B 相，故障電流約20 kA。動作時序如表1 所示。

表1 保護動作時序表

故障時刻中壓側電壓波動較小，高壓側電壓驟降接近為零，初步判斷故障點位于高壓側設備，錄波如圖2 所示。

圖2 故障錄波

2.2 組合電器檢查

500 kV 及220 kV GIS 設備氣室壓力無異常，通過分合指示觀察，5051、5052、203 斷路器及其隔離開關均已到位。檢查發現50521 隔離開關B 相氣室氣體分解物檢測異常 （H2S、SO2體積百分比均超過99.9 μL／L），其他間隔氣室氣體分解物檢測無異常［2］。初步判斷故障點為3 號主變壓器50521 隔離開關B相氣室。

500 kV GIS 串內設備交流耐壓及帶母線交流耐壓試驗過程中，無擊穿及閃絡等異常現象發生，試驗合格。超聲波局部放電檢測與空氣背景值相同，未檢測到GIS 內部有局部放電信號，局部放電檢測結果正常，試驗結果如表2、表3 所示。

表2 串內設備交流耐壓試驗結果

表3 串內設備帶母線交流耐壓試驗結果

2.3 主變壓器檢查

現場檢查3 號主變壓器外觀無異常，主變壓器三側套管及引線無異常，檢查主變壓器本體壓力釋放閥、瓦斯繼電器、油流速動繼電器、油枕油位、油溫指示均正常。由于主變壓器經受一次短路沖擊，現場開展在線及離線油色譜分析，檢測結果正常。

2.4 現場解體檢查

對50521 隔離開關B 相氣室進行現場檢查，現場開蓋檢查發現：5051217 接地隔離開關氣室盆式絕緣子與導電桿插接處的屏蔽罩燒蝕，形成明顯坑洞，筒壁有明顯放電點且大面積燒黑現象，如圖3 所示。

圖3 接地隔離開關氣室燒蝕情況

3 返廠檢查

將設備返回廠家后在大修車間對50521 隔離開關、5051217 接地隔離開關進行解體分析。

3.1 放電通道

拆解接地隔離開關，在支撐導體屏蔽罩處發現一處坑洞，罐體上發現一處放電點，如圖4 所示，判斷為主要放電通道。

圖4 放電通道

3.2 接地隔離開關底部絕緣盆情況

對絕緣盆表面粉塵進行取樣，分別編號為接地隔離開關絕緣盆-01、接地隔離開關絕緣盆-02、接地隔離開關絕緣盆-03。清理粉末后發現絕緣盆部分表面被熏黑，未見明顯放電通道，如圖5 所示，綜合判斷為屏蔽罩對罐體氣隙放電。

3.3 接地隔離開關動靜觸頭情況

檢查接地隔離開關動觸頭和靜觸頭，發現動觸頭頂端有兩處黑色絮狀物，如圖6 所示，并進行取樣，編號為接地隔離開關動觸頭-01。在接地隔離開關靜側觸座內發現一金屬絲，如圖7 所示，進行取樣，編號為接地隔離開關靜觸頭-01。

圖5 絕緣子表面情況

圖6 動觸頭情況

圖7 靜觸頭情況

3.4 檢查50521 隔離開關

收集50521 隔離開關氣室盆式絕緣子上粉塵，取樣并編號為隔離開關絕緣盆-01，在盆式絕緣子上發現一處疑似金屬微粒，如圖8 所示，取樣并編號為隔離開關絕緣盆-02。

3.5 接地隔離開關其他部位檢查

檢查接地隔離開關動靜觸頭座、觸指、傳動機構、導體、屏蔽罩、螺栓，在此過程中未發現有磨損痕跡，未見其他異物、缺件、螺栓松動等情況，絕緣拉桿外觀無異常，除放電點外，未見其他異常。

圖8 盆式絕緣子情況

4 試驗驗證

4.1 成分檢測

對現場7 處取樣進行成分分析，未見異常元素成分，異物及粉塵成分為放電殘留物，結果如表4 所示。其中，接地隔離開關靜觸頭座內發現的金屬絲（靜觸頭-01）主要成分為鋁，而動靜觸頭均主要為銅材質，且動靜觸頭、觸指未見磨損跡象，說明此金屬絲非內部磨損產生［3］。

表4 取樣成分分析結果

4.2 盆式絕緣子試驗

對5051217 接地隔離開關底部盆式絕緣子進行耐壓局部放電試驗、玻璃化溫度試驗、密度測試，結果均合格，X 光檢測和著色探傷檢測均未發現缺陷或裂紋，盆式絕緣子各項性能符合標準要求［4］。

5 故障原因分析

5.1 放電過程

本次故障原因為5051217 接地隔離開關氣室內部藏匿殘留異物，在設備操作及帶電過程中，異物在電場、振動、氣流等的作用下移動至接地隔離開關底部支撐導體屏蔽罩與殼體之間，導致接地隔離開關支撐導體屏蔽罩對殼體放電擊穿，發生接地故障。放電電弧使屏蔽罩、殼體發生燒蝕，使絕緣盆、殼體內壁大面積熏黑［5］。

5.2 異物來源分析

根據返廠解體檢查情況，異物來源有廠內裝配環節殘留異物、現場裝配過程產生異物兩種可能。

5.2.1 廠內裝配環節殘留異物

5051217 接地隔離開關氣室靜觸頭座內金屬絲成分主要為鋁、硅、碳、氧、氟元素，鋁元素占比為39.2%、硅元素占比為1%，其中硅元素是潤滑脂的主要成分。接地隔離開關裝配元件中含鋁元素材質為屏蔽罩和殼體，屏蔽罩所使用鋁合金牌號為1060，鋁元素含量為99.6%，殼體材質分為三種，如圖9 所示，含量分別為：6063（鋁元素96.95%）、5052（鋁元素97.95%）、鑄鋁104（鋁元素90.15%），金屬絲元素比例與鋁合金材質不一致。該金屬絲應為放電殘留物，但無法排除其他裝配環節進入異物的可能［6］。

圖9 5051217 接地隔離開關氣室罐體材質

5.2.2 現場裝配過程產生的異物

5051217 接地隔離開關現場有2 個對接面進行現場裝配，在對接過程中需要對導體和殼體同時進行對接，對接過程中螺栓緊固和殼體對中環節會產生鋼鋁件的摩擦產生金屬異物，安裝過程中產生的金屬異物可能會進入屏蔽罩與絕緣子縫隙處或其他隱蔽位置。

5.2.3 綜合分析

在廠內裝配階段及現場裝配階段均存在引入異物可能性，異物藏匿在隱蔽處，在設備操作及帶電過程中，異物在電場、振動、氣流等的作用下移動至接地隔離開關底部支撐導體屏蔽罩與殼體之間引起擊穿放電。

6 后續工作建議

細化廠內裝配、現場安裝工藝流程，優化工期安排，盡量創造良好的GIS 安裝環境，現場應搭設合格的防塵棚，對于觸指、觸頭座、屏蔽罩及緊固件等位置應重點清理，點檢時應檢盡檢，并做好記錄。

完善廠內200 次機械操作后罐體清理工藝，細化清理流程，制造、監造的關鍵過程除留存紙質資料外，應留存相應的影像、照片。

GIS 耐壓試驗時加強局放檢測，應使用可與耐壓電源頻率進行同步的局放檢測設備。

7 結語

介紹了一起組合電器放電故障，該故障導致主變壓器跳閘，通過現場檢查、解體檢查、試驗驗證，確認故障原因是組合電器內部藏匿殘留異物，在設備操作及帶電過程中，異物在電場、振動、氣流等的作用下移動至接地隔離開關底部支撐導體屏蔽罩與殼體之間，導致接地隔離開關支撐導體屏蔽罩對殼體放電擊穿，發生接地故障。根據返廠解體檢查情況，異物來源有兩種可能：廠內裝配環節殘留異物、現場裝配過程產生的異物。后續應細化廠內裝配、現場安裝工藝流程，完善清理工藝，留存生產過程資料。