一起500 kV組合電器斷路器故障分析

梅春曉

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）具有占地面積小和不受外界環(huán)境條件影響等優(yōu)點，在我國電網(wǎng)建設中得到了廣泛應用，但是斷路器長期的開關(guān)操作或生產(chǎn)時存在的問題會在運行中被逐漸放大。HGIS設備結(jié)構(gòu)緊湊，其內(nèi)部出現(xiàn)絕緣故障時的影響面廣，處理周期長，對電網(wǎng)運行的可靠性與穩(wěn)定性影響很大[1]。現(xiàn)就某變電站發(fā)生的故障進行案例分析。

1 事故概況

2020年8月8日，某500 kV變電站執(zhí)行5012斷路器停電計劃，開展5012 B相斷路器二次回路缺陷處理工作，期間為驗證回路是否正確，5012斷路器進行3次分合，8月9日0時7分完工送電。8月9日2時14分55秒，出現(xiàn)500kV II母雙套差動保護及廠漢1號主變雙套保護動作，5011、5012、5022及5052斷路器跳閘，造成500kV II母及1號主變跳閘，未造成負荷損失。8月10日20時08分，500 kV II母及5022、5052斷路器恢復送電。經(jīng)檢查分析確認此次跳閘由5012 A相組合電器斷路器氣室內(nèi)部放電引起。

該變電站500 kV組合電器生產(chǎn)廠家為西安西電開關(guān)電氣有限公司，HGIS型號為ZHW8-550（斷路器型號為LW13-550），2018年11月生產(chǎn)，2019年10月投運，目前設備在基建一年質(zhì)保期內(nèi)。該型號斷路器為小型化單斷口斷路器，系國網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)首臺（套）產(chǎn)品，未見相關(guān)掛網(wǎng)試運行情況。

2 設備檢查情況

2.1 現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查1號主變及500kV II母母線差動保護，設備外觀未見異常。開展組合電器SF6氣體成分檢測發(fā)現(xiàn)，5012斷路器A相氣室SF6氣體分解產(chǎn)物SO2含量為293.3 μL/L，5011斷路器A相氣室SO2含量為20.1 μL/L，均超過注意值1μL/L。5011、5012間隔內(nèi)其他氣室檢測數(shù)據(jù)均未見異常。

打開5012斷路器A相手孔蓋板，發(fā)現(xiàn)機構(gòu)側(cè)滅弧室動觸頭屏蔽罩有燒蝕痕跡，粒子捕捉器表面附著有白色放電分解物。

2.2 故障相返廠檢查情況

8月11日，特邀專家在GIS組裝車間對5012 A相斷路器進行解體分析。

2.2.1 關(guān)鍵位置檢查情況

斷路器頂部兩側(cè)盆式絕緣子表面無沿面放電痕跡，附著有少量白色放電分解物，滅弧室表面附著有大量的白色放電分解物。機構(gòu)側(cè)屏蔽環(huán)6點鐘方向表面位置有放電燒蝕痕跡，附近的絕緣臺和框架有放電噴濺的痕跡，噴口處有正常的燒蝕痕跡。靜側(cè)表面附著有大量的白色放電分解物，屏蔽、觸頭及絕緣支撐等零部件正常，未發(fā)現(xiàn)放電痕跡，詳見圖1（a）和圖1（b）。

圖1 滅弧室照片

動觸頭表面10點鐘方向有一處與觸指接觸后擠壓導致觸頭變形約2 mm的痕跡，脫落部位大小約4 mm×5 mm，靜主觸頭對應位置1片觸指有變形情況。通過精測發(fā)現(xiàn)，該片觸指向內(nèi)變形，變形量約1.5 mm。對主觸頭鍍銀層結(jié)合力進行測試，結(jié)果表明觸頭表面鍍層結(jié)合力合格。斷路器動、靜主觸頭照片如圖2所示。

圖2 斷路器動、靜主觸頭照片

2.2.2 放電位置

高壓側(cè)放電點為機構(gòu)側(cè)屏蔽罩下方6點鐘方向，附近的絕緣臺和框架有放電噴濺的痕跡。放電屏蔽罩正下方殼體內(nèi)表面有一處直徑約40 mm，深度約5 mm的燒蝕坑，燒蝕坑附近殼體表面油漆在電弧高溫下，有直徑約260 mm的碳化痕跡，殼體表面存在燒蝕顆粒，詳見圖3。

圖3 放電點

2.3 非故障相現(xiàn)場開蓋檢查情況

2.3.1 5011 A相開蓋檢查情況

8月15日，對變電站5011 A相斷路器進行現(xiàn)場開蓋檢查。打開斷路器下方手孔蓋，檢查發(fā)現(xiàn)靜主觸頭內(nèi)壁有少許金屬碎屑（附著在導電脂上，現(xiàn)場已完成擦拭清理），動主觸頭有輕微劃痕，動靜觸頭存在輕微放電燒蝕痕跡，殼體底部和粒子捕捉器等其他部件未見明顯異物。

2.3.2 5012 C相開蓋檢查情況

10月20日，對該變電站5012 C相斷路器進行現(xiàn)場開蓋檢查。打開斷路器下方手孔蓋，檢查發(fā)現(xiàn)動、靜主觸頭表面磨損情況正常（手觸摸無劃痕、無磕碰痕跡、無燒蝕斑點且觸指無擠裂變形），動主觸頭表面導電脂附著有少許磨損金屬碎屑，金屬屏蔽表面潔凈無附著異物。殼體底部、粒子捕捉器、屏蔽罩及絕緣件等其他部件未見明顯異物。5012 C相斷路器主觸頭情況如圖4所示。

圖4 5012 C相斷路器主觸頭情況

3 故障原因分析

根據(jù)5012 A相HGIS斷路器故障后的返廠解體情況，對斷路器筒體內(nèi)壁附著顆粒物的情況進行有限元仿真計算（見圖5），結(jié)果表明存在顆粒物將會引起電場畸變，導致電場強度增大，使筒體內(nèi)壁與屏蔽間存在間隙放電的風險。因此，判斷5012 A相斷路器內(nèi)部存在異物，導致殼體與機構(gòu)側(cè)屏蔽罩間發(fā)生間隙放電，造成本次故障。

圖5 顆粒物仿真計算

結(jié)合后續(xù)開展的5011 A相和5012 C相斷路器的現(xiàn)場開蓋檢查情況，分析5012 A相斷路器放電異物來源可能有以下兩個方面。一是因靜主觸頭變形，動、靜主觸頭在操作過程中異常摩擦，造成動主觸頭鍍銀層脫落。動觸頭為鈹青銅材質(zhì)，表面鍍50 μm的銀層。從5012 A相斷路器動主觸頭鍍銀層擠壓痕跡和靜主觸頭變形位置可判斷，動觸頭鍍銀面損壞是由于靜觸頭觸指向內(nèi)變形，造成斷路器合閘沖擊過大，導致動觸頭表面鍍銀層擠壓。但根據(jù)斷路器內(nèi)部氣流仿真可見，即使動觸頭磨損有異物脫落，應大概率被吹向靜側(cè)屏蔽內(nèi)部或受重力作用掉入下方的粒子捕捉器中，掉落在機構(gòu)側(cè)殼體上的可能性較小。因此，放電異物來源為動主觸頭鍍銀層脫落的可能性較小[2]。二是廠內(nèi)裝配及試驗過程中存留金屬碎屑。組合電器在廠內(nèi)裝配及機械試驗過程中將會產(chǎn)生金屬碎屑，要求在設備出廠前清理干凈。若工廠人員清理不徹底，將會導致金屬異物留存在屏蔽罩或螺釘縫隙等處，且在廠內(nèi)絕緣試驗中無法有效發(fā)現(xiàn)。設備運行過程中，此類留存的金屬異物在斷路器分合操作和電磁場的作用下位置會發(fā)生改變，移動至屏蔽罩與殼體之間絕緣薄弱位置，最終導致屏蔽罩對殼體放電[3-5]。因此，放電異物來源為廠內(nèi)裝配及試驗過程中存留金屬碎屑的可能性較大。

4 結(jié) 論

針對運行HGIS金屬碎屑放電故障較為多發(fā)的情況，對新投運設備加大超聲波和特高頻局放等帶電檢測技術(shù)的應用力度。后續(xù)工作將重點關(guān)注此型號斷路器屏蔽罩與殼體位置處有無局放信號，若有異常信號應及時判定危險程度并按需停電檢修。