隔離開關(guān)合閘不到位引起GIS放電故障的原因分析

張丕沛，李 杰，汪 鵬

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

相對于敞開式隔離開關(guān)，用于GIS 設(shè)備的隔離開關(guān)具有的絕緣性能強、維護工作少、檢修周期長等優(yōu)點［1-3］。然而GIS 隔離開關(guān)的拐臂、連桿等傳動機構(gòu)長期暴露在空氣中，可能由于銹蝕、卡澀等原因?qū)е赂綦x開關(guān)分合閘不到位，且隔離開關(guān)動、靜觸頭密封在GIS 殼體內(nèi)部，難以直接判斷觸頭的真實接觸情況，若繼續(xù)帶電運行則極有可能發(fā)展為跳閘事故［4-6］。

文獻［7-9］介紹了幾起GIS 故障案例，通過解體檢查判斷故障原因為傳動機構(gòu)卡澀引起的隔離開關(guān)分合閘不到位，帶電后動、靜觸頭間接觸不良、發(fā)熱燒熔，進而導(dǎo)致放電擊穿，但都缺少對故障過程的還原及驗證過程；文獻［10-12］建立了梅花觸頭的仿真模型，通過增大觸頭觸指間接觸電阻的方式來模擬發(fā)熱過程，但整個仿真分析過程偏向于定性研究，接觸電阻的取值缺少理論及試驗支撐。

本文介紹了一起隔離開關(guān)合閘不到位引起的GIS 放電故障，通過現(xiàn)場測試與解體檢查，對故障過程及原因進行了分析，并進一步結(jié)合理論分析及仿真計算，對故障過程進行還原，驗證分析結(jié)果的正確性。

1 故障概況

2019 年11 月8 日，220 kV 某變電站220 kV 211間隔在送電合環(huán)6 s后，線路差動保護動作，C相接地短路。經(jīng)現(xiàn)場檢查，211-3 隔離開關(guān)C 相氣室內(nèi)部存在放電分解物，判斷為故障氣室。211 間隔外觀如圖1所示。

圖1 211間隔外觀

該站220 kV組合電器為2007年2月投運。211-3隔離開關(guān)為電動彈簧機構(gòu)，傳動方式為單機構(gòu)三相聯(lián)動拐臂連接，機構(gòu)在C 相側(cè)，分合閘指示在A、B 相間。211-3隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 211-3隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查211-3 隔離開關(guān)外觀，發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)三相連桿傳動部分有明顯銹蝕，如圖3所示。

圖3 隔離開關(guān)三相連桿銹蝕

檢查隔離開關(guān)齒輪軸中心距及連桿長度，檢查結(jié)果如圖4 所示?，F(xiàn)場A、B 相之間連桿長度為699 mm、軸中心距為698 mm，B、C 相之間連桿長度為706 mm、軸中心距為707 mm，滿足“軸的中心距離與連桿長度的誤差應(yīng)控制在±2 mm 范圍內(nèi)”的出廠要求。

圖4 隔離開關(guān)齒輪軸中心距及連桿長度

利用隔離開關(guān)機械特性測試儀，對211-3 隔離開關(guān)合閘角度、合閘超程測量10次。結(jié)果見表1。

表1 211-3隔離開關(guān)機械特性測試數(shù)據(jù)

根據(jù)合閘機械特性試驗數(shù)據(jù)可以看出，211-3隔離開關(guān)的合閘角度及三相合閘超程均未達到標準值（合閘角度（80±2）°，合閘超程25.5 mm）要求，且數(shù)據(jù)波動性較大，第2 次試驗數(shù)據(jù)值最小；同時C 相超程明顯小于另外兩相，最小僅為8.66 mm。

3 解體檢查情況

對故障相C 相進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)殼體內(nèi)部存在大量粉塵，靜觸頭屏蔽罩及罐體底部對應(yīng)位置存在明顯放電燒蝕痕跡，觸頭及觸指燒蝕嚴重，如圖5所示，初步判斷靜觸頭屏蔽罩對殼體放電。

圖5 放電位置燒蝕情況

內(nèi)部絕緣拉桿、盆式絕緣子表面有粉塵，經(jīng)擦拭后，表面光滑，沒有表面爬電和擊穿情況。絕緣件檢查情況如圖6所示。

圖6 絕緣件檢查情況

4 原因分析

綜合檢查情況，211-3 隔離開關(guān)機構(gòu)輸出軸、拐臂、連桿等存在嚴重銹蝕，10次機械特性試驗中合閘超程均不滿足要求，且C 相超程明顯低于另外兩相，最小僅為8.66 mm。結(jié)合觸頭與觸指具體尺寸，此時C相動觸頭位于剛合點位置附近，如圖7 所示。此時動靜觸頭處于虛接狀態(tài)。且211-3隔離開關(guān)已運行超過10 年，超過3 年沒有進行分合閘操作，因此故障前合閘操作時的阻力更大，C相的超程甚至小于8.66 mm。

圖7 剛合點位置

因此，判斷故障原因為：211-3 隔離開關(guān)傳動部分銹蝕卡澀，輸出軸、連桿、拐臂之間摩擦阻力增大，機械特性已不滿足要求，且C 相合閘超程下降最嚴重。合閘操作后三相均未到位，其中C 相動、靜觸頭處于虛接狀態(tài)，合環(huán)后在負載電流的作用下，C 相動、靜觸頭虛接燒蝕滴熔，滴落在屏蔽罩內(nèi)部并熔出缺口，熔融物由缺口處滴落至殼體上。由于滴落過程縮短了屏蔽罩與殼體間的絕緣距離，因此進一步導(dǎo)致了屏蔽罩底部與殼體間發(fā)生擊穿。

5 仿真驗證

為進一步驗證C 相合閘超程不足是否會導(dǎo)致燒熔、放電，繼續(xù)對合閘超程不足時的接觸電阻大小、以及由此引起的發(fā)熱情況進行理論分析。

根據(jù)Holm 接觸電阻表述，單個梅花觸頭結(jié)構(gòu)的接觸電阻Rj計算式為

式中：ρ1、ρ2分別為觸頭和觸指的電阻率，Ω·m；ar為等效觸點的接觸半徑，m，其表達式為

式中：R*為梅花觸頭結(jié)構(gòu)的等效視在半徑，m；E*為梅花觸頭結(jié)構(gòu)的等效彈性模量，N/m2；Fj為觸頭與觸指接觸點的壓力，N。以上3 個參數(shù)可以通過式（3）—式（5）計算［13-16］。

式中：R1、R2分別為觸頭、觸指的幾何半徑，m；E1、E2分別為觸頭、觸指的彈性模量，N/m2；K為抱緊彈簧的剛度系數(shù)，N/m；n為觸指數(shù)量；D0、D1分別為觸頭插入前和插入后的彈簧中心線直徑，m。

以表1 中合閘超程試驗結(jié)果數(shù)值最小值8.66 mm 為例，結(jié)合式（1）—式（5）以及梅花觸頭結(jié)構(gòu)的實際尺寸，計算得到相應(yīng)的接觸電阻為585 Ω，已遠大于出廠值14 Ω。

為進一步研究接觸電阻增大后，觸頭發(fā)熱的嚴重程度，根據(jù)隔離開關(guān)的實際結(jié)構(gòu)尺寸建立三維溫度場仿真模型，如圖8 所示。觸頭觸指接觸面附加一層寬度、厚度均為3 mm 的電阻膜，來模擬接觸電阻，如圖9 所示，通過調(diào)整電阻膜的電阻率使其電阻值與接觸電阻相等。仿真得到故障瞬間的梅花觸頭結(jié)構(gòu)的溫度分布如圖10 所示。觸頭觸指接觸位置的溫度已達到1 141 ℃，遠超過銅材質(zhì)觸頭觸指的熔點（約1 000 ℃）［17-20］。可見，在觸頭觸指接觸位置的溫度足以導(dǎo)致觸頭觸指的燒熔滴落，驗證了對故障原因的分析。

圖8 隔離開關(guān)仿真模型

圖9 模擬接觸電阻的電阻膜

圖10 梅花觸頭結(jié)構(gòu)的溫度分布結(jié)果

6 結(jié)語

介紹了一起隔離開關(guān)合閘不到位引起的GIS 放電故障，解體發(fā)現(xiàn)觸頭觸指燒蝕嚴重，放電通道為靜觸頭屏蔽罩對殼體放電，現(xiàn)場機械特性試驗發(fā)現(xiàn)隔離開關(guān)合閘超程不滿足要求，且C 相明顯低于其他兩相，從而判斷故障原因為隔離開關(guān)機構(gòu)嚴重銹蝕導(dǎo)致合閘后動靜觸頭虛接、燒熔、滴落，最終發(fā)展為屏蔽罩對殼體放電。

進一步以合閘超程試驗結(jié)果最小值8.66 mm 為例，對合閘不到位時觸頭觸指接觸電阻大小及發(fā)熱程度進行理論分析和仿真計算。結(jié)果顯示，觸頭觸指接觸位置的溫度已達到1 141℃，遠超過銅材質(zhì)觸頭觸指的熔點，從而還原了故障過程，驗證了故障原因分析的正確性。