刀閘合閘不到位引發跳閘的故障分析

段秀凱，鄒 運

(國網山東省電力公司聊城供電公司，山東 聊城 252000)

0 引言

氣體絕緣組合電器(gas insulated switchgear， GIS)是將變電站內母線、斷路器、刀閘、CT、PT等一次設備集中于一個充滿SF6氣體的封閉金屬筒內，具有占地面積小、維護量少、可靠性高等優點 。但是，由于組合電器為封閉式結構，無法直觀觀察到刀閘動、靜觸頭行程變化，存在隔離刀閘或接地刀閘分合不到位運行的風險 。

針對一起由線路側刀閘合閘不到位導致觸頭燒損引起的保護跳閘故障進行分析，并就組合電器生產制造及運行過程中存在的問題提出解決辦法和防范建議，以防此類故障再次發生。

1 故障概述

某220 kV變電站采用雙母線并列運行方式，共有220 kV線路4條、母聯間隔1個、PT間隔2個及主變間隔2個，其中線路Ⅰ214間隔與線路Ⅱ213間隔為2個220 kV變電站的2條聯絡線，2條線路于2019年10月投運后未發現明顯異常。

2020-01-14T12：57：29，220 kV線 路Ⅱ213間隔發生C相故障，兩側縱聯保護動作跳閘，重合不成。故障測距顯示，線路對側17.48 km，站側0.03 km (線路全長17.8 km，全線架空線路)。

2 現場檢查

2020-01-14T15：00：00，檢修人員到達故障變電站，對220 kV線路Ⅱ213間隔進行檢查。

2.1 外觀檢查

(1) 現場保護裝置信息及動作邏輯檢查。220 kV線路Ⅱ共4套CSC103BE保護裝置，故障發生時，該站213間隔C相故障電流(二次電流)為34.7 A (折合實際電流1.1萬A)，線路對側間隔C相故障電流為6.05 A，均超過差動電流動作值1.2 A，兩側縱聯差動保護動作，跳開C相開關，1 s后重合閘動作，C相開關合上，隨后因故障為永久性故障，故障電流較大，距離加速保護立即動作，跳A，B，C三相開關，故障切除，符合“單跳單重后加速”的邏輯，4套保護裝置均正確動作。

(2) 現場一次設備外觀檢查。檢查213出線套管至站外1號塔之間無接地放電跡象。

(3) 現場組合電器氣室氣體成分分析。對213間隔各GIS氣室進行SF6氣體成分分析，測試結果顯示213-3刀閘(線路側隔離刀閘)三相氣室內放電特征氣體均遠大于相關標準要求，且C相氣室H2S、SO2含量遠大于A，B相氣室，如表1所示。考慮到213-3刀閘三相氣聯結構，確定C相氣室為SF6放電氣室，SF6放電后H2S、SO2向A，B相擴散，與保護動作信息一致。

表1 220 kV線路Ⅱ213間隔氣室氣體組分 μL/L

(4) 故障前電流變化情況。經查閱主站信息系統數據發現，2019-12-31T12：00，線路Ⅱ213間隔C相電流從45.1 A驟減為零，線路Ⅰ214 C相電流則從41.7 A陡增為77.6 A，表明此時213-3刀閘已斷開電氣連接，213 C相負荷直接轉移至214 C相間隔。由于CT斷線定值設定為0.5 A，213 CT運行變比為1 600/5，C相電流變化未達到CT斷線定值，保護裝置未報發相關信號。

2.2 解體檢查

2020-01-14T19：40，對213-3刀閘氣室進行現場解體檢修，發現在213-3 C相刀閘導體及絕緣件、筒璧附著大量白色粉末；氣室腔體底部發現少量金屬粉末殘留；氣室內壁上有飛濺的金屬珠及燒傷痕跡；刀閘動、靜觸頭燒蝕嚴重，圓形觸指罩有燒損后的缺口；刀閘氣室與斷路器氣室之間的盆式絕緣子表面被電弧燒灼炭化，有深黑色的放電痕跡，腔體表面有大量粉末附著；C相刀閘導體對設備外殼發生放電，腔體內壁有黑色放電痕跡，同時刀閘動觸頭表面附有大量灰色金屬粉末，動觸頭下側有明顯的放電痕跡。

由于213-3刀閘三相氣室之間通過氣聯相通，現場人員對213-3 A，B兩相氣室進行開蓋檢查處理。經檢查，213-3 A，B相刀閘氣室內部無金屬粉末類物質。經SF6氣體成分檢測及氣室解體后檢查，可判定此次故障是213-3 C相刀閘觸頭燒損導致氣室內放電引起的 。

3 故障原因分析

3.1 設備原因

檢修人員聯系設備廠家技術人員對設備進行現場解體檢查，發現放電起始位置位于刀閘動、靜觸頭接觸面下端，隔離開關靜觸頭有明顯燒熔痕跡，判斷設備內部放電的主要原因為設備內部過熱，隔離開關接觸面燒傷，導致電場發生畸變，該部分對設備外殼進行放電。

導致隔離開關過熱的可能原因有：隔離開關合閘不到位；隔離開關內部觸頭氧化、觸頭彈簧疲勞或者損傷。通過對隔離開關的解體檢查以及對A，B相隔離開關氣室的內部檢查，可以排除第2種原因，故此推斷，隔離開關內部過熱主要是隔離開關合閘不到位所致。

對內部傳動機構進行解體，發現在齒輪箱內共含3個齒輪，分別為傳動齒輪(76齒)，中間齒輪(上60齒、下24齒)和輸出齒輪(24齒)。隔離開關動作時，驅動電機通過傳動齒輪，帶動中間齒輪，然后將力矩傳輸到輸出齒輪，作用于刀閘導體，完成分、合閘操作。

檢修人員測量發現，隔離開關由分閘到合閘狀態，其傳動齒輪轉動角度為73°，內部導體移動158 mm，斷口距離120 mm。隔離開關動、靜觸頭的插入深度8 mm，而廠家技術規程要求動、靜觸頭插入深度為(33±5) mm，遠遠小于規程要求。

由于中間齒輪的上、下齒輪大小不一致，中間齒輪與輸出齒輪如錯齒安裝，導致中間齒輪與傳動齒輪安裝困難。中間齒輪的主要作用為齒輪加速與力矩(能量)傳遞，只要保證傳動齒輪與輸出齒輪位置不變，中間齒輪的安裝不會影響隔離開關導體的插入深度，因此排除了中間齒輪與輸出齒輪錯位的可能。隨后廠家技術人員對比設備出廠規程要求，通過計算得出結論，傳動齒輪錯位2齒。

3.2 管理原因

該批次產品駐廠監造與到貨交接驗收流于形式，未對關鍵點見證到位，使設備“帶病”送電。設備運行階段，運維監控管理不到位，設備于2019-12-31發生異常，直到2020-01-14保護跳閘發出信號才得知。

綜上分析，認定該刀閘在安裝過程中傳動軸齒輪發生錯位導致合閘不到位是此次故障的直接原因，設備監造、驗收、運維人員監管不到位，使設備“帶病”運行是此次事故的間接原因。

4 防范措施

(1) 加強對同批次其余刀閘的管控。為防止該站其他間隔刀閘存在類似情況，建議加強對相關設備的帶電監測，前期每隔1月進行一次精確測溫、局部放電檢測，對發現問題的情況及時停電處理；對于運行正常的設備可以逐步延長檢測周期；結合停電計劃，對所有間隔刀閘插入深度進行檢查測量，防止類似情況發生。

(2) 加強對駐廠監造、到貨驗收及設備大修關鍵點的管控。該批次產品駐廠驗收與監造流于形式，未對關鍵點見證到位。依照國網公司“五通一措”標準要求，結合泰開、西開、平高、新東北等廠家GIS設備的具體情況，分別編制GIS駐廠監造、到貨驗收及設備大修關鍵點管控細則，形成管理標準，下發至各個變電檢修試驗班組，深入學習相關標準文件，切實加強GIS監造、驗收關鍵點的管控力度，扎實提升GIS設備運維管理水平。

(3) 加強設備運行監測。現階段，保護測控裝置已實現電流、電壓、功率等數據實時上傳功能，主站均已存儲此類數據，運行監控部門對三相電流尚未開展實時監測，無法及時發現設備運行隱患，建議加強對GIS設備三相運行參數的監視工作。

(4) 加強帶電檢測。由于動、靜觸頭之間的連接情況無法通過肉眼觀測，而常規的檢測手段(回阻測試、耐壓試驗等)又不能發現設備內部隱藏的缺陷，建議對新安裝(投運)設備加強局部放電測試、SF6氣體成分測試、精確紅外測溫等帶電檢測。

(5) 增加GIS刀閘觀察孔。由于GIS設備內部連接的不可見性，建議GIS廠家在設計階段增加GIS內部機構觀察孔，設置分、合閘位置刻度線，從而準確觀察機構合閘或分閘后的實際位置。