一起220 kVGI S設備故障分析與運維策略研究

黃芷寓 魏嘉隆

（廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東珠海 519000）

0 引言

隨著城市的發展與電氣設備技術的更新迭代，越來越多的城市變電站采用GIS（Gas Insulated Switchgear）設備作為建站方案。相比于傳統的敞開式變電站，GIS變電站設備布局更緊湊，占地面積更小，抗災能力更強，設備故障率更低。然而，由于GIS設備結構復雜，一旦發生故障其影響范圍更大，故障排查難度也更高，因而對設備運維人員的技術技能水平提出了更高的要求[1]。

本文重點研究了某220 kV GIS變電站發生的一起設備故障事件經過，分析了設備故障的排查過程與故障表象背后的原因，最后針對該類故障提出了GIS設備運維策略的改進方案。

1 事件經過

如圖1所示，某220 kV GIS變電站采用雙母線接線方式，站內共有2個主變間隔、4個線路間隔、1個母聯開關間隔。正常運行方式下，母聯2012開關合位，220 kV 1M、2M并列運行，#1主變變高2201開關、電廠甲線2988開關、變電站甲線4398開關掛1M母線運行，#2主變變高2202開關、電廠乙線2989開關、變電站乙線4399開關掛2M母線運行，#1主變220 kV側中性點接地。

圖1 220 kV GIS變電站主接線

某日11：51，變電站綜自系統報警。運行人員檢查發現220 kV母差保護A套設備與B套設備同時出現差流越限告警信號，其中大差電流為0，母線小差電流C相差流二次測量值達0.08 A（0.06 A報警），其余兩相差流為0 A。同時母差保護屏出現“C相母聯TA斷線”告警，如圖2所示，在主控室后臺監控機母聯2012開關間隔圖上發現2012開關A相電流為280 A，B相電流為285 A，C相電流為69 A。母差保護未動作，未造成負荷損失。

圖2 220 kV母差保護告警報文

2 故障排查

情況上報后，該供電局變電管理所立即組織各專業班組對該220 kV變電站GIS設備進行外觀檢查、紅外測試、局放測試等工作，均未發現明顯異常。

根據母差保護屏告警信號與母聯2012開關電流的監測數據，為查明母聯2012開關間隔有無故障存在，20：02由廣東中調斷開了2012開關，發現母聯2012開關三相電流為0，電廠甲線2988開關、變電站甲線4398開關、電廠乙線2989開關、變電站乙線4399開關三相電流都出現了不平衡現象，并且4條線路間隔C相電流的幅值與A、B兩相有明顯區別，#1主變變高2201開關、#2主變變高2202開關三相電流基本對稱，如表1所示。

表1 主變與線路電流二次測量值

經數據分析發現，電廠甲線CT測量電流+電廠乙線CT測量電流矢量和三相基本對稱，變電站甲線CT測量電流+變電站乙線CT測量電流矢量和三相基本對稱，如表2所示。

表2 線路電流二次測量值矢量和

另外，在母聯2012開關斷開的同時，220 kV母差保護A套設備與B套設備仍有告警，且兩套保護小差差流C相均有越限。該供電局變電繼保班對母差保護涉及的所有間隔電流矢量進行了六角圖測試，并將場地GIS刀閘拐臂指示與母線保護裝置上的位置指示進行了比對，發現保護裝置的采樣數據與實測數據吻合，保護裝置刀閘指示位置與現場實際吻合，兩條220 kV母線均有小差差流，大小相等、方向相反。至此，根據上述現象，初步懷疑兩條220 kV GIS母線內部有導體跨接現象，跨接導體上的電流不經過電流互感器，因此造成了母線小差差流大小相等、方向相反的現象。

為進一步求證該變電站兩條220 kV GIS母線內部是否存在導體跨接，次日凌晨該變電站經中調許可后陸續將#2主變變高2202開關、變電站乙線4399開關、電廠乙線2989開關斷開，將220 kV 2M母線由運行轉熱備用，斷開了220 kV 2M母線222PT低壓側二次空開，同時在222PT低壓側二次空開上端測量發現220 kV 2M母線C相電壓仍然存在，至此可以基本判定在兩條220 kV GIS母線C相內部有導體跨接。

調取設備運行記錄發現，該變電站母聯2012開關電流歷史上共出現過3次不平衡的情況：第1次出現于電廠甲線2988開關、電廠乙線2989開關在保護更換工作結束后進行啟動倒母時，第2次出現于電廠甲線停電期間，第3次出現于電廠乙線停電期間。因此，可將母線內部跨接位置基本鎖定在電廠甲線2988開關間隔、電廠乙線2989開關間隔內，而GIS母線筒常年密封，因此該跨接現象極有可能是相關間隔內靠母線側的兩把刀閘同時合上導致的[2-3]。

次日上午，對GIS設備外觀進行檢查，未發現GIS設備外觀明顯異常，電廠甲線2988開關間隔、電廠乙線2989開關間隔的母線側刀閘現場指示均在相應位置。次日下午，該供電局變電管理所組織了專業外委團隊對變電站各個間隔母線側刀閘開展X射線檢測工作，發現電廠乙線29891刀閘C相未正常分開，與其外部指示不一致，如圖3所示。

圖3 GIS刀閘X光射線檢查結果

日后對電廠乙線29891刀閘C相開展解體工作時發現，29891刀閘C相絕緣傳動桿與內拐臂連接夾件連接處松脫，導致刀閘無法分閘，刀閘絕緣拉桿與內拐臂連接夾件的陷入深度不到位，如圖4所示。

圖4 GIS刀閘拐臂解體檢查結果

3 原因分析

本次故障中刀閘拐臂故障跨接兩段母線，造成了母差保護告警、三相電流不平衡等一系列現象。研究分析這些現象產生的原因有助于更全面地把握此類故障特點，為后續做好設備故障預案，改進現有運維策略方案提供理論基礎。

3.1 母聯開關合位時現象分析

圖5所示為包含電廠乙線刀閘拐臂故障跨接時的GIS站原運行方式，其中母聯2012開關在合閘位置，設備故障點可以用一個連接兩段母線C相的金屬導體表示，設其流過電流為I8，參考方向如圖所示。其余主變、線路與母聯支路的電流參考方向與CT極性也如圖標注。以220 kV 1M母線C相為對象，對其列寫KCL方程可得：|I1c+I2c+I3c+I8c-I7c|=0。

圖5 GIS刀閘拐臂跨接示意圖

實際上220 kV 1M小差電流值取的是各線路、主變與母聯間隔的電流互感器測量值之和，即Id1M=|I1c+I2c+I3c-I7c|≠0。對于220 kV 2M母線，其小差電流取值為Id2M=|I4c+I5c+I6c+I7c|≠0，因而兩套母差保護同時發出差流越限告警，其差流值即為跨接導體分流電流的二次歸算值。

從圖6可以看出，在母聯開關合位的情況下，跨接導體的作用僅是簡單對母聯開關C相電流進行了分流，兩段母線三相仍是等電位情況，因而不會影響母線以外的潮流分布情況，主變、線路間隔的電流分布以及三相不平衡度與無跨接導體時的情況類似。母差保護大差電流值的采樣計算量為Id=|I1+I2+I3+I4+I5+I6|=0，不受母線內部跨接情況影響，因而大差電流為0。以南瑞繼保PCS-915A型220 kV母差保護裝置為例，當大差電流小于CT斷線告警定值，兩個小差電流均大于CT斷線告警定值時，延時5 s報母聯CT異常報警，而母差保護動作判據中包括大差比率差動元件、電流突變量啟動元件以及復壓閉鎖母差保護元件等動作條件，因而不會誤動[4]。

圖6 母聯開關分流示意圖

3.2 母聯開關分位時現象分析

在廣東中調斷開GIS變電站的母聯2012開關后，引發了電廠甲線2988、變電站甲線4398、電廠乙線2989、變電站乙線4399共4條線路電流三相不平衡的情況，且由當時記錄的電流幅值與相角數據來看，不平衡電流主要發生在C相，說明刀閘拐臂C相跨接對4條線路的潮流分布都產生了明顯影響。另外，GIS變電站內#1主變、#2主變在母聯2012開關斷開前后三相電流仍能基本保持平衡，電廠甲線2988與電廠乙線2989的電流矢量和基本三相平衡，變電站甲線4398與變電站乙線4399的電流矢量和也基本三相平衡，說明了將電廠甲線2988與電廠乙線2989視為一個整體時，刀閘故障引起的GIS母線內部跨接并未對整體電網結構產生影響，同理對變電站甲線4398與變電站乙線4399組成的整體也是如此。為更好地說明分析其中原因，現將以發電廠、該GIS變電站與另一相連接變電站組成的局部電網結構圖重畫于圖7。

圖7 局部電網拓撲結構

由于刀閘拐臂故障主要影響的是電網C相的潮流分布，圖中也僅以C相網絡為研究對象，另外A、B兩相的局部網絡圖與C相類似，區別僅在于GIS站內分相母線間是否有跨接導體。局部網絡左側的電源端為某火力發電廠，該廠的發電機通過升壓變連接到廠內220 kV 1M母線、220 kV 2M母線，正常運行方式下母聯開關合位，兩段母線并列運行。Z（2988）與Z（2989）分別為電廠甲線、電廠乙線的等效線路阻抗。Z（4398）與Z（4399）分別為變電站甲線、變電站乙線的等效線路阻抗。GIS變電站刀閘C相拐臂雙跨以一等效小阻抗Z表示，將GIS站內220 kV 1M母線與2M母線相連，由于電氣距離較近，阻抗Z數值遠小于線路阻抗數值。與GIS變電站相連的另一側變電站220 kV 1M母線、220 kV 2M并列運行，對應母聯開關在合位。

從圖7中可以看出，C相網絡在刀閘跨接后成為“H”型局部網絡，與沒有跨接阻抗Z的A、B兩相網絡有明顯差別。在實際工程中，電廠甲線等效線路阻抗Z（2988）與電廠乙線等效線路阻抗Z（2989）多少有些差別，同樣變電站甲線線路阻抗Z（4398）與變電站乙線線路阻抗Z（4398）也不完全相等，GIS變電站內#1主變與#2主變對母線處的等效負荷阻抗也不一致，因此站內220 kV 1M母線C相與220 kV 2M母線C相在母聯2012開關斷開后形成了一定的電位差，這個電位差加在跨接阻抗Z上就形成了分流電流I跨，I跨電流的分流效應使得I2988、I2989、I4398、I4399這4條線路電流分布發生了變化，因而也就使4條線路產生了三相電流不平衡的現象。對于兩段母線上的主變支路電流I#1、I#2而言，其電流幅值與相角主要取決于主變所帶負荷。變電站主變基本上都屬于降壓變壓器，從220 kV輸電網吸取功率，向變中110 kV電網以及變低10 kV電網輸送功率，110 kV電網與10 kV電網作為負荷側開環運行。因此，只要負荷側吸收功率不變，主變電流I#1、I#2就基本不變。C相跨接阻抗僅影響主變電流的供給來源，例如在沒有跨接故障時，#1主變C相電流由電廠甲線2988與變電站甲線4398兩條線路C相電流提供，在出現跨接故障后，#1主變C相電流由電廠甲線2988、變電站甲線4398兩條線路C相以及母線C相跨接電流I跨提供，但跨接前后只要#1主變C相負荷基本不變，主變C相電流I#1就基本不變，在電網結構中可視作由負荷決定的等效電流源。

第二個問題，在220 kV GIS站母聯2012開關斷開后，電廠甲線2988與電廠乙線2989的電流矢量和基本三相平衡，變電站甲線4398與變電站乙線4399的電流矢量和也基本三相平衡，從圖7可以看出電廠甲線2988與電廠乙線2989的電流和即為I總，在將GIS站主變視作電流源的條件下，I總的變化取決于整個外部局部網絡等效阻抗的變化，I總在刀閘跨接后仍能保持三相平衡，說明刀閘跨接對整個局部網絡等效阻抗的影響不大。實際上，由于Z（2988）、Z（2989）、Z（4398）、Z（4399）比跨接阻抗Z要大得多，且由于是同塔架設的雙回線路，其阻抗比基本相等，即Z（2988）:Z（4398）≈Z（2989）:Z（4399）。在站內母聯開關斷開后且沒有故障刀閘跨接時，根據電橋理論，220 kV GIS站內兩段母線近似于等電位點（其微小電位差僅在分析跨接刀閘對內部的分流作用時考慮），雖然刀閘故障跨接使220 kV C相母線電位進一步趨同，但對于整個局部網絡構成的等效阻抗來說，這種作用是不明顯的，因此A、B兩相局部網絡與有刀閘故障的C相局部網絡對外等效阻抗基本一致，發電廠甲、乙線電流之和I總三相電流也就基本平衡。

4 運維策略

本起由GIS刀閘拐臂夾件松脫而造成不同母線跨接的故障，引發了保護告警、三相電流不平衡等現象，會對調度監盤造成干擾，也可能影響到保護動作的邏輯與正確性[5]。再者，當一段母線需要停電檢修時，故障跨接會使該段母線在所有母線刀閘拉開后仍然帶電，存在母線帶電合地刀的風險，并由此造成設備損失，同時會導致運行中的母線對應母差保護動作，造成220 kV變電站失壓以及負荷損失的嚴重后果。因此，針對該類型故障特點，有必要提出新的運維策略，以降低電網運行風險，保障設備安全穩定運行。

（1）加強新設備投運前的監造驗收管理。在GIS設備出廠監造時，應重點加強對刀閘拐臂絕緣連桿與夾件的檢查，確保絕緣連桿六方頭試驗合格，與夾件配合良好，緊固螺絲力矩合格，外露螺紋在要求范圍內，拐臂傳動試驗合格并現場拍照留作記錄。

（2）修編運行規程與典型操作票庫。凡是涉及GIS母線倒閘的操作，在操作前應檢查母聯三相電流相對平衡且大小正常，并且在母差保護屏上檢查無差流越限及CT斷線信號，將小差電流值記錄下來。操作后應檢查母聯三相電流的變化情況以及三相電流平衡情況，同時在母差屏上檢查是否有差流越限及CT斷線信號，確認小差電流值正常。在母線停電操作中，斷開母聯開關將母線轉冷備用后，應合上母線PT一次刀閘，并在PT二次空開處測量母線電壓是否為0，在確保母線實際無壓后才可將母線接地轉檢修。

（3）修編巡視作業指導書。在GIS變電站巡視作業指導書中加入檢查母聯三相電流以及檢查母差保護屏有無異常告警信號的步驟，確保運維人員能夠及時發現設備隱患，降低電網安全風險。

5 結語

本文研究了一起由GIS設備刀閘拐臂故障造成的母線雙跨事件，分析了在故障排查過程中出現保護告警與電流不平衡現象的原因，最后根據此類故障的特點，提出了運維策略的相應改進方案，通過加強設備出廠監造管控，檢查母聯電流與母差保護裝置信號能夠有效規避此類設備故障風險，提高電網運行的安全性。