GIS故障類型及案例分析

牛宗濤

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院，陜西 西安 710021)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated substation, GIS)具有占地面積小、檢修周期長、運行可靠、維護量少等優點，因此，在水力發電廠、土地面積狹窄地區的火電廠、風沙較大的風電場等發電廠應用廣泛，有助于大幅度縮減發電廠人員檢修、維護工作量。然而，一旦GIS 設備發生故障，將會造成全廠停電，且檢修時間較長，必然造成較大的經濟損失。

以下對GIS 設備常見故障進行了案例介紹和分類，根據故障特征可快速判斷故障位置及故障類型，有利于縮減停電時間。

1 SF6 氣體故障

GIS 設備常見故障可以分為SF6氣體故障、絕緣故障、電氣故障和機械故障。其中，SF6氣體故障最為常見。

SF6氣體故障主要分為SF6氣體泄漏和SF6氣體微水含量超標。密封圈老化或焊縫出現砂眼會導致在GIS的密封面和管道接頭處發生SF6氣體泄漏，且常伴隨SF6氣體微水超標，空氣中的水分會通過泄漏點滲透到GIS 內部。

1.1 SF6 氣體泄漏

GIS 設備內部的SF6氣體壓力大于大氣壓力，各個氣室法蘭面采用密封面+O 形圈+密封槽+密封膠進行組合密封。雖然密封良好，但也會存在泄漏。GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》規定，“每一個氣室年漏氣率不應大于1 %，750 kV 電壓等級的不應大于0.5 %”。

隨著運行年限的增長，且受到運行環境的影響，如振動、機械壓力、高溫、濕度等因素的影響，個別密封圈會出現老化、破損現象，可能出現氣體的泄漏；進行微水、密度繼電器校驗時，截止閥頂針失效、密封墊破損會造成氣體泄漏。因此，試驗結束后，必須進行檢漏，并加強運行巡視。

某電廠110 kV GIS 支線為三相分箱結構，該電廠GIS 充氣口未安裝三通閥，SF6密度繼電器直接裝在充氣口的逆止閥上。在某次停電檢修時，檢修人員拆除SF6密度繼電器后，發現有SF6氣體從充氣口的逆止閥泄漏出來，故建議電廠及時更換逆止閥，并加裝三通閥。

1.2 SF6 氣體微水超標

SF6氣體是一種穩定的惰性氣體，具有較強的絕緣性能和滅弧性能。但是，一旦SF6氣體中含有水分，在電弧高溫作用下，SF6氣體分解物極易與水分發生反應生成氣態酸性物質而腐蝕電氣設備，且這些氣態物質大部分有毒性，還會危害檢修人員的健康。對此需采取以下措施以防微水含量超標。

(1) 對SF6新氣進行微水測試，測試其微水含量是否滿足規程要求。

(2) 對于新建GIS，按照安裝說明要求，對GIS 內部環氧樹脂支撐件、絕緣拉桿等絕緣部件進行烘干，運輸及安裝前做好防潮措施，在相對濕度小于80 %的環境條件下進行安裝。

(3) 在補氣時須特別注意連接管路和接頭的干燥，以防將潮氣帶入設備內部。

(4) 當吸附劑飽和后，必須及時更換。

某電廠GIS 氣室SF6氣體水分超過規定值，目前采用新氣置換法進行處理，置換后微水測試結果合格。考慮到該廠GIS 已經運行了12 年，且所處環境常年濕度較大，懷疑密封面存在一些薄弱環節，空氣中的水分通過密封面進入GIS 內部，從而使GIS 氣室微水含量超標。

因此，建議采用包扎法，對微水含量超標氣室的每個法蘭面進行包扎，查找泄漏點；同時監視SF6密度繼電器，防止氣體壓力過低而出現絕緣故障；縮短GIS 設備微水檢測周期，對微水含量超標的氣室微水測試數據進行跟蹤分析，為后續開展針對性檢查工作提供依據；此外，在GIS 室放置多個溫濕度計，當環境相對濕度大于60 %時，除了強力通風外，需打開GIS 室門窗晾曬，防止凝露。

2 電氣故障

電氣故障主要發生在GIS 設備的輔助及控制回路中，如SF6密度繼電器接點失效、輔助及控制回路端子松動、儲能電機故障等。現場使用的SF6密度繼電器因長期不動，經過一段時期后，會出現以下問題。

(1) 接點失效。該故障在多個電廠均有出現，校驗密度繼電器時報警，閉鎖接點均不動作；若發生氣室漏氣，密度繼電器不能提醒氣室內SF6氣體壓力過低，極易發生安全事故。

(2) 溫度補償失效。電廠可能發生密度繼電器表針不斷抖動，并且無法準確表征氣室內SF6氣體壓力大小的故障。

按照DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規程》的規定，各SF6電氣設備使用單位應定期對SF6密度繼電器進行校驗。此外，為確保SF6密度繼電器接點信號準確傳送至電力網絡計算機監控系統中，需結合升壓站大修計劃，對SF6密度繼電器壓力報警回路及閉鎖回路進行傳動檢查。

3 絕緣故障

引起絕緣故障的原因主要有：盆式絕緣子或絕緣傳動桿沿面閃絡或絕緣擊穿、內部殘留金屬屑末引起放電、金屬導體表面毛刺形成的電暈放電等。

3.1 絕緣傳動桿故障

某電廠500 kV GIS 安裝完畢，微水試驗合格，具備交流耐壓試驗的條件。在交流耐壓試驗過程中，發生2 次對地擊穿故障，經解體檢查均為隔離開關絕緣傳動桿對地爬電擊穿。導致絕緣拉桿損壞的原因有以下幾種可能。

(1) 絕緣拉桿材料內部存在微小的空洞或內部有微小金屬雜質，由于空洞內空氣的絕緣較低，造成局部放電擊穿。

(2) 絕緣拉桿表面可能會附著金屬屑、纖維、灰塵等微小顆粒造成表面放電。

(3) 有可能絕緣拉桿裝配不當，造成局部存在應力，導致材料絕緣性能發生變化。

3.2 絕緣盆子損壞

某電廠GIS 大修后，在進行交流耐壓試驗之前，先對GIS 導電回路進行絕緣電阻測試，經測試發現B 相絕緣電阻為1.6 MΩ，絕緣電阻偏低，然后逐一排查GIS 設備的隔離開關、接地開關，發現開關位置正確，故判斷為GIS 內部的問題。

解體后發現其中一個絕緣盆子有肉眼可見的裂縫，于是對該絕緣盆子進行絕緣電阻測量，發現該絕緣盆子中間導電部分對外殼的絕緣電阻為1.6 MΩ，用相同的方法對同型號新的絕緣盆子進行絕緣電阻測量，發現絕緣電阻為60 GΩ，故判斷B 相整體絕緣電阻偏低是由絕緣盆子中出現裂縫所致。絕緣盆子損壞的原因是絕緣盆子內部存在質量缺陷及機械損傷，并在安裝過程中受到機械應力作用后暴露出來。

4 機械故障

機械故障主要發生在GIS 設備的一次機械部分，主要包括斷路器拒分及拒合、導電桿斷裂、接地開關及隔離開關拒動、傳動銷脫落、機構連桿彎曲等故障。

某電廠在倒閘操作時，發現5003 斷路器內部有異常聲音，停電后對該斷路器操作機構解體檢查，發現A 相操作機構傳動銷脫落，測量開關斷口行程時發現斷口分閘未到位，設計行程為250 mm，因傳動銷脫落，實際動作行程為140 mm。故障原因是由于斷路器未分閘到位，斷口之間絕緣不滿足并網前兩端電壓差造成斷口擊穿，產生導電微粒后發展為對外殼放電。因此提出以下建議。

(1) 按規程要求定期對各相關氣室開展微水、組分等項目測試。

(2) 建議電廠加強GIS 各氣室壓力、振動、異音檢查及GIS 在線局部放電數據監測。

(3) 建議運行人員在操作斷路器及刀閘前后，加強監視各電壓互感器的二次電壓波動，發現異常及時處理。

(4) 操作斷路器及刀閘時，如發現變壓器、GIS 有異音，應立即停止操作，并停運設備，分析原因，防止故障擴大。

(5) 立即對同一批次斷路器進行檢查，確認操作機構傳動銷是否脫落，分閘行程是否合格。

(6) GIS 新裝或大修后，重點檢查斷路器及刀閘各機構傳動銷鎖緊情況。

5 設備維護建議

GIS 設備故障很多都是由于GIS 設備出廠缺陷引起的，如GIS 筒體或導電桿焊接處有沙眼、裂縫，絕緣子有質量缺陷、機械損傷；運輸過程中發生碰撞、受潮；安裝過程不規范，如裝配和現場安裝過程清理不干凈，有灰塵、異物，裝配過程中漏裝限位螺栓導致導電桿脫落，裝配過程中固定螺栓未擰緊導致GIS 漏氣等。因此，需要從源頭把關，消除GIS 設備故障。

建議生產廠家及各使用方多方把關，保證GIS零配件質量；生產企業不管在廠內裝配還是在現場裝配，都應加強零件和裝配環境的清潔度；安裝單位在安裝施工過程中，應嚴格按照廠家的安裝工藝要求進行；由生產廠家和安裝單位共同組成安裝質量檢驗小組，對設備安裝質量進行跟蹤檢查。

此外，運行環境長期的影響可能造成附屬設備老化或損壞，如密度繼電器損壞、充氣口逆止閥漏氣、吸附劑失效等。因此，要對GIS 設備定期進行預防性試驗，及時發現故障點。

6 結束語

GIS 設備一旦發生故障，將引發全場停電，造成極大的經濟損失，因此根據GIS 設備的故障分類，結合現場案例經驗和建議，總結了各種故障特點和故障原因，可為快速判斷故障位置及故障類型提供參考，有助于迅速恢復供電。