550kV GIS隔離開關故障分析及解決措施

山西國耀新能源集團有限公司 李 劍

GIS氣體絕緣金屬材料的密閉切換裝置，是一種以SF6氣體作為隔離和磁性介質的電氣元件，其被密封在一個接地裝置的合金殼中，并在殼體中注入一定的氣壓。地理信息系統占用較少的空間，產生較低的噪聲和能夠降低發生火災概率；但是需要長時間的維護，已被普遍應用于電力行業[1]。但是，該類型裝置存在著投資大、故障點難查找、故障發生次數多、電力損失大等問題。本文從550kV GIS高壓隔離開關發生的安全隱患入手，并提出相應的預防措施，以期進一步改善其工作的可靠性。

1 事件概述

當GIS隔離開關切換出現失效時，斷路器會跳閘、5041/5042短接線保護50416次短路故障電流量16.35kB，5041電源開關接收到故障電流量9.06kB，5042開關接收到故障電流量7.29kB，主變高壓側套管故障電流量4.64kB，主變高壓側直流B相電壓、500kV線路B直流電壓均為0，其他直流電壓及電流量反應均正常。同時，對GIS內SF6氣體成分進行了檢查，50416開孔的氣體腔SF6氣體成分中H2S氣體的濃度為98.68ppm,SO2氣體濃度為77.69ppm，而其他氣體腔室SF6成分正常。通過對GIS中各個氣腔SF6的成分分析（見表1），得出了由保護狀態采集到的電流信號和GIS各個氣腔SF6的成分分析結果，故障點為50416B相，以及50416刀閘B相的金屬短路失效[2]。

表1 50221隔離開關SF6氣體成分

2 原因分析

50416B相閘及與之有關的制動氣腔進行拆卸，其主要故障為：50416B絕緣開關的絕緣拉條被燒毀及碳化，絕緣拉桿兩端磁環被燒壞和因電導致的內部灼傷，系統會產生不正常的反應[3]。

2.1 事故發生的直接原因

根據現場對常見的失效元件分析可知，隔離開關觸點的外部和隔離開關的尾部防護罩損壞較為嚴重，而在絕緣層的支撐上，則有更多的燒毀（如圖1所示）。因此認為，隔離開關的絕緣拉桿在第一時間發生閃失是導致接地短路失效的主要原因。電站在第一期投入使用時，在隔離開關的絕緣拉條上出現了兩個連續的放電狀態，與本次的安全事故的發生位置相符。兩次放電痕跡明顯，在隔離開關動作斷路器外阻磁環燒壞，在絕緣拉桿上部有燒蝕痕跡（如圖2、圖3所示），因此認為由于絕緣拉桿上發生了閃絡，導致了接地設備的放電保護姿態的故障。

圖1 本次隔離開關絕緣拉桿放電圖

圖2 第一次隔離開關絕緣拉桿放電圖

圖3 第二次隔離開關絕緣拉桿放電圖

根據現場故障元件的具體常規檢測和對發生故障的燒毀現象進行了分析，認為造成這一事件的根源在于：絕緣拉桿上表面發生了閃絡，導致了接地設備的放電保護姿態跳閘。

2.1.1 GIS隔離開關絕緣結構分析

隔離開關作為高壓開關柜（HGIS）中的核心部件，其對連接不同的驅動裝置和自身的高壓電平衡起著至關重要的作用。由于承擔著高電壓和零電位之間的巨大電流，如果在長期的高磁場作用下，內部的結構會被破壞，容易導致絕緣材料的老化和內部的結構損壞。因此，其制造過程是否可靠，出廠檢查是否符合標準，與HGIS和電力系統的穩定性有較大關系。

從結構上剖析該隔離開關，經驗證，絕緣體的結構設計滿足要求，并對其進行了磁場分析，得出結論：絕緣體的電場強度達到了技術指標要求，并且具有較大的余量。因而，可完全消除因設計方案結構導致此次故障的可能[4]。對于構造的絕緣切換設備，如果已經在兩年以上的時間內正常運轉，并沒有以上類似故障產生，能夠充分說明了該絕緣拉桿并非導致此次故障的緣由。

GIS機械廠在生產的隔離開關上安裝了兩臺具有相似結構特點的隔離開關，對每個550kV GIS組裝單元進行了耐電壓測試，對每個隔離開關組裝單元進行了兩次電壓測試（740kV/min），并對隔離開關和10%組裝單元進行1675kV的沖擊耐電壓測試，該套裝置在使用之前，已經進行了500多次的測試，而且絕緣拉桿沒有損壞。這更進一步證明了絕緣結構沒有問題，因此說明了絕緣拉桿制品的品質問題并非常見。

2.1.2 故障根本原因分析

在解體故障實體及在以上絕緣分析前提下，造成此次安全事故的直接原因為：50416B型絕緣拉條在組裝過程時，其外部表層仍有少量的殘余粉塵，無法及時清除干凈，或拉桿自身外表面存有部分缺陷，比如表面有可能有鍍層塵土殘渣，均可能不同程度造成GIS內部結構靜電場產生畸變，促使部分靜電場提升而造成局部放電，在正常運行條件下，這種局部的放電會使電纜絕緣迅速惡化，最終使電纜表面發生短路而發生放電。雖然這種拉桿是從國外引進的，證明了其在高壓條件下，有可能會在拉桿上產生一個不環繞的放電痕跡，這種痕跡在一段壓力下運行后會出現，并慢慢往前拓寬，最后導致對地閃絡。絕緣拉桿發生閃爍的主要因素是其結構局部放起點，長期局部釋放加速了絕緣拉桿材料的腐化，造成貫通性的絕緣穿透。穿透后，絕緣拉桿一部分碳化。

絕緣拉桿是由電子設備制造商附屬工廠制作的，采用了真空高壓浸漬處理技術，制作時首先需要用一塊玻璃鋼絲網層層纏繞，然后在真空環境下緩慢地滲透到玻璃纖維原料中。除去纖維強化系統的內部構造，然后通過填充環氧系統來保證高密度的組織結構，從而將玻璃鋼和環氧樹脂粘合成為一體，檢驗根據所使用的原料理化測試和絕緣拉棒整體測試結果判斷是否合格。

基于對高壓開關絕緣拉條的研究，發現斷開的絕緣拉桿之間的膠合強度已經失去，呈現膨脹狀態。在斷開的絕緣棒的中部靠近高電壓側分級的四個放電位置，其中一些放電已經穿過了兩層的玻璃板。

2.2 放電原因分析

根據拆解的結果，判斷出隔離開關內部構造有雜質導致了空氣的泄漏，有較大可能性是觸點被破壞，裝配時沒有清洗。

2.2.1 取樣異物分析

收集隔離開關內部異物，分成4個樣本進行成分分析，其分析結果見表2至表5。

表2 11號試樣分析

表5 41號試樣分析

表3 21號試樣分析

表4 31號試樣分析

通過取樣分析，發現該斷路器的內部構造構成的4個樣本均為鋁合金，區分為燃燒的外殼和從導電物體上掉落的化學成分。

2.2.2 盆子探傷分析

對放電后的動側盆（512X24V0910）和非放電的靜側盆（512Y07V0617）進行了非破壞性測試：靜側盆子沒有任何異常，動側間隙重要電導體40mm有一處燒灼點，內部構造其他區域未發現異常，兩個盆子均無裂縫、焊瘤缺點。根據復合絕緣子放電安全通道處的溶解物開展上色實驗，未發現裂痕等缺點。

盆形絕緣器具有高于7000MΩ（要求不小于5000MΩ）的絕緣電阻，熱膨脹系數為119.03°（規定高于105℃），其測量結果都合格，因此可以看出盆型絕緣子沒有任何結構方面的問題，而盆型絕緣子的失效原因應是由于絕緣層棒破裂后的化學成分溶解在水平盆形絕緣子上造成的；造成盆狀絕緣子的穿透絕緣破裂，因此可辨別出盆的燒燙處為污物墜落在盆上所造成，這一次的放電并非由盆體的原因造成[5]。

2.2.3 對斷裂的FES動觸頭分析

常見的失效氣體室中FES的動接觸器前端安裝頭部，掉落在靜接觸器內部，組裝頭和動接觸件的工藝是將內絲和外絲螺紋擰入并進行電焊，組裝一端（絲齒一側）發生了較大的燃燒，大約三分之一的截面存在著金屬物質的溶解。

根據斷頭標志及制造日期，追溯生產廠家、發貨、入庫和同一批次的收貨人，并閱讀檢查記錄，并有完整的紀錄和檢查結果。由于焊接產品的品質問題與焊接工藝參數和設備的焊接工藝無關，然后通過對觸點斷裂外觀進行了檢測，發現觸點在焊縫表面分布不均衡，在理論上，接觸點在焊縫的平面處應該大致一致。而且，在宏觀裂紋處，焊縫的厚度也出現了明顯的變化，這意味著在焊縫中，離子束到達的位置并不是足夠的重疊，而是出現了偏差，這就造成了焊縫兩側的深度不同，造成了焊縫兩側的三分之一深度差距。

在預焊時，觸點要用百分計進行定位，而百分表則要靠工作人員操作。因此，如果操作人員不小心進行焊接，就會出現卡板傾斜現象。從質量的回溯情況來看，接頭的錯位會導致接頭的深度不同。同時，由于插銷的原因，接觸器無法完全熔合，但由于表面已經被焊死，無法通過染色檢測出內部的缺陷。因此，接觸件斷裂的主要因素是接觸件的著裝夾歪斜，離子束偏置，導致焊縫表面不能完全熔穿；同時，由于檢驗方法的不正規，致使產品不能進入下一道工序。

2.2.4 放電過程分析

在設備車間進行200次的測試，測試包括沖擊力和頻率抗壓測試，綜合分析，判定污物并非來自工廠和工地的裝配。因此，可以判斷在接地絕緣開關B502167的相位動接點被破壞之后，由于工作過程中的碰撞導致了物質的碰撞，從而導致50221的隔離開關B的相位移動端盆發生了爆炸；整個放電的步驟：502167絕緣子B相FES動接點的破裂，有雜質從50221隔離開關B相位移動端盆上，雜質與支撐點之間的間隙放電，放電引起金屬表面燃燒，溴化鋰溶液四濺。

在斷路器斷裂或碰撞后產生外來物質，由于放電時的短路能量較大，導致雜質蒸發，因此在收集體中沒有探測到，只有較少的樣品含有銀。在放電后，金屬槽接觸部位的導電金屬和鋁合金鑄造的殼體融化后，鋁液噴出，重量輕的金屬絲狀物顆粒較大。

綜合以上分析，50221型B相氣室存在結構性雜質，是導致其放電的重要因素。FES觸點的焊接方法不合理，造成了動觸頭的末端裝配頭部斷開，并且被FES的靜觸點卡住，在FES工作過程中，動觸點后方的引線棒與緊固在FES靜觸頭內的前端裝配頭碰撞；引起了外部的金屬物質，爆炸到50221隔離開關B的相位移動的側盆處，導致了放電。

3 解決對策及建議

現場放電故障采取的對策，為了使電站電力設備能夠盡早地得到修復，經分析，由于該相隔離開關絕緣層支撐桿在組裝工藝試驗等階段存在瑕疵和安全隱患，故采用了在現場對事故中受損的零件進行了拆換：拆換SF6溶解物環境污染的母線槽有關元件（密封環、觸指、觸指架）；由于短路能力的影響，拆卸50416B相位絕緣切換器（動、靜觸頭、動側抗擾磁環）損壞燒蝕元件；觸頭座、絕緣層支撐棒和擋板、密封環等損壞部件）；嚴格按照制造GIS清潔處理過程中由于意外引起的環境問題，如容器內表面、電導體內外表面等，確保裝配部件清潔。完成各裝置的主回路電阻測量，隔離開關機械特性的精確測量，SF6制動器空氣室內的微水量測量；SF6氣體漏氣量檢查，二次接線檢查，主回路工作頻率耐壓（80%額定直流工作電壓）。

在使用和維修方面的對策：為了保證經過故障后，裝置能夠可靠地穩定運轉，該系統不會由于存在的安全問題而導致的設備故障斷電，并導致巨大的資產損失，因此在使用和維修時，應該提高GIS各個部件的氣室內操作數據，并進行安全監控和分析，重點是分析系統中的裝置是否有異常的放電噪聲現象、各氣室SF6工作壓力是否在正常范圍、各類電流電壓是否平衡，并利用GIS技術改善局部放電的均衡程度，如果有什么問題要及時進行分析，防止缺陷的擴大。造成短路故障影響到關鍵的安裝組裝過程的質量控制建議：加強對GIS生產過程各個環節的審核，嚴格控制各個生產過程的質量，改進產品質量，嚴格現場安裝調試GIS設備的儀器，嚴格按有關技術規范對設備進行逐一檢測，對任何細微的不正常細節予以充分重視。

除運用各類線上、線下測試裝置及時掌握GIS的操作狀況之外，還要強化裝置的組裝過程中各個環節的品質控制，使其在裝置投入使用之前消除缺陷和安全隱患，避免造成重大停電和財產的重大損害。

使用結果檢驗：根據上述方法進行各種測試，在使用過程中嚴密監測SF6各制動器的工作壓力是否正常，現場的設備運轉聲音是正常的，到目前為止沒有任何的異常和問題，設備的性能良好。

4 結論

GIS電氣裝置具有運行安全性高、維護保養工作量小、故障發生率低等優點，在電力行業得到廣泛應用，但是GIS系統一旦出現故障，其維修安裝工作量大、斷電時間長，嚴重危害廠站正常的供配電。因此，在GIS系統中，如何降低GIS的失效概率，以及在出現問題后，對其進行檢查是非常有必要的。本文對該電廠GIS隔離開關B相間的絕緣拉桿的放電問題進行了分析，提出了相應的改進意見和建議，從根本上消除了機械裝置的安全問題。對提高GIS絕緣斷路器運行的安全性有重要的指導作用，為同類電站提供參考和依據。