GIS 典型故障案例原因分析及可靠性提升

趙 平，李金獅

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山）

引言

氣體絕緣金屬封閉開關（GIS）是將斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、避雷以及母線等多種元件組合在一起的開關設備[1]，承擔著電力系統負荷控制、安全保護的重任，其可靠性關系到電網的安全和供電的質量[2]。隨著電網運行管理水平的提升，對GIS 的可靠性要求日益提高，少維護和無維護的呼聲與日俱增[3]。本研究對GIS 設備在研發、制造和運行中出現的幾起故障進行分析，總結了故障原因和設計經驗，希望能夠為初學者提供幫助。

1 典型故障原因分析及結構改進

1.1 屏蔽罩設計不良引發的絕緣支撐筒放電閃絡

1.1.1 故障情況

2021 年某型號GIS 出廠試驗中，共發生三次斷路器絕緣支撐筒內壁沿面放電，放電通道貫穿整個絕緣筒，見圖1。

圖1 絕緣支撐筒沿面放電

1.1.2 原因分析

絕緣支撐筒兩端設有金屬嵌件，一端與外屏蔽和內屏蔽連接，運行時承受高電壓，另一端固定在安裝板上，運行時接地，外屏蔽、內屏蔽、絕緣筒高壓嵌件、絕緣拉桿嵌件以及絕緣件沿面的電場強度互相影響[4]，設計結構見圖2。

圖2 產品結構

對放電的斷路器進行解體檢查，斷路器內部潔凈，無灰塵、金屬屑等異物。絕緣筒表面光滑，無明顯制造缺陷，X 射線探傷無異常，絕緣筒端部內、外金屬屏蔽無毛刺。內屏蔽固定螺栓表面有輕微放電痕跡，放電原因可能是屏蔽罩處螺栓表面場強較大引起的放電。建立放電部位的電場仿真模型，內外屏蔽、高壓側金屬嵌件和螺栓施加1 050 kV 電壓，安裝板和低壓側金屬嵌件施加0 電位[4]。計算結果顯示螺栓電場強度為2.7 kV/mm，但螺栓處在高壓屏蔽、環氧樹脂和SF6 氣體形成的三交區內，對表面光潔度要求較為苛刻[5]，用扳手緊固時很容易受擠壓局部凸起，造成電場的畸變，導致放電的發生。

1.1.3 結構改進

優化絕緣筒內屏蔽、外屏蔽和絕緣筒金屬嵌件的配合尺寸，改進前后尺寸對比見圖3。

圖3 改進前后尺寸對比

改進前后電場強度對比見表1，螺栓表面場強有明顯降低，改進后的產品質量穩定，出廠試驗未發生絕緣筒放電現象。

表1 改進前后電場強度對比

1.2 屏蔽罩毛刺引發的斷路器開斷失敗

1.2.1 故障情況

某型號252 kV GIS 斷路器在T100a 長燃弧開斷試驗中，電弧開斷6 ms 后出現了對地電流，對地電流持續8 ms 后絕緣恢復，異常波形見圖4。

圖4 T100a 長燃弧開斷錄波

1.2.2 原因分析

解體檢查發現斷路器靜端屏蔽罩氣流孔和外殼之間有放電痕跡，見圖5（a）和圖5（b），部分氣流孔邊緣存在毛刺。

圖5 斷路器屏蔽罩對地放電痕跡

斷路器設計結構見圖6，開斷短路電流時，電弧在大噴口內部的動弧觸頭和靜弧觸頭之間燃燒，產生的熱量一部分隨著氣流吹向靜弧觸頭側，一部分順著金屬拉桿內孔流至屏蔽罩內部，再由屏蔽罩氣流孔吹向外殼。T100a 長燃弧開斷時產生的熱量較多[6]，熱氣流速度大，氣流區域絕緣能力降低，加上氣流孔周邊毛刺造成的電場畸變[7-8]，導致屏蔽罩與外殼之間絕緣不能承受開斷時的恢復電壓而發生放電[9]。將屏蔽罩氣流孔打磨光滑后試驗順利通過。

圖6 斷路器結構及放電通道示意

1.3 隔離開關內部懸浮電位造成的放電故障

1.3.1 故障情況

某型號GIS 通過耐壓試驗，送電運行后，母線隔離開關內部出現“吱吱”的異常響聲，隨即停電對隔離開關進行解體檢查，發現隔離開關傳動絕緣子接地側金屬嵌件內部有黑色粉末，見圖7，其余部位無異常。

圖7 傳動絕緣子金屬嵌件處黑色粉末

1.3.2 原因分析

隔離開關傳動結構見圖8，操動機構通過齒輪帶動傳動軸轉動，三個傳動絕緣子與傳動軸同軸連接，帶動三相動觸頭運動，實現分合閘操作。產品運行時，A、B、C 三相帶電，傳動絕緣子1 右側承受63.5 kV 運行電壓，左側接地。

圖8 隔離開關傳動結構

隔離開關解體后對傳動軸、傳動絕緣子進行尺寸測量，傳動絕緣子金屬嵌件方孔圖紙要求尺寸為24.2～24.25 mm 之間，實測尺寸為24.95 mm，超出了公差范圍，傳動軸尺寸合格。因傳動絕緣子嵌件方孔超差，導致傳動軸與傳動絕緣子間的存在較大間隙，傳動絕緣子的活動空間增大。帶負荷運行后，傳動絕緣子在電動力的作用下振動，發出異響。在振動的同時絕緣子嵌件在某一時刻處于懸浮狀態，導致嵌件產生感應電壓對傳動軸放電[10]，在振動摩擦和SF6 分解共同的作用下產生黑色粉末。

1.3.3 結構改進

傳動軸與傳動絕緣子之間增加彈簧，改進后結構見圖9，確保金屬嵌件與傳動軸可靠接觸，消除懸浮電位。

圖9 改進后結構

2 預防措施

2.1 設計環節

設計環節應全面梳理電網公司的各種反措條款，結合GIS 各種嚴苛使用工況，在結構設計上考慮應對措施。建立計算機有限元模型，進行絕緣、機械、熱傳導、固有頻率和其他工況仿真分析，做到既滿足設計需求，又無設計冗余[11]。

2.2 驗證環節

型式試驗是產品得到認可的必要條件，雖然試驗條件非常苛刻，但其樣本較少。本著對產品進行試驗-改進- 再試驗的思路，工程應用之前，對產品進行小批量的穩定性驗證，充分暴露產品潛在的不可靠因素。

2.3 制造環節

從原材料采購到零件加工、入庫檢查、裝配、調試、出廠試驗等全過程加強質量監督，制造過程的每一步必須按照質量體系標準和工藝、技術文件執行，嚴格把好質量檢查的關卡。

結束語

通過對絕緣裕度不足導致絕緣筒沿面放電、屏蔽罩表面質量不良導致T100a 開斷失敗、零部件尺寸超差導致懸浮放電、母線共振產生異響四起故障現象的原因進行分析，給出了解決措施。提高GIS 設備的可靠性，降低故障風險，應從設計環節提高設計的合理性，在驗證環節進行充分的可靠性驗證，在制造環節加嚴質量檢查控制。