330 kV斷路器氣室防爆膜故障分析

王 飛，王生鵬，李佳其，王 瑞，茍方杰

(1.國網甘肅省電力公司蘭州供電公司，甘肅 蘭州 730000；2.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

GIS斷路器或罐式斷路器發生短路或接地故障時，若故障電弧持續時間較長，電弧能量將使故障氣室迅速升溫、氣室壓力急聚增加，導致設備外殼燒穿或某些薄弱環節爆破。因此，在設備內部故障相對多發處設置防爆膜，當壓力超過設定值時，防爆膜將引爆泄壓，從而保護設備殼體安全。下面以某330 kV GIS斷路器氣室防爆膜異常破損故障為例，通過出廠試驗及運輸、外觀檢查及爆破試驗等檢查確定防爆膜故障原因，并提出生產、安裝、運輸、運檢各環節的防范措施。

1 故障及檢查概況

該330 kV變電站于2017年4月投運，330 kV側為GIS設備，斷路器氣室額定壓力為0.60 MPa，每相均安裝反拱刻槽型帶夾持件防爆膜。防爆膜動作壓力為1.15 MPa (20 ℃)，爆破允差±5 %；各斷路器實際運行壓力為0.62 MPa左右(該壓力為密度繼電器顯示值，氣室內部實際壓力需結合溫度校驗曲線核定)。

2022-06-24T14：32：47，該變電站監控系統發出某330 kV GIS斷路器“氣壓低告警”信號，隨后又發出“第一組控制回路斷線”“第二組控制回路斷線”信號。

運維人員組織現場檢查，發現該斷路器A、C相SF6密度繼電器指示壓力為0.62 MPa，B相壓力指示為-0.04 MPa (溫度補償原因導致指示值低于0)，但設備尚處于正常運行狀態，三相電流為190 A，周圍環境無異常。之后，檢修人員使用紅外檢漏儀對該斷路器進行SF6檢漏，發現B相防爆膜處有SF6氣體泄漏，且該相防爆膜防外部破壞保護片存在變形，局部向外凸出。

設備停電后，對故障斷路器進一步檢查得知，B相防爆膜為2011年生產，型號為YC102-1.15-20，已呈凸型向外(原為反拱態，即凹型向斷路器內部)；十字刻槽處存在2處破損縫隙，第1條縫隙長約47.0 mm，最寬處2.0 mm，第2條縫隙長約14.0 mm，最寬處0.5 mm；檢查斷路器三相罐體內部均正常，無放電痕跡。后經現場排查，該站所有330 kV斷路器中，壓力最高的氣室顯示值為0.64 MPa。

此外，查詢當地氣象資料發現，故障發生當天，該站周邊天氣炎熱，最高溫度為37.5 ℃，而該地6月高溫日數和平均最高氣溫為1961年以來歷史同期最高。

2 故障分析

2.1 防爆膜特性分析

該站使用的防爆膜制造材質為金屬鎳(Ni 201)，材料性能受環境溫度影響較小，在-20～40 ℃溫度范圍內，其變化不影響防爆膜爆破壓力。因此，若防爆膜性能正常，故障當天環境溫度雖高，也不會導致其異常爆破。

2.2 出廠試驗及安裝檢查

查閱防爆膜出廠試驗記錄并經廠家專業人員確認，防爆膜在交付至用戶前共做了3次篩選試驗，第1次為產品成型后檢測，檢測壓力為1.00 MPa，合格產品經激光標記后進行下一次試驗，不合格的作廢；第2次為產品交付前檢測，檢測壓力為0.90 MPa，合格產品封裝，不合格的作廢；第3次為抽檢試驗，對第2次試驗合格產品抽樣3 %進行爆破試驗，爆破壓力為1.15 MPa，爆破試驗合格后將第2次試驗合格的產品交付用戶，即GIS設備廠家。在GIS設備組裝車間，防爆膜應經金屬法蘭盤均勻固定，并在其兩側安裝防破壞保護片后連同金屬法蘭盤一起通過螺栓連接至斷路器罐體，并隨GIS設備整體運輸至變電站。

設備在變電站完成整體安裝后，需對防爆膜處吸附劑進行更換。一般情況下，因防爆膜此時已完成保護性封裝，在兩側保護片良好的情況下，不再對其進行檢查。

2.3 外觀檢查及爆破試驗

2022-07-11，對4片防爆膜進行試驗檢測，分別選取該斷路器原A、C相2片，新更換同批次1片(故障發生后，新選取合格的4片防爆膜，其中3片安裝于故障斷路器)以及防爆膜廠家最新生產批次1片進行試驗。

1) 外觀檢查。對原故障B相防爆膜及4片送檢試品防爆膜表面劃痕、損傷程度進行外觀檢查，記錄損傷程度，分析外觀損傷程度與其防爆膜爆破值間的影響關系。檢查發現原B相防爆膜表面有2處劃痕、1處較輕凹陷；原C相防爆膜表面有1處劃痕、1處輕微凹陷；其他3片被試品外觀良好。

2) 爆破試驗。試驗爆破裝置為抽檢爆破專用夾持器工裝，采用壓力機、金屬法蘭、螺紋將防爆膜夾緊，以空氣為介質對防爆膜進行加壓，觀察氣壓表爆破壓力值。試驗過程中，要求在不少于30 s內將壓力上升至最小爆破壓力值的90 %，并在保壓5 s及更長時間后，再連續增加壓力至防爆膜破裂，記錄爆破壓力值。對送檢的4片防爆膜進行爆破試驗，爆破壓力值為(1.15+0.02) MPa (正常爆破值范圍1.1～1.2 MPa)，試驗數據合格，被試品不存在質量問題。防爆膜爆破試驗數據見表1，爆破后的形態為符合要求的四瓣全開狀態。

表1 防爆膜爆破試驗數據

3 故障原因分析

通過上述試驗、檢查和分析判斷，防爆膜固有性能不受環境溫度影響，變電站目前使用的防爆膜在出廠前進行了嚴格的試驗，不存在批次性質量問題，本次異常破損屬于偶發事件；通過送檢試驗結果判斷，輕微劃痕、輕微凹陷并不影響防爆膜爆破性能，故判斷故障原因如下。

1) 防爆膜在裝配過程中，由于掉落、擠壓、磕碰等因素引起防爆膜非輕微受損，造成其防爆性能下降。

2) 防爆膜在固定至金屬法蘭盤時，螺栓未按工藝要求采取對角依次緊固的方法，使得防爆膜各部位受力不均、互相擠壓、緩慢變形，承壓能力降低。

結合原C相防爆膜爆破試驗，判斷故障原因為后者的可能性較大。故障當天，變電站周邊高溫天氣綜合強度前所未有，該斷路器為室外GIS設備，氣室罐體全天受陽光照射，罐體表面溫度達50 ℃以上，以密度繼電器顯示的氣室壓力0.63 MPa結合密度繼電器溫度補償曲線，判斷氣室內部實際壓力在0.68 MPa (只考慮環溫37.5 ℃)至0.72 MPa (考慮罐體溫度50 ℃)之間，甚至更高，該實際壓力與已受損的防爆膜爆破壓力相一致，最終引發防爆膜動作。

4 防范措施

1) 進一步規范防爆膜在車間安裝、設備運檢等過程中的管控，提高人員責任心，對掉落、摔擊、磕碰等因素引起防爆膜受損的，應放棄使用或再次試驗合格后使用。防爆膜在固定至金屬法蘭盤的過程中，螺栓應采取對角依次逐步緊固的方法，各螺栓緊固程度應一致并嚴格按照標準進行。

2) 緊密結合SF6密度繼電器溫度補償性能、殼體防爆性能、防爆膜使用壽命及爆破動作性能等情況，制定氣室表計壓力與溫度的關系曲線，以規范不同溫度下充氣上限，提升防爆膜使用壽命。

3) 加強氣溫劇烈變化時SF6氣體設備的巡視，及時掌握設備運行狀態，避免出現因溫度劇變導致的設備SF6氣體壓力驟變而影響設備安全穩定運行的情況。密切關注設備氣室壓力，對氣室壓力偏高的設備氣室進行SF6回收，防止設備長時間高壓運行的現象。

4) 對在運設備防爆膜信息進行排查統計，收集各氣室防爆膜信息，對爆破壓力較小的防爆膜，應建立臺賬，加強跟蹤，確保防爆膜與設備氣室相匹配，對不匹配的應進行更換。

5) 密切關注防爆膜受外界環境氧化腐蝕情況，存在腐蝕的防爆膜，應停電更換，停電困難的應在其表面噴保護膜或油脂，以防腐蝕進一步發展。

6) 應儲備同型號防爆膜備品，以防患于未然。該站已儲備3只同型的防爆膜作為備品。

5 結束語

防爆膜作為電力設備故障情況下的重要保護組件，將伴隨設備整個使用周期，因此，在生產、安裝、運輸、運檢等各環節，應加強維護管控，提高人員責任心，嚴防設計參數選擇不當、安裝方式不當、外力破壞、氧化腐蝕等因素導致防爆膜爆破性能降低情況的發生。