核电厂气体绝缘金属封闭输电线路故障原因分析及解决措施

李 静，吕 杰，沈恒毅，徐永永

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)



核电厂气体绝缘金属封闭输电线路故障原因分析及解决措施

李 静，吕 杰，沈恒毅，徐永永

(中广核工程有限公司，广东 深圳 518124)

通过对国内某核电厂气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)故障过程的分析，逐步定位出故障的起始点，确定出故障的根本原因。针对本次故障的起始点三支柱绝缘子，提出了缺陷排查的补充检测手段超声波局放试验和定期SF6气体成分分析试验，可对核电厂后续的安装调试及运行管理提供借鉴。

GIL；核电厂；故障；原因分析；绝缘子

气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)具有传输容量大、占地少、可靠性高、适用于恶劣环境等特点， 在国内核电工程及部分水电、火电工程中得到较广泛应用。GIL设备通过出厂试验及现场交接试验后能在很大程度上保证设备的安全运行状态，同时辅以一些状态监控措施，如定期湿度监视、气体密度监视可基本确保系统的高效运行状态[1-2]。但投入运行的GIL仍有故障情况。通过对某核电厂GIL输电线路故障进行分析，指出出厂试验和现场交接试验的局限性，针对GIL设备中的最薄弱部件，提出了不同阶段排查绝缘子缺陷的补充检测手段，对核电厂后续的安装调试及运行管理提供借鉴。

1 设备概况及故障情况

1.1 设备概况

核电站GIL输电线路电压等级为500 kV，装设在主变高压侧与500 kV GIS开关站之间，布置在地下廊道中，是核电站500 kV电源输送的唯一途径。GIL输电线路由三条并联的离相管道母线组成，输电导体与外壳为同心结构。输电回路的每一相均由接地合金铝外壳和内置管状合金铝导体组成，导体支架为实心绝缘子，管壳内充填SF6气体。GIL全长约300 m(单台机组，单相)，由气割绝缘子分割为两个气室，每个气室由直管段母线和弯管段母线组成，每段母线设置1～3个三支柱绝缘子。其中，4号机组GIL设备于2011年9月完成出厂试验，2013年9月完成安装交接试验，试验合格，并于2014年6月首次送电成功。

1.2 故障情况介绍

2014年12月05日19：06：28，4号主变5041断路器跳闸，4号主变失电，故障时间为70 ms，3个半周波。经检查A相故障电流约为26 kA (有效值)，GIL输电线路A相402气室SF6气体分解物SO2为33.5 μL/L，没有检测出其他分解物； SF6气体含水量为593 μL/L(环境温度为-3～0℃)。现场检查了402气室的外观，未发现损伤、变形、烧蚀现象，无法确定故障点，最后决定对GIL 402气室整段进行解体查找故障点。解体至靠近A相主变第4根GIL母线时发现其内部第1个三支柱绝缘子处发生了严重的击穿放电现象。对GIL故障段解体检查发现：故障绝缘子的上部支撑完全断裂，与导电杆连接的断裂面为白色，没有电弧灼伤痕迹；在上部支撑与微粒捕捉器的连接处有黑的灼伤痕迹，连接处弹簧烧断，绝缘子低电位侧碎块均被放电产生的热量及电弧熏黑，该绝缘子靠变压器侧0.5 m处的导电杆有电弧灼伤痕迹，如图1所示。另外，在绝缘子上部支撑附近的外壳上发现有凹坑；经测量，凹坑深度最深处约为2 mm。GIL故障图如图1所示。

图1 GIL故障图

2 故障原因分析

2.1 原因排查

在GIS及GIL输电管道中，常见的故障原因分为外部因素和内部缺陷。经核查，事故发生时天气晴好，变电站周边没有雷电活动，系统无任何倒闸操作，可排除过电压这一外部因素。GIS/GIL内部常见的缺陷(见图2)包括：固体绝缘子内部的缺陷，如气泡、间隙和裂纹；导体接触不良和松动引起的悬浮放电；残留自由导电微粒，如金属碎屑或金属颗粒；导体表面存在突起物，如毛刺、尖角等；内部含水量超标，引起水分在绝缘子表面结露，造成绝缘子表面闪络击穿等。

图2 GIS/GIL内部典型缺陷示意图[3]

(1)根据该GIL设备的设计结构，导体采用弹簧压触设计的插接组件，连接紧凑牢固，插接组件的径向移动允差通常情况下为+38 mm，不易产生导体接触不良和松动。

(2)根据该GIL设备的设计原理，GIL设备在每个支撑绝缘子的下部都安装有“微粒陷阱”装置。当GIL内部存在金属微粒时，金属微粒在电场的作用下，微粒移动到支撑绝缘子周围，微粒会掉入“微粒陷阱”内。 “微粒陷阱”内部处于低电位，金属微粒不再跳出陷阱，从而能够保证支撑绝缘子的绝缘性能。

(3)根据GIL解体来看，导体表面光洁，加工精致；从故障电流达到26 kA来看，导体表面的毛刺、划痕引起的击穿很难造成这么严重的击穿现象。

(4)故障发生后，测量GIL故障段的SF6气体含水量为593 μL/L，超过电力行业标准要求的SF6气体湿度允许标准，如表1所示。GIL水分含量偏高，在温度下降时，则可能凝结成水附着在绝缘子表面，极易在绝缘子表面引起沿面放电。但由于故障发生时，环境温度已是-3～0℃不会产生结露而会结霜。如果出现结霜，绝缘子表面的结霜对绝缘子闪络特性影响不大。

表1 SF6气体湿度允许标准1)

注：1)测量时周围空气温度为20℃，大气压力为101 325 Pa；2)若采用括号内数值，应得到制造厂认可。

因此，根据上述一系列原因排查，支撑绝缘子存在内部缺陷的可能性较大。

2.2 故障发生过程推导

将故障绝缘子及绝缘子碎块返运工厂进行了拼接复原，如图3所示。通过将绝缘子碎片进行重新拼接，由此找出电弧路径，并推断电弧初始点位置。

图3 GIL绝缘子工厂复原图片

(1)根据绝缘子炸裂痕迹可推断故障发生在靠近绝缘子表面。绝缘子上只发现一处清晰的电弧痕迹，意味着在发生第一次故障后再未发生另外的电弧放电。

(2)根据导体检查可推断在26 kA，70 ms(3.5个周期)的情况下电弧的放电路径，电弧初始点在三支柱绝缘子上，在3.5个周期的过程中移动到故障绝缘子右侧，如图4所示。

(3)查看绝缘子根部和导体连接处的碎片，基本比较完整，也没有电弧痕迹，说明故障并未发生在绝缘子根部和绝缘子套的连接处，进一步检查导体上电弧打到的区域发现导电杆没有变形。如果在环氧树脂绝缘子和导体的连接处(此处为绝缘子缺陷易发生处)产生电弧时，此处产生初始电弧会导致压力增大继而产生一个小的凹口。但是进一步检查导电杆并未发现明显凹陷。

图4 故障段导体图片

由此，分析故障起始点应是靠近外壳的绝缘子处(低电位处)有微小的裂纹，经过不断的放电累积，导致绝缘子被击穿。

2.3 故障分析

通过查看GIL故障母线段的出厂试验和交接试验记录发现，耐压试验在出厂和交接试验均合格，出厂局放试验值为0.13Pc。设备在现场安装对接后，因试验条件不允许，未进行局放试验，试验记录见表2。GB50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》第14章SF6封闭式组合电器中未对局放试验做出硬性要求。

表2 出厂试验和交接试验记录表

考察以往项目情况，故障GIL绝缘子的材料为脆性较高的环氧树脂材料，在核电前期项目曾出现过几例因运输吊装等磕碰导致的绝缘子损坏或破裂的情况。另外，在进行母线检查时发现，绝缘子上部支撑附近的外壳上有凹坑；经测量，凹坑深度最深处约为2 mm。

综合上述分析认为，设备很可能在设备出厂后到现场安装对接完成前因外力冲击使三支柱绝缘子低电位侧产生裂纹，因裂纹微小，现场工频耐压试验得以通过。送电后在高电场的作用下，裂纹逐渐扩大，造成局部电场畸变，局部放电加剧，绝缘性能下降。当这种现象扩大到一定程度时，造成导体对地放电。在短路电弧的烧灼下支撑绝缘子放电炸碎。

3 解决措施

由于本次GIL故障是在出厂试验、交接试验通过且设备运行半年后发生，故障发生起始位置为GIL绝缘子，因此如何在设备安装对接前、现场交接试验时或者设备运行过程中通过检测手段及早发现绝缘子缺陷是后续措施制定的关键。

(1)加强过程控制，增加绝缘子外观检查。对设备的运输单元加装冲击记录仪，以便发现运输过程中可能出现的各种机械冲击；对绝缘子装配位置使用色带标注，到场后对母线外壳进行外观检查，对色带标注区域进行重点检查；使用微型高清摄像机或内窥设备对母线管道内的绝缘子进行外观检查，均是在设备安装对接前有效避免或及早发现绝缘子缺陷的有效手段。

(2)在耐压试验过程中增加超声波局放试验。一般认为，交流耐压试验是发现GIL或GIS安装或制造过程中出现的错误、内部残留杂质微粒等异物、绝缘受潮或脏污、运输或安装过程使内部零件发生位移等导致的电场异常情况的非常重要的检测方法[4]。但不加局部放电的交流耐压试验在检查绝缘子上的裂缝和颗粒以及固定在带电部分的突出物、悬浮部件等方面效果不明显。受核电厂现场试验条件所限，IEC 60270标准认可的脉冲电流法检测局部放电无法实现， 因此，采用将超声波局部放电检测与交流耐压试验相结合的办法是一种弥补交流耐压试验排查不足的可行性方法[5]。但因超声波局放检测暂无国内国际标准判据，此方法不宜作为设备验收判别的依据，建议仅为后续运行提供参考。

(3)定期SF6气体成分分析及比对。耐压试验后的设备运行期间，存在缺陷的SF6电气设备会因较强的局部放电及设备异常发热产生大量分解物，从而设备内部的SF6分解产物浓度会随着设备缺陷的恶化而增加[6]。因此，在耐压试验后及设备运行期间，定期进行SF6气体成分分析和比对，可有效发现GIL设备中存在的缺陷。当检测发现故障气体(SO2、SOF2、H2S、HF 等)含量有上升趋势时，应安排断电进一步检测气体成分来源。

4 结语

通过对GIL输电线路故障过程的详细分析，逐步定位出故障的起始点，确定出故障的根本原因。针对本次故障的起始点三支柱绝缘子，提出了缺陷排查的补充检测手段：超声波局放试验和定期SF6气体成分分析试验。但目前这两种检测方法对于运行中GIL设备缺陷的判断尚缺乏相关标准和依据，后续的研究方向可考虑根据其可能的缺陷类型进行相应的模拟试验，对试验数据进行统计分析并结合设备不同运行工况，提出不同缺陷与试验数据之间的对应关系，从而指导运行中GIL 设备的状态评估和故障诊断。

[1]宋邦申．浅谈气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)的发展趋势[J]．电器工业， 2010(3)：51-53．

SONG Bang-shen. A Brief Analysis of the development trend of Gas Insulated Transmission Line[J]. China Electrical Equipment Industry， 2010(3): 51-53.

[2]杜宝瑞．气体绝缘输电线路技术在核电工程的应用[J]． 山东电力技术， 2012(6)： 47-50．

DU Bao-rui．Application of Gas Insulated Transmission Line in Nuclear Power Plant[J]. Shandong Electric Power， 2012(6): 47-50.

[3]汤何美子．基于特高频法的GIS局部放电典型缺陷类型放电特性的研究[D]．济南：山东大学，2013．

[4]沈宏强，葛占雨． GIS交流耐压试验及其对发现内部异常情况的作用[J]．安装， 2013(S1)：62-64．

[5]贾志杰，陈少卿，陈洪波，等．超声波局部放电检测在GIS耐压试验的应用[J]．中国电力， 2013，46(12)：29-32．

JIA Shi-jie, CHEN Shao-qin, CHEN Hong-bo, et al. Application of Ultrasonic Partial Discharge Detection in GIS Withstand Voltage Test[J]. Electric Power 2013, 46(12): 29-32.

[6]季严松，王承玉，杨 韧，等．SF6气体分解产物检测技术及其在GIS设备故障诊断中的应用[J]．高压电器， 2011，47(2)：100-103．

JI Yan-song, WANG Cheng-yu, YANG Ren. Measuring Technique of SF6 Decomposition Products and Its Application to Fault Diagnosis of GIS[J]. High Voltage Apparatus， 2011, 47(2): 100-103.

(本文编辑：赵艳粉)

Fault Analysis and Solutions for Gas Insulated Metal-Enclosed Transmission Line in Nuclear Power Plant

LI Jing, LV Jie, SHEN Heng-yi, XU Yong-yong

(Shenzhen China Nuclear Power Engineering Co., Ltd., Shenzhen 518124, China)

This paper analyzes (GIL) the fault process of a gas insulated metal-enclosed transmission line in a domestic nuclear power plant, gradually locates the starting point of the fault, determines the root cause of the fault. As for the starting point, the three-pillar insulator, it supplements the defect screening detection means, including ultrasonic partial discharge test and SF6gas composition analysis test. This research can provide reference for the follow-up installation and debugging and operation management of nuclear power plants.

GIL; nuclear power plant; fault; cause analysis; insulator

10.11973/dlyny201506030

李 静(1980)，女，工程师，硕士，从事核电厂电气设备采购技术支持和合同执行技术管理工作。

TM621

A

2095-1256(2015)06-0876-04

2015-08-14