三相电流不平衡对GIS设备的影响及故障原因分析

/国网宁夏电力公司检修公司 祁迎宾 高海洋 史磊/

三相电流不平衡对GIS设备的影响及故障原因分析

/国网宁夏电力公司检修公司 祁迎宾 高海洋 史磊/

近年来，GIS以其较高的安全可靠性在换流站中得到越来越广泛的应用。与此同时，因GIS设备故障导致的事故也给换流站的安全稳定运行带来极大威胁，使得对其进行早期故障排查显得更加重要。本文以天山、江陵、复龙三个换流站为例，从交流电流入手，详细介绍了如何通过交流电流的变化发现GIS早期故障，并从中总结出一套实用性较强的处理方法，同时对存在的问题提出了优化改进建议，以期对以后相同故障的处理、验收以及通过GIS电流三相不平衡发现GIS设备隐患具有指导意义。

GIS；交流电流；早期故障

0 引言

GIS，即六氟化硫气体绝缘组合电器装置（SF6Gas insulated Switchgear），其将断路器、隔离开关、接地刀闸、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线等经优化设计组合成一个整体，能够实现自动控制，操作简单，维护方便。与传统分散元件式开关装置相比，具有很多新的特点：体积小、可靠性高、安全性能好、安装周期短、维护方便及检修周期长。但由于安装工艺欠佳、部分设备部件不合格、设备老化等原因GIS也先后出现过一些故障，严重影响设备的安全运行以及电网的稳定，但通过对故障分析研究发现GIS故障大多会对流过其的三相电流产生一定影响。因此，通过分析GIS故障对交流电流的影响可以及时发现GIS早期故障，若能及时采取正确有效的处理措施，可以避免故障的扩大，对电网的安全稳定运行具有非常重要的意义。

1 GIS设备介绍

以特高压±800kV天山换流站为例，天山站500kV交流场采用GIS设备，单相布置，主要设备包括断路器、隔离开关、接地刀闸、电流互感器、主母线、分支母线、套管、电压互感器、就地控制柜等，实际布置如图1所示。

图1 天山站GIS设备实际布置图

图2 断路器外形图

GIS断路器采用双端口结构，如图2所示，配用液压弹簧操动机构，可以满足滤波器大组回路容性电流1300A的要求。断路器开断结构包括绝缘支座、静触头、动触头、拉杆等，拉杆是动触头动作的最直接的部件，在断路器分合闸时拉杆带动灭弧装置里整个可动部件运动，实现分合闸。断路器绝缘结构包括对地绝缘、断口间的绝缘和相间绝缘，断路器本体罐体结构如图3所示。

图3 断路器本体罐体结构图

隔离开关可分别组合进一台或两台接地刀闸，使GIS布置时更加紧凑、灵活。同时，隔离开关、接地刀闸还配有电动机构，可三相机械联动，也可单相操动；出线套管的作用是供架空线与GIS连接使用，结构包括接线板、导电杆、屏蔽环、连接筒、静触头、接头、绝缘子等；母线采用分相式结构，铝制壳体，触头采用螺旋弹簧和触指栅，接头采用插拔式结构，可实现壳体与导体整体运输，并采用滑动连接件，使拆装检修更加方便，导体采用高电导率铝材，通过导电连接件与GIS其他元件连通，满足不同的主接线方式来汇集分配传送电能。

电压互感器可以把高电压按比例关系变换成100V或更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置使用。同时，使用电压互感器可以将高电压与电气工作人员隔离。其结构包括保护盖板、静触头、绝缘子、接地端子等；电流互感器将数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途，电压互感结构和原理分别见图4和图5。

2 交流电流对GIS设备的影响及电流不平衡判断

GIS故障会直接或间接对交流电流产生影响，直接影响一般为CT测量故障，即CT某相二次绕组断线造成三相电流测量值不同。

GIS电流三相不平衡指GIS串内三相电流在幅值上不同或其相位差不是120度，亦或兼而有之，常见为三相电流幅值相差较大。以天山站为例，天山站可以通过OWS相应界面对GIS运行电流进行实时监视，当GIS不平衡电流大于内部软件预设值时，发出报警信号提示运行人员注意。

图4 电压互感器结构图

图5 电压互感器原理图

软件通过对GIS三相电流的采集计算，判断出三相电流大小的中间值，即IM=（IA+IB+IC）-（IMAX+IMIN），再将中间值分别与每相电流相减，所得结果的绝对值若大于某一定值，则发出报警。

以500kV第一串T1 A相为例，由流过T1三相的电流测量值IA、IB、IC及三相电流最大值IMAX、最小值IMIN可计算出不平衡电流为、|IM-（IA+IB+IC）-（IMAX+IMIN）|，将不平衡电流的绝对值分别与软件设定值I_CT1_DIFF和I_CT1_HYST进行比较，当差值大于I_CT1_DIFF时，经200ms展宽、200ms延时后监视系统发“交流小室电流WA.W1 A相CT故障”报警，当差值小于等于I_CT1_HYST时，不发报警。

如图6所示，I_CT1_DIFF为定值I_CT1_RFF （250）与三相电流中间值二者取最大乘以系数0.06，I_CT1_DIFF为定值I_CT1_RFF（250）与中间值二者取最大乘以系数0.01。

图6 定值计算软件逻辑图

通过了解GIS不平衡电流的算法以及对监盘界面进行实时监视，可以在早期发现GIS存在电流不平衡现象，对发现GIS早期故障具有针对性的指导意义。

3 故障原因分析

GIS早期故障包括绝缘拉杆故障，内部松动故障及CT故障等，当绝缘拉杆上有附着物、受到外力作用产生裂纹或受潮时，都会导致放电故障的产生；内部松动故障会导致接触不良，接触不良的部位有母线连接处、盆式绝缘子连接处等，该故障通常会使回路电阻变大引起电流不平衡及局部过热、放电等现象，造成盆式绝缘子击穿等；CT故障主要为CT及二次回路故障，CT仪表故障或二次回路断线，此类故障都会影响GIS设备电流的平衡。

通过对GIS运行设备三相电流的监视可以极早的发现GIS设备的早期故障，通过分析处理防止GIS设备故障的扩大及进一步损坏。

3.1 伸缩节过热导致电流不平衡

（1）故障现象

2014年4月2日，如图7所示，天山站运维人员通过监盘对GIS设备的不平衡电流进0行计算发现500kV GIS第三串5031断路器C相电流比A、B两相小115A，5032和5033断路器C相电流比A、B两相高115A左右，且第一串、第二串和第四串C相与A、B相相差约40A左右，但是第五至八串电流基本平衡，相差在10A以内，从各串C相电流偏差值来看，初步判断GIS设备故障存在于第三串，而具体故障位置需进一步进行分析及验证。

（2）故障分析及位置判断

从各串电流来看，初步判断故障存在于第三串，从GIS的构件进行分析，一次设备故障及二次设备故障均有可能导致GIS电流不平衡运行，但二次设备故障处理较为简洁，所以首先对GIS的二次设备及回路进行检查。如果电流不平衡故障是由于二次设备或回路故障引起，则可排除GIS设备本体存在故障隐患，所以在故障发现之初，首先对第三串各个断路器的CT不同绕组使用钳形表进行了测量，发现GIS不同绕组测量值与后台显示基本一致，因此可以排除CT和二次回路的故障；因1-4串均出现电流不平衡现象，判断回路电阻异常的可能性较大。

图7 500kV GIS 断路器各相电流

如图8所示，第一串#2主变和第二串#1主变为电源侧，故两串的电流流向分别为以501167地刀处和502367地刀处为分界点流向两侧，两路电流再经503167地刀处流向负荷侧（极1高端换流变811B）。通过电流不平衡趋势发现，上侧电流（I1）C相（黄色）全部偏小，下侧电流（I2）C相（蓝色）全部偏大。说明当电源相同，负荷相同的情况下，电源侧由黄色区域流向负荷侧的电阻比电源侧由蓝色区域流向负荷侧的接触电阻大，初步判断故障点存在于5011开关经#1M至5031开关负荷侧或5022、5021开关经#1M至5031开关负荷侧，即图9中黄色线路区域。

图8 母线电流流向图

为了进一步确定故障范围，可采用假设法对故障范围进行分析及排除。假设某一范围内接触电阻增大，则相关串开关电流将出现不平衡，通过判断故障后的电流不平衡情况是否符合本次故障现象，即可确定故障范围，具体排除过程如下。

1）若5011开关至#1M母线之间接触电阻增大：第一串5011开关电流将存在不平衡，但是第二串5021开关则不会存在不平衡，则排除此范围。

2）若5022开关至#1M母线之间接触电阻增大：第二串5021和5022开关电流将存在不平衡，但是第一串5011开关则不会存在不平衡，则排除此范围。

3）若5031开关至#1M母线至之间接触电阻增大：第一串5011开关、第二串5021和5022开关、第三串5031开关均会存在电流不平衡现象，但是第四串5041开关则不会存在不平衡电流，则排除此范围；同理可以排除第五至八串。

4）若#1M母线靠第二串侧至靠第三串侧范围内接触电阻增大：第一串5011开关、第二串5021和5022开关、第三串5031开关、第四串5041开关、第五至八串变开关均会存在不平衡电流，但是由于第五至八串距离越来越远，前面部分的接触电阻增大对后面四串的影响则越来越小、越来越不明显，完全符合本次故障现象，对第三串电流不平衡影响最大（115A左右），然后对第四串电流不平衡影响逐步减小（40A左右），第五至八串为（10A以内），故，此确认此范围为故障检查重点。

为了防止由于伸缩节松动引起母线内部接触不良导致接触电阻增大，检查#1M母线第二串至第三串之间的伸缩节长度。厂家设计标准应该在68cm至73cm之间，实际测量为68cm，符合要求，并联系新疆电科院带电检测技术人进行超高频局部放电和超高频局部放电测试，未发现放电迹象，后利用红外测温仪进行温度测试，发现GIS I母C相靠近第二串附近的伸缩节存在过热现象，伸缩节外部连接铜排最高温度达到253℃，故判定故障原因为伸缩节过热导致接触电阻增大，从而导致C相电流不平衡。

3.2 盆式绝缘子接触不良导致电流不平衡

（1）故障现象

某年5月22～23日复龙换流站500kV交流GIS串内出现CT三相电流不平衡情况，对第三串、第四串测控主机ACC3、ACC4电流回路进行检测，确认第三串、第四串A、B相电流正常，C相电流不平衡，与OWS后台显示一致。初步判断故障范围在第三串、第四串内（如图9所示），具体故障位置需要进一步检查分析。详细数据见表1。

表1 不平衡电流详细数据

图9 复龙站GIS第三串及第四串回路图

（2）故障分析及位置判断

首先对二次设备及回路进行检查，对初步怀疑故障串的CT不同绕组使用钳形表进行了测量，发现不同二次绕组与后台显示电流值基本一致，排除了CT单一绕组故障的可能。为了进一步排除CT及二次回路的故障，对CT进行了电压比试验，回路电阻及绝缘电阻测试，发现CT电压比正确，回路电阻及绝缘电阻合格，因此可以排除CT和二次回路的故障。故此次故障可能出现在通流回路接触电阻增大。使用内窥镜检查第三串、第四串刀闸、地刀实际位置均正常且内部无异常。

由于故障原因为通流回路接触电阻增大，而具体故障位置仍未查明，为了确定具体故障位置，对故障开关进行回路电阻测试。

首先对三相电流偏差较大的5131及5143开关进行检查，将5131开关转至检修状态，进行回路电阻测试，发现回路电阻正常，同时在监视电流变化时，发现拉开5131开关后，第三串其余CT测量值处于平衡状态。而第四串T6不平衡程度增大，具体见表2。

表2 不平衡电流详细数据

5131开关试验完毕后，对5131开关恢复运行，将5143开关转至检修状态，在拉开5143开关时，同时监视电流变化，发现第三串及第四串电流不平衡状态消失，具体见表3。随后对5143开关进行回路电阻测试，检查结果显示5143开关C相回路电阻异常，在低电压下回路保持开路，证明导致此次故障的具体位置为5143开关间隔。

表3 不平衡电流详细数据

对5143开关间隔进行红外测温，测温结果显示第四串5143断路器靠T6侧盆式绝缘子侧温度比其他部位高4℃左右，而且盆式绝缘子一圈的温度都是26.3℃较为均衡，认为发热异常是由于此处接触不良造成，初步判断异常点位于断路器5143内靠T6侧盆式绝缘子连接处。

对5143断路器C相开盖检查发现，有螺栓发热变色的痕迹。说明盆式绝缘子连接处螺栓紧固力矩不足，投入运行后长时间承受重力使螺栓松动，导致该部位接触不良，最终使电阻变大造成三相电流不平衡。

3.3 母线处可拆卸单元接触不良导致电流不平衡

（1）故障现象

2014年3月9日，江陵换流站极II调试时，当极II负荷升到750MW后，发现流过第八串CT的T6的电流存在不平衡现象，B相电流相对于A、C两相很小，且T1、T3的B相电流远大于A、C相电流，处于不对称运行状态。发现不平衡故障后，即将负荷降至150MW时，同时监视电流变化，发现三相电流又趋于平衡，负荷变化导致第八串T6三相电流变化见表4。针对以上所观察到的现象，第八串电流的不平衡程度与所带负荷有关，初步分析认为第八串二次测量回路存在故障或一次通流回路接触不良。

表4 不平衡电流详细数据

（2）故障分析及位置判断

对初步分析结果的测量回路进行检查，对第八串各个断路器的CT不同绕组使用钳形表进行了测量，不同的二次绕组的特性均一致，因此可以排除CT单一绕组故障的可能。基于初步分析的一次通流回路接触不良，申请将第八串及II母转检修，对回路电阻进行测量以判断故障位置。

由于在功率升至750MW时，第八串的T6电流互感器B相电流变小，如图10所示，为了确保故障点不会遗漏，首先在514327与513227之间注流发现B相电流有损失，回路电阻偏大而其余相正常，表明514327与513227之间存在接触不良点。为了进一步明确故障点，将514327与513227分成两段分别进行测量，即514327、513327之间和513327、513227之间，发现514327与513327之间B相电流有损失，回路电阻偏大；而513327与513227之间电流与回路电阻均正常。表明513327与513227之间连接完好，514327与513327之间有接触不良点。

图10 螺栓发热变色

在确认故障点位于514327与513327之间时，为了缩小故障范围，引入完好串第六串参与电阻测量，进行故障排除。首先对511327至514327进行注流，检测回路电流与电阻均正常，表明511327至514327接触完好，随后从513327处注流，分别从514327、511327处进行测量测量，测量结果发现电流均有损失，且回路电阻偏大。此次试验结果可以断定问题出于51332与母线之间。

为了确认实验结果及处理故障，拆开隔刀51332气室进行检查，拆开后发现隔刀51332至II母之间紧靠II母的支撑绝缘子及触头烧伤，因此判定故障原因为II母靠近WA-W8处可拆卸单元接触不好导致连接点接触电阻偏大，最终引起GIS电流三相不平衡，该检查结果与整个实验分析及结果一致。

4 故障处理方式

通过对GIS运行设备三相电流的监视可以极早地发现GIS设备的早期故障，由以上典型案例的分析可以总结出一套实用性较强的处理方法，用这种方法便能通过交流电流的变化确定GIS早期故障位置并解决，具体如下：

1）发现GIS三相电流不平衡运行，初步判断GIS存在早期故障。

2）进行故障的初步分析。

3）判断是否为二次测量故障，对CT进行试验检查。

4）对可能的故障部位、气室通过红外测温、超声波局放、超声波检测、分解物测试、回路电阻测量进行判断确定。

5）根据测试结果进一步分析确定可能故障位置。

6）对确定的故障位置确定后故障情况进行检修工作。

5 反措及建议

1）运行期间加强GIS运行电流监视，及时进行日比对工作，特别是直流负荷调整前后，并对运行监盘作业指导书进行补充完善，将CT电流值的监视作为监盘工作的一个重要项目。

2）实际软件中设置定值相差为150A（以天山站为例）才给出告警，由于告警值较高GIS一般都为平衡运行，建议将三相电流不平衡告警定值调低（50A），从而提早发现故障隐患。

3）为了确保后续工程不发生同类事件，应要求GIS设备厂家、监造方以及现场施工监理加强设备装配质量控制，严格按照设备安装要求及流程进行装配并满足规程及指导书的工艺要求。

4）在以后的安装和验收阶段，应对连接处进行检查，同时在早期GIS带电运行阶段关注GIS运行电流，及早发现隐患。

6 结束语

本文首先对GIS设备及其优点进行了介绍，然后对如何通过GIS交流电流的变化排查早期设备故障进行了深入分析，得出了一套实用性较强的处理方法，并对存在的问题提出了优化改进建议，希望对新建直流工程GIS相关设备的设计、调试、运行和维护起到一定借鉴作用，对以后相同故障的处理、验收以及通过GIS交流电流的变化发现GIS设备故障起到一定的指导作用。

［1］曾喜闻， 曹诗玉. 500 kV换流站GIS设备故障分析及处理［J］. 华中电力，2007（5）：54-56.

［2］程炯， 杨世贵， 程航. GIS在换流站中的应用及典型故障分析［J］. 中国电力， 2009（11）：55-61.

［3］姚青强， 靳海路， 徐志刚. 500kV换流站GIS设备故障分析处理及防范［J］. 华中电力， 2011（2）：45-48.

［4］刘强. 500kV变电站GIS故障预防及相应故障分析［J］. 科技信息， 2012（6）：400-401.