一起220kV GIS间隔绝缘故障分析及改进措施

王凤智， 傅正财， 秦 沫

1. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 上海 200030 2. 上海西门子高压开关有限公司 上海 200245

一起220kV GIS间隔绝缘故障分析及改进措施

王凤智1，2， 傅正财1， 秦 沫2

1. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 上海 200030 2. 上海西门子高压开关有限公司 上海 200245

220kV气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)间隔的故障原因包括机械故障、绝缘及工艺因素等，其中绝缘问题常常会引起故障扩大。对一起220kV GIS间隔绝缘故障进行有限元仿真和现场拆卸分析，确认了故障原因，以及设计和工艺等方面存在的不足，并对现有设计、加工和装配工艺进行了改进，以避免类似故障再次发生。

电力系统； 气体绝缘金属封闭开关设备； 绝缘； 故障

挂网运行中的气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)，其机械性能和电气性能都经过严格的型式试验，型式试验模拟线路上的常见故障，并遵照严格的试验规程进行。实际电网通常运行于额定参数条件下，电压、电流等参数都远低于型式试验时的参数，但GIS绝缘故障仍时有发生[1-2]，这就需要引起重视。

本文介绍一起220kV GIS间隔绝缘故障，该GIS为成熟产品，并有长期电网运行记录，故障类型为发展型绝缘故障，从单相故障发展为三相故障，并蔓延至其它气室。笔者就该产品的故障现象、设计绝缘裕度及工艺问题进行分析，结合拆解状况和有限元仿真解析故障成因，并就产品设计和工艺问题提出改进措施，以降低同类故障发生的概率。

1 故障情况

发生故障的220kV GIS为小型化产品，故障产品间隔如图1所示。断路器、隔离开关等模块为分箱设计，母线为三相共箱设计。各GIS间隔的上下母线通过波纹管建立连接，并调整误差。挂网运行14个月后由于接地故障导致断路器跳闸。现场故障录波显示，GIS间隔发生对地短路。初始状态为C相单相接地，之后发展为三相接地。现场监测设备显示，C相发生接地故障持续时间为10ms，之后发生的三相对地故障持续时间为40ms。

拆卸故障间隔，断路器气室未见异常，但在连接D03与D04间隔下母线波纹管处发现电弧造成5mm 左右不规则穿孔，并导致SF6气体泄漏。临近波纹管位置的C相导体及触头有明显放电痕迹，连接Q1的B相导体有放电痕迹。气室防爆膜未动作，气室内有大量电弧放电生成物。下母线多个零件存在放电痕迹，包括支撑绝缘子、下母线壳体及主回路中部分导体与触头，如图2所示。绝缘故障气室内出现复杂的放电状况，诸多放电点和受损零件分布在气室各个位置。对间隔拆解后各气室状况记录如表1所示，可判定此次故障是由下母线引起的。

图1 故障GIS产品间隔布置图

图2 下母线零件状况

表1 产品状况汇总

2 故障分析

2.1 导致对地放电的可能原因

该产品已有多年挂网运行记录，发生三相接地故障极其罕见。对于故障的原因，认为有水分、SF6气体泄漏、零件质量及工艺问题导致放电等几种可能[1-2]。

间隔拆卸后，各气室吸附剂数量满足设计要求，未见吸附剂包装破损或散落。与下母线结构一致的上母线气室中使用的吸附剂数量相同，且未出现击穿。因此排除由吸附剂缺失导致水分增加，进而使绝缘劣化的可能。各气室SF6压力由密度表监控，在发生故障前未见气体压力报警，可以排除由SF6泄漏导致绝缘劣化的可能。综合产品现场状况，基本确认此次绝缘故障与产品零件质量或安装工艺有关。

2.2 C相局部放电与对地绝缘故障的成因

长期运行在电网电压下的产品，其状况与型式试验所面临的情况不同。产品长期带电状态下，局部放电现象是客观存在的。局部放电虽然不是破坏性放电，但会导致在气室内部形成放电生成物，这些生成物在拆卸后可见于导体及绝缘体表面，通常为灰白色细密颗粒[3-6]。同时，局部放电会导致SF6分解生成SOF2、SO2F4、SO2等物质，其中酸性物质的腐蚀性会导致零件质量的下降[7-9]。

通常情况下，绝缘故障的放电起始点位于场强集中处。对于一个造型复杂且结构紧凑的三相设备而言，内部会出现多个电场相对集中的区域。在劣化的绝缘介质中，这些电场相对集中的区域是潜在的易发生放电的部位。使用ANSYS软件对结构进行有限元分析，边界条件设定为三相对地，施加电压为1050kV[10-11]，仿真结果如图3所示。图3中红色区域为电场集中处，其中零电位电场集中区域为波纹管，以及与单相绝缘子相连的法兰接口，高电位电场集中区域为波纹管附近的耦合触头、屏蔽罩，以及连接单相绝缘子的耦合触头。

图3 结构有限元仿真

现场拆卸后的C相放电零件如图4所示，分别为耦合触头、屏蔽罩、波纹管及螺栓。放电最为严重的是耦合触头及连接件单侧屏蔽罩，烧穿部位为该耦合触头及屏蔽罩所对应的波纹管处，即图3中红色标签处。值得注意的是，C相放电最严重的部位并没有出现在电场强度最高的单相法兰耦合触头处，而是出现在电场强度相对较弱的连接件屏蔽罩处，并且螺栓上出现了严重的放电痕迹，由此可以判定，对地放电由螺栓头部及相连的屏蔽罩引起，对应的放电点为波纹管。由图3仿真结果可知，施加高电位后，电场集中处并不在螺栓或与其相连的屏蔽罩处，而在与其相连的耦合触头处[12-14]，且屏蔽罩只有一侧发生放电，另一侧没有任何放电痕迹，这进一步验证了此次放电的最初原因与螺栓及屏蔽罩有关。

图4 C相放电零件

引发屏蔽罩及螺栓放电的原因有三种：一是屏蔽罩表面缺陷；二是螺栓表面缺陷；三是螺栓与屏蔽罩连接失效，形成悬浮电位。如果是屏蔽罩表面缺陷，很难形成围绕螺栓孔四周的均匀放电痕迹。如果是螺栓表面缺陷，螺栓的位置在屏蔽罩之下，螺栓头低于屏蔽罩3mm，处于屏蔽罩保护中，缺陷同样受到屏蔽罩保护。从放电痕迹看，螺栓头部分烧蚀均匀，屏蔽罩螺栓孔部位烧蚀也均匀，可见由于表面缺陷造成对地放电的可能性很小。

最终根据放电痕迹(图5)判定屏蔽罩与螺栓内侧存在连接问题。屏蔽罩内有放电痕迹，且烧损严重。屏蔽罩在运行状态中，安装于导体侧面，如果螺栓松动，则一侧内表面接近导体，另一侧远离导体，可出现内侧烧损严重的情况。螺栓孔内侧与螺栓搭接面处也严重烧损，推断在屏蔽罩与导体临近处，以及螺栓与屏蔽罩的搭接面曾有放电发生。该处为弧形面搭接，是螺栓未能有效施加力矩所致。在初始状态下，屏蔽罩与螺栓连接处，以及屏蔽罩与导体临近位置产生局部放电，并导致屏蔽罩表面情况持续劣化。同时，局部放电持续存在，使SF6气体绝缘强度降低，最终导致C相屏蔽罩对波纹管绝缘击穿，进而形成C相对地绝缘故障。

图5 屏蔽罩与螺栓放电痕迹

2.3 单相绝缘故障发展为三相绝缘故障的分析

由于大量酸性放电生成物、光辐射等因素的影响，树脂绝缘件的绝缘强度会降低，即绝缘件的延面会因酸性物质腐蚀而劣化。在这样的情况下，对于污秽比较敏感的绝缘件易发生放电[15-18]。图6所示为下母线的内部状况，可见多个绝缘子有放电痕迹。与B相绝缘子邻近的耦合触头也发生了对地击穿，放电痕迹位于B相耦合触头处及临近壳体。该放电部位与图3中B相导体电场吻合，说明电场集中部位在电场劣化条件下易发生击穿。由于A相及B相均可找到对地放电痕迹，因此验证了故障录波所显示的C相接地故障发生后发展为三相接地故障。

2.4 防爆膜未动作的思考

此次故障中另一个值得注意的现象是防爆膜未动作。在燃弧状态下，气室内压力理论上会迅速增高导致防爆膜破裂。本次绝缘故障中，波纹管烧穿，SF6气体泄漏，而防爆膜未动作，思考原因是波纹管烧穿部位壁厚约1mm，在达到防爆膜破裂压力前，波纹管已被烧穿。可见，防爆膜的动作压力值需要引起注意。

3 改进措施

本起故障中，气室的放电现象复杂，但放电起始部位的判定相对明确。从波纹管烧穿可判定，放电的起始部位为C相耦合触头临近屏蔽罩的一侧。从仿真结果及长期运行数据看，屏蔽罩对波纹管放电不是设计缺陷，推断导致此次故障的原因为螺栓与屏蔽罩连接失效，与产品的安装工艺有关。从蔓延到整个气室的放电现象分析，产品在局部放电作用下，金属件的表面质量、绝缘件和绝缘介质的绝缘强度均会逐渐下降。对本起故障进行总结，得出以下改进措施。

3.1 螺栓装配工艺

GIS内部螺栓种类和数量繁多，螺栓根据实际需要涂抹不同的润滑脂和胶水，因此如何控制工艺流程、避免人为错误非常重要。此外，可以从设计角度考量，在满足需求的同时，尽量减少螺栓的种类。在工艺方面，应使用流程控制卡片等方法记录并检测工艺步骤，清晰到责任人，力矩扳手等需要定期检测精度，还应尽量避免应用弧形面搭接。

3.2 电场强度集中部位的设计

电场裕度是一个需要谨慎考虑的问题，尽量在设计阶段避免极不均匀电场的存在。就本起故障而言，耦合触头电场偏高也是造成B相耦合触头对壳体绝缘击穿的原因之一。对于此类设计，宜采用较大倒角以避免场强集中[19-21]。此外，壳体作为零电位的设计也非常重要，壳体直径的大小与绝缘、温升息息相关，过度追求小直径壳体、降低壳体成本并不是最佳选择，如何均衡导体、壳体在电场和温升试验中的表现与成本之间的关系，对产品性能是否稳定至关重要。

3.3 绝缘件的设计和工艺

绝缘件在设备中通常起基石的作用。如果绝缘件的设计裕度偏小，则极易导致例行试验失败。导体和壳体的后期改进会导致成本上升，绝缘的更改成本则更是远超导体和壳体的更改，因此在产品设计中应避免后期更改。在设计阶段，使用ANSYS软件严格考核电场[22-23]，尤其是绝缘介质、金属材料和SF6三交点，并在使用前针对绝缘件做例行局部放电试验，在生产阶段按照工艺流程对绝缘件进行清理和装配。以上这些措施可有效避免绝缘子缺陷或人为因素导致的绝缘故障发生。

4 结束语

成熟产品的设计改进，均应在不造成重大参数变化的前提下进行。除设计改进外，保持产品性能稳定的重要因素是工艺。针对本起绝缘故障，可以明确绝缘故障产生和发展的过程，同时引发对设计和工艺流程控制的思考。故障项目更换了所有间隔的下母线，以及D03、D04间隔母线与隔离开关连接的6个绝缘子。现场对安装工艺严格控制，并顺利通过试验，运行至今一切正常，未发生类似故障。

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上海电气电站大容量调相机进军特高压领域

据中国上海门户网站报道，由上海电气集团自主研发的当前最大容量调相机正式进入国家电网特高压大直流工程。

日前，临沂换流站3台 300MVA 调相机正式合同签署，首台机组将于2017年8月交付。在2016年4月国家电网公司的公开招投标中，上海电气中标其中13台机组，占62%，总价近8亿元人民币。

相关资料显示，国家电网该项目段工程建成后，每年可向江苏、山东两地输送清洁电能 1100 亿kWh，可有效缓解雾霾，促进节能减排，改善大气环境，经济效益和社会效益十分显著。

Failure causes of the interval in 220kV gas insulated metal enclosed switchgear and controlgears (GIS) include mechanical failure， insulation and engineering factors among which the insulation problem often causes failure propagation. By finite element simulation and on-site tear down analysis of the insulation fault of the interval in 220kV GIS insulation fault， its failure cause was identified as well as the shortcomings in design and engineering. The existing design， processing and assembly process had been improved to prevent similar failures from happening again.

Power System； GIS； Insulation； Failure

2016年6月

王凤智(1980— )，女，本科，电气工程师，主要从事高压开关设备设计和仿真工作， E-mali：fengzhi.wang@siemens.com

TM59

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1674-540X(2016)04-050-05