GIS设备盆式绝缘子击穿故障原因分析及处理探讨

刘平（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南长沙410213）



GIS设备盆式绝缘子击穿故障原因分析及处理探讨

刘平
（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南长沙410213）

摘要：SF6全封闭组合电器体积小、技术性能优良，是20世纪70年代初期出现的一种先进的高压电气配电装置。国际上称这种电器为Gas-Insulater Switchgear，简称为GIS。GIS设备具有优良的技术性能和占地面积少的特点，维护工作量小，所以近年来应用发展十分迅速。由于GIS设备对安装与检修的工艺要求十分高，所以，在安装投运初期容易发生事故。本文对某电站首次带电试运行过程中发生的隔离开关气室盆式绝缘子击穿故障进行分析探讨，并提出了相应的防范措施。

关键词：GIS；盆式绝缘子；击穿；分析；处理

1工程概述

某电站安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组，单机容量（发电工况）300 MW，总装机容量1 200 MW，以一回500 kV电压等级并入电网。担负电网的调峰、填谷、调频、调相及紧急事故备用等任务。电站枢纽建筑物包括上库、下库、引水系统、厂房洞室群及500 kV地面开关站与副厂房等。

电站500 kV GIS由地下和地上两部分组成，以两回500 kV交联聚乙烯高压电缆连接，所用500 kV干式电缆终端为国内首次使用。地上GIS以一回出线与出线平台设备相连，预留一回出线。GIS设备包括管母线、断路器、隔离刀闸、接地刀闸、快速接地刀闸、避雷器、电容式电压互感器、出线SF6-空气套管等。设备型号为ZF15－550，额定电压550 kV，额定电流4 000 A，是国内首套应用于抽水蓄能电站的GIS设备。

2设备技术参数

设备型号：ZF15-550

额定电压：550 kV

额定频率：50 Hz

额定电流：4 000 A

额定短时耐受电流(有效值)：63 kA

额定短路持续时间：3 s

额定峰值耐受电流：171 kA

SF6年漏气率：小于0.5 %

断路器气室SF6气体额定压力：0.60 MPa

其他气室SF6气体额定压力：0.4 MPa

3故障过程

该电站GIS设备于2009年4月30日14：16开始带电试运行，未带负载，5月1日下午19：34分，1 号/2号主变间隔50013隔离开关B相气室内部发生对地放电故障，查得放电短路电流约15 kA，故障发生后，我厂500 kV短线保护未动作，140 ms后线路对侧开关跳闸。故障后现场检查有明显漏气声。

故障140 ms后对侧变电站接地距离二段动作切除故障。经过现场检查发现，故障发生后该电站短线差动保护A、B套均未动作，控制面板上无任何动作信号及报警信号，主变A、B套复压过流保护、主变零序Ⅰ、Ⅱ段保护启动报警灯亮，无出口信号。

5月2日晚，厂家技术人员赶到现场并对故障部位进行解体检查，发现气室内有大量的粉尘和分解物，隔离开关与TA气室间的盆式绝缘子有两条贯穿的裂纹，并且炸裂一大块，相邻的CT罐内的导体上有220×340 mm2的椭圆形漆层被碳化。隔离开关气室后部的盆式绝缘子（通盆）表面被电弧熏黑，隔离开关动、静触指座屏蔽罩被电弧烧出了孔洞。经检查隔离开关触头根据插入痕迹判断接触良好。没有发现其他异常。

图1　CT气室法兰面处有烧灼痕迹

图2　盆式绝缘子被炸出一个大洞

4故障原因分析

（1）GIS盆式绝缘子由环氧树脂浇注而成，所以，GIS设备内部产生故障时必然会沿着绝缘子表面对外壳进行放电。而盆式绝缘子在浇注过程中若表面粗糙、不平滑、有划伤或清洁度不够等缺陷，安装带电后在强电场的作用下，表面电场分布会发生畸变，从而使盆式绝缘子表面闪络电压降低，在额定电压情况下发生闪络放电。

（2）查询厂家出厂试验报告，每个盆式绝缘子单件要进行1.2 MPa的水压强度试验，在0.4 MPa SF6气体压力下进行740 kV工频耐压试验，在381 kV电压下局放试验值不大于3 PC。产品在车间装配后，整体进行740 kV的工频耐压试验。局放试验不大于10 PC。产品在现场安装后，还要进行740 kV× 80 %=592 kV的工频耐压交接试验。盆式绝缘子在出厂及安装交接试验过程中经过了层层考核，可初步排除故障是盆式绝缘子内部存在缺陷引发的。

（3）该故障在GIS设备带电近29h后发生，因此，盆式绝缘子放电击穿的原因应该是在GIS组装过程中，由于工艺要求控制不到位，在管母线或导电杆等物件对接过程中，造成金属部件摩擦而产生细微金属颗粒，或由于零部件清洗不彻底，遗留有灰尘、杂质或金属颗粒，经长途运输，操作的振动，落到水平布置的该盆式绝缘子表面。产品带电后，这些灰尘、杂质、金属颗粒会在电场的作用下，缓慢漂浮移动，当某一位置比较集中时，盆式绝缘子表面闪络电压值降低，就会造成SF6气体的气隙放电或沿盆式绝缘子表面放电。

（4）盆式绝缘子炸裂的原因为短路电流大，持续时间比较长，电弧中心温度可达到10 000℃左右，由于热胀冷缩的作用，造成盆式绝缘子产生裂纹和炸裂。炸裂后电弧又延伸到盆式绝缘子下表面，又引发相邻的CT气室的导体与触座屏蔽罩间放电。另外，电弧在电场作用下，旋转到隔离开关动、静触座的屏蔽罩间，又引发屏蔽罩间及对罐放电，使得屏蔽罩烧出了孔洞。

（5）检查短线保护闭锁后的告警时间，检查短线保护在CT检测闭锁短线保护时，保护功能为瞬时闭锁，但现地保护单元告警（LED闪烁）需0.5 s，中央单元闭锁告警（闭锁LED点亮）需1 s时间。因此实际故障时，对侧距离保护140 ms切除故障，短线保护由于Current Neutral Direction为Direction1，保护功能瞬时闭锁，而LED告警信号由于故障已切除，未能发出。现场试验证明，保护功能闭锁时现地保护单元需480 ms才能启动LED告警信号。至此可以确认保护控制面板无报警信号原因：对侧保护经过140 ms切除故障，故障消除，未达到短线保护亮故障灯需要故障存在500 ms的启动条件，造成面板指示灯未点亮。

5故障处理及防范措施

（1）立即启动SF6气体泄漏紧急处置预案，对整个GIS设备间及其相邻设备区域进行封闭，发出预警通知，禁止人员进入该区域工作；安装足够数量的轴流风机进行强制排风，并实时监测SF6气体浓度。

（2）检测故障区域内SF6气体含量不超过1000μL/L（即1 000 ppm）后，撤销预警。在故障GIS间隔搭建无尘工作室与外部环境进行隔离，检测工作室内湿度不得超过80 %。

（3）逐步将相邻气室压力进行降低回收处理，防止由于单侧气压高导致盆式绝缘子损坏。

（4）按照工艺规程，整体更换50013隔离开关三相装配，更换CT气室内的导体、触座装配与260 mm高的过渡罐。

（5）采用无毛纸、丙酮清洗相邻电缆侧母线罐罐体及导体、触座装配。

（6）回收相邻50033隔离开关A、B、C三相的SF6气体，开盖检查内部清洁度，经检查内部清洁、进一步清洗后，更换吸附剂，密封圈。经检查相同结构的50033隔离开关三相气室，内部清洁可以认定50013隔离开关B相故障属于个案。

（7）对已处理气室进行抽真空处理，每15 min记录一次真空度，对每个气室抽真空到40 Pa以下，静置2h，再检查真空度，若前后两者之差不大于67 Pa（极限值为133 Pa），可以认定密封良好，继续抽真空2 h。

（8）充气前检测备用SF6气体水分含量不大于65 μL/L，充SF6气体时先气化钢瓶内的SF6气体，防止液态SF6直接充入设备。监测钢瓶气压降至0.14 MPa表压时应停止充气。充气完成24 h后，对设备中SF6气体进行湿度、空气、CF4等项目检测，符合GB50150和GB/T8905要求。

（9）对开罐处理过的所有气室进行气密性试验和含水量测量。充气达到额定压力后，静置24 h，检测气室内的SF6气体水分含量小于250 μL/L；采用局部包扎法进行检漏，SF6气体泄漏率小于1 %。

（10）对50013隔离开关B相进行工频耐压试验，最高试验电压为出厂试验的80 %，即592 kV，在耐压试验过程中，进行300 kV老练试验，在线监测B相各气室的局部放电量。若发现有气室局放量过大，则需进行开盖检查后处理。最后，耐压试验顺利通过。在交流耐压试验前及试验过程中，进行了超声波、超高频局部放电测量，未发现异常。

（11）交流耐压试验完成后，各气室进行了分解物测试，结果正常。

（12）保护专业人员修改相关保护定值。将现1号主变高压侧500 kV短线保护现地单元保护软件中Current Neutral Direction从Direction1改为Direction2。将GIS侧500 kV短线保护现地单元保护软件中Current Neutral Direction从Direction1改为Direction2。经模拟试验后保护动作正常。

（13）试验结论正常，保护测试正常后，对GIS设备进行倒送电试验正常，设备投运成功。

（14）加强GIS设备跟踪监测，定期开展GIS气室超声波局放检测，观测各气室局放量变化趋势。

6总结

该电站GIS设备气室盆式绝缘子击穿故障的根本原因是生产厂家厂内装配质量工艺控制不严，现场安装过程中对于制造厂成套到货设备未安排开罐检查，对于该型设备的内部隐患排查不彻底，而该类故障暴露需要运行时间，不能通过老化试验或耐压试验进行检验。所以，对于高电压、大电流的全密闭电气设备应加强厂内监造，加强设备交接试验验收。对GIS设备而言，应加强对水平安装绝缘子的重点监测，推广运用GIS超声波、超高频局放在线装置，做到设备状态可视化，确保设备的安全稳定运行。

GIS盆式绝缘子放电故障受材料因素、环境因素、安装工艺、检修工艺的影响比较大，只要在安装或检修过程中控制好清洁度、真空度、密闭性等三个方面，做好GIS设备投运后的巡视检查和定期工作，基本就可以避免盆式绝缘子故障的发生。

参考文献：

[1]GB/311-83高压输电设备的绝缘配合、高电压试验技术[S].

[2]GB 50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].

[3]Q/GDW 1799.1-2013国家电网公司电力安全工作规程变电部分[S].

[4]DL/T 555-2004气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则[S].

作者简介：刘平（1976-），男，工程师，从事机电设备运行与检修业务管理工作。

收稿日期：2015-12-16

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.017

中图分类号：M595

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）03-0058-03