三维电场分析在GIS绝缘事故分析上的应用

陈杰 丁澄 姜波

摘要：本文使用三维电场仿真分析等技术手段，分析出一起GIS发生放电的原因。最后，结合运行工况和放电原因对GIS的现场安装、试验和运行维护等方面提出了预防性的措施和建议。

关键词：三维电场；GIS；放电；仿真计算

0引言

SF6气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear， GIS），由于高的可靠性，经济的运行维护成本，超过20年的使用寿命得到了用户的认可和广泛的使用。与传统GIS产品相比，小型化GIS具备较好的 经济性、安装灵活性以及环保性，是目前GIS设备发展的一个趋势。但近年来小型化GIS设备产品在电网企业中运行状况不佳，新投运的GIS设备平均故障率高于平均值。

本文以某220kV变电站一起典型的220kV GIS的放电故障为例，通过现场检查和解体、三维电场仿真分析及试验研究，找出GIS发生放电的主要原因，最后，结合运行工况对小型化GIS设备现场安装、试验和运行维护等方面的提出了预防性的措施和建议。

1故障概况

1.1故障前变电站的运行方式

某220kV变电站GIS母差保护动作，跳开母联212断路器、#1主变201断路器和264断路器，造成该220kV变电站Ⅰ母失电。

保护动作前220kV母线并列运行，220kVDG1线264、1#主变201开关运行于Ⅰ母；220kVZ1线268、2#主变202开关运行于Ⅱ母；1#主变中性点直接接地，2#主变中性点经间隙接地。当日无倒闸操作和检修工作，天气晴好。

1.2 现场及解体检查情况

经现场检查，220kV GIS设备外观无异常，各气室SF6压力正常。解体后检查发现PT218隔离开关C相气室内壁有大面积电弧烧灼痕迹，放电痕迹区域主要位于图1中标注的放电位置相对应的内壁位置，导电杆也有多处金属熔融痕迹。

2 三维电场分析

根据内壁放电区域、壳体熔融程度和熔融点位置可得到，放电区域分布在水平壳体筒与竖直壳体筒交接连线两侧，本文利用有限元分析软件建立了三维GIS模型，对放电气室的电场分布情况进行了仿真计算。施加边界条件后，对模型进行计算，得到其电场分布情况，图2为PT218隔离开关C相气室电场仿真结果。从图2中可以看出水平壳体筒与竖直壳体筒交接连线对GIS内部电场分布有较大影响，相比其它部位，该处存在明显电场畸变情况。

3 故障原因分析

结合变电站运行状况、设备解体检查和仿真计算结果，表明PT218隔离开关C相气室的放电是由该气室内部原因引发，由于该型GIS为小型化产品，导电杆距壳体内表面的最短绝缘距离由常规的200mm减小至130mm，虽然提高了内部SF6压力，但电场畸变影响的敏感程度也会相应提高。

综合上所述，其最大诱因和放电过程为，在放电区域靠PT侧出现的自由导电微粒，引起电场集中部位与导电杆间的放电，该放电造成上方绝缘下降，加之该区域本身存在电场畸变，进而使放电电弧上移，并产生更严重的导电杆对壳放电及烧灼。

由于放电点距PT侧为封闭端（PT隔离盆式绝缘子）很近，其空间体积较小，而竖直壳体筒方向有较大的空间体积，放电引起的膨胀气体会朝竖直壳体筒方向流动，造成交接连线竖直壳体筒侧SF6气体绝缘严重下降，驱使放电电弧往竖直壳体筒漂移，形成更大的放电区域和更剧烈的放电烧灼，并在竖直壳体筒内沿筒壁向上发展，直至保护动作后电弧熄灭。

PT218隔离开关C相气室的放电是由内壁光洁度、内部清洁度及设备小型化等多因素叠加作用造成，但主要诱因是自由导电微粒引发的导电杆与内壁之间的间隙放电。

4防范措施

内部放电击穿是小型化GIS设备的的易发故障，本文利用三维电场分析等技术手段，详细分析一起小型化220kV GIS的放电故障，有针对性的提出了相应的防范措施。

由于GIS存在大量的现场组装和金属部件安装紧固工序，受现场装配条件的限制和影响，已经处于非常不利的状况，加之小型化设备要求各部件加工工艺更高、安装工艺更严格，所以实施现场作业必须严格遵守行业规范，才能最大限度地保障GIS设备正常运行。

电网企业生产运行部门应在加强安装和验收质量管控工作，把好设备入网关，同时做好小型化GIS设备的状态监测，力争及时发现并消除设备隐患，确保电网设备安全可靠運行。

5 结论

本文利用三维电场分析等技术手段，详细分析一起小型化220kV GIS的放电故障，指出内部放电击穿是小型化GIS 设备的的易发故障，并有针对此类故障，在设计、安装、试验及运维过程提出了相应的预防性的措施和建议，为电力系统的安全可靠运行提供了有力的技术支撑。

作者简介：陈杰（1973-）男，四川成都，汉，硕士研究生，工程师，研究方向：开关类设备检修技术研究、培训及新技术研究.