一起550kVGIS母线内部击穿故障的原因分析及处理

刘靖羽 李培

摘 要：柱式绝缘子在GIS母线中被广泛应用，其不但起到支撑母线导体的作用，同时将母线导体上的高电位与母线壳体的低电位绝缘开来。虽然柱式绝缘子的材料具有优良的机械和电气性能，但长期带电情况下也可能发生故障。本文对一起550kVGIS母线内部的柱式绝缘子故障的原因进行详细的调查分析，并提出避免该类故障再次发生的对策。

关键词：GIS；柱式绝缘子；内部击穿故障

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）16-0136-03

Analysis and treatment of internal breakdown of a 550 kVGIS bus

LIU Jingyu LI Pei

Abstract： The cylindrical insulator is widely used in GIS bus. It not only supports bus conductor， but also insulates high potential on bus conductor from low potential of bus shell. Although the cylindrical insulator material has excellent mechanical and electrical properties， but long-term electrical conditions may also occur. This paper made a detailed investigation and analysis on the causes of a column type insulator inside the 550kVGIS busbar， and put forward some countermeasures to avoid the recurrence of this kind of fault.

Keywords： GIS；post insulator； internal breakdown fault

GIS母线是一种采用SF6气体或混合气体作绝缘介质，外壳与导体同轴布置的输电线路。与电力电缆相比，GIS母线能传输更大容量的电能（可达GW级）。与架空输电线路相比，GIS母线更适用于高压和超高压远距离、大容量的电力传输。与电力电缆及架空输电线路相比，GIS母线还具有以下优点：不易老化、传输功率大、无电磁干扰、运行可靠、维护成本低、不受外界污染和高海拔等环境影响及安装简便快捷等。GIS母线的故障率非常低，但GIS母线发生内部击穿故障后，故障点的查找比较困难，检修时间长，经济损失大。笔者针对一起550kVGIS母线内部的柱式绝缘子故障，通过对故障母线的试验、解体检查、故障調查，发现柱式绝缘子内部的微小缺陷最终导致GIS母线放电。为避免该类故障再次发生，本文同时提出了相应的对策措施[1-3]。

1 故障概况

某变电站550kVGIS一次主接线如图1所示，采用一倍半接线，共4串（2个完整串、2个不完整串），有10台断路器，2条主变进线，4条架空输电线路出线。GIS设备在故障前正常运行时，所有断路器及隔离开关均处于合闸状态，2条主母线同时带电运行。

2016年某日凌晨05：00，该变电站550kVGIS设备的GCB12、GCB22、GCB31和GCB41断路器事故跳闸，主母线1的第一套、第二套母差保护动作，1母失压。事故电流：6.7kA；持续时间：2周。

从变电站后台监控系统报文分析，事故发生前，该变电站550kVGIS设备未发生站区内外保护动作及保护启动情况，所有设备均无异常信号，设备的SF6气压无异常。事故发生前，无雷电等恶劣天气现象，事件发生时，天气晴朗，当时气温为20℃，现场没有检修人员。

2 故障原因的现场调查

为查明本次故障的原因，该变电站所属的供电局、电力研究院、送变电公司及GIS生产厂家的工程技术人员，进行了现场讨论并制订了调查方案。从故障录波器的录波波形图中发现，故障发生在A相。分析认为，主母线1的A相母线发生内部击穿放电，造成了本次故障。

在现场对550kVGIS设备的外观进行了详细检查，没有发现因电弧烧蚀产生的壳体局部变色现象。分析认为，短路电流只有6.7kA，持续时间也短，不足以造成壳体的局部油漆变色。

该变电站550kVGIS设备主母线1的A相母线，长度为158m，共分9个气室。为查明具体的故障点，现场对9个气室的气体成分进行检测，检测结果如表1所示。

经现场检查分析，并结合测试数据，查明本次故障的部位位于主母线1的A相母线，气室编号为“气室8”，故障段母线长度为26m，具体故障原因需结合返厂解体检查进一步明确。

3 故障母线在GIS厂内的解体检查

3.1 故障母线解体调查结果

故障母线解体后发现，该气室内部有大量的白色分解物AlF3，其是母线放电时SF6气体在高温下与GIS导体、壳体材料中的铝发生化学反应产生的。内部的柱式绝缘子已经破裂，破裂的碎块散落在壳体下部，壳体内壁下部同时有烧熔痕迹。柱式绝缘子朝向内侧1/5圆周发生贯穿性破碎，深度25mm，在破损的中心部位，颜色较暗，为放电痕迹。柱式绝缘子破损面右侧，有一条宽约8mm、深约5mm的黑色痕迹，在黑色痕迹的两端，没有明显电弧烧蚀痕迹，推测黑色痕迹为故障发生后，主母线1上感应的较小电流长期持续作用后留下的痕迹。柱式绝缘子上、下屏蔽导体上，有故障发生时大电流烧熔的痕迹，同时在柱式绝缘子下端固定法兰上，也有大电流烧熔痕迹。拆解时的照片分别见图2、图3。

3.2 故障母线关键部件的尺寸复核测量

对拆解后故障母线的关键部件进行了尺寸复核测量，检查的目的在于确认安装部件是否异常。经测量：所测量的零部件重要尺寸全部在图纸标注的公差范围内，零部件尺寸正常，排除了因部件制造不良造成绝缘放电的可能性。

3.3 故障母线内部分解物的分析结果

故障母线拆解后，对放电的柱式绝缘子表面的分解物进行了收集和化学成分分析，具体收集位置见图4，分解物中各种化学成分的百分比见表2。

分解物的化学分析结果：分解粉末的主要成分为C、O、F、S和Al元素。C、O元素主要来源于柱式绝缘子材料环氧树脂，S、F元素主要来源于SF6气体。除此之外，铸铝导体（材料：铸铝硅镁合金ZL101）烧熔后会分解出Al、Mg和Fe等元素，安装润滑脂在故障电流产生的高温下挥发析出少量Mo元素。化学分析结果表明，柱式绝缘子的材质正常[4，5]。

3.4 柱式绝缘子的X射线检查和弯曲试验

为检查该变电站550kVGIS设备中柱式绝缘子的质量，对拆解后返回GIS厂的全部柱式绝缘子进行了外观检查，并随机抽取了1件未放电烧蚀的柱式绝缘子，进行了X射线检查和弯曲试验，试验时的照片分别见图5和图6。

柱式绝缘子X射线检查结果表明，支柱绝缘子内部无裂纹、气泡和金属异物等内部缺陷。柱式绝缘子的弯曲试验结果表明，支柱绝缘子在0.9T.m（型式试验值）载荷作用后，X射线检查仍无异常。试验结果表明，柱式绝缘子的制造质量正常。

3.5 柱式绝缘子的制造履历调查

为进一步调查柱式绝缘子的制造质量，查阅了相关存档技术资料。该变电站550kVGIS设备中柱式绝缘子在出厂检查时，全部实施了耐电压试验及局放试验，局放值小于3pC，确认无异常，出厂检查为合格品。

柱式绝缘子装配到母线壳体后，进行了装配状态的耐电压试验和局放试验。其中，雷电冲击耐受电压试验：±1 300、±1 425kV和±1 550kV，各1次；结论：合格。1min工频电压试验：AC740kV×lmin；结论：合格。局放量检测结果：施加电压740kV×1min后降压至350kV×5min测量2.5pC以下；结论：合格。GIS现场耐电压试验记录的调查结果：工频耐压740kV×0.8kV 1min；结论：合格。

通过以上制造履历的调查，从柱式绝缘子和GIS制造履历中没有发现造成此次故障的主要原因，GIS产品正常地进行了生产装配和相关性能试验。

4 母线内部击穿故障的原因分析

根据拆解调查的结果，推测本次母线放电故障的现象如下：①本次放电现象推测为柱式绝缘子的内部贯穿性破坏；②一般情况下，造成内部贯穿破坏的原因为内部缺陷（细小气隙、异物等），外表面附着有异物时，会发生沿面闪络，不会发生内部贯穿破坏；③该柱式绝缘子在单件状态、GIS装配状态下通过了耐电压、局放等试验，说明该柱式绝缘子满足产品正常的使有工况；④各部件的尺寸合格，安装中也没有产生异常载荷的可能。

分析认为，造成此次母线内部击穿故障的原因为：柱式绝缘子的内部缺陷产生了微小的放电。柱式绝缘子在单品出厂试验及母线组装后的局放试验中没有检测到异常，据此判断缺陷不是气隙或异物混入，推测是由于高压电极局部粘紧力不足，并受到运输时的振动或者运行后的热负荷及机械振动的影响，高压电极处产生剥离，逐渐发展为微小放电，此微小放电在长时间的运行中不断发展，最终导致内部贯穿破坏。

5 处理措施及恒久对策

从柱式绝缘子的型式试验数值及随机抽检品进行的弯曲破坏试验结果看，高压电极与树脂的粘緊力具有足够的强度。为确保该变电站550kVGIS设备的可靠运行，采用UHF法在现场对GIS设备进行了带电检测。从检测结果看，GIS设备的局放值在合格范围内，没有发现异常。作为恒久对策，在柱式绝缘子的零部件生产过程中，可通过延长局放试验的时间，比如：从原有的10min延长到20min。同时，对柱式绝缘子逐件进行X射线检查，检查时特别关注高压电极与环氧树脂的结合面情况[6]。

6 结语

本文对一起因柱式绝缘子的制造缺陷引起的母线内部击穿故障进行详细分析。柱式绝缘子在GIS开关设备中被广泛应用，尽管因柱式绝缘子制造不良而造成GIS放电的概率极低，但放电故障造成的停电损失还是相当大的。建议在柱式绝缘子制造过程中严格做到“三按”生产，严把出厂试验关。同时，对运行中的GIS设备，建议采用UHF法定期对GIS进行带电检测，及早发现GIS设备的安全隐患。

参考文献：

[1]汪晓明，何萍，刘衍，等.一起500kVHGIS事故的分析及处理[J].高压电器，2014（1）：129-132.

[2]刘彦军，李松琴.户外SF6断路器在严寒地区可靠运行的措施[J].高压电器，2001（5）：53-55.

[3]林智敏，李庆凯，蔡恒滨，等.一起GIS断路器合闸故障分析与处理[J].高压电器，2012（2）：99-101.

[4]张凯，胡春江，孙亚明，等.一起750kV变电站GIS支柱绝缘子故障分析[J].电测与仪表，2015（1）：115-118.

[5]王向阳.SF6断路器故障分析[J].高压电器，2001（5）：22-24.

[6]姜炯挺，邵先军，周建平，等.一起GIS支柱绝缘子内部击穿故障的定位与分析[J].浙江电力，2015（8）：4-8.