420kV GIS隔离开关绝缘拉杆放电问题分析

丁柏庆 高泽禹

摘要：随着国家的快速发展，各领域的不断进步，电力企业的不断改革和提高，高压隔离开关是GIS设备中的关键结构，能够保证高压电器及装置在检修工作时的安全，起隔离高电压的作用，同时还可用于不产生强大电弧的某些切换操作。绝缘拉杆作为隔离开关本体和操作机构之间机械连接的传动零件，由于在工作中长期承受瞬时载荷，其性能好坏直接决定了高压隔离开关的可靠性。

关键词：420kV;GIS隔离开关;绝缘拉杆;放电问题

引言

绝缘拉杆作为GIS中主要的绝缘件之一，在高、低压之间实现电气隔离，在机械上驱动开关可动部分运动，实现电气连接的开断，起着绝缘、操动的双重作用。绝缘拉杆在工作过程中既要承担绝缘耐受———高的过电压，还要承担高的机械载荷，而考虑设备结构因素，绝缘拉杆一般结构为细长型，在运行中要承受拉伸载荷或扭转载荷以及瞬时操作过电压、雷击过电压等。而在电网中对电气设备的可靠性要求比较高，GIS设备更换零部件比较复杂且困难，要求设备有较长的寿命。因此在设备设计阶段就要充分考虑绝缘拉杆高的电气绝缘性能、机械性能，要求产品重量轻、蠕变小、抗疲劳性能好，还需要材料具有良好的抗老化性能，需进行一系列的型式试验对其进行验证。本文对芳纶纤维管状绝缘拉杆在试验中出现的击穿现象进行分析和探讨。

1故障特点

该次故障具有如下特点：a.屏蔽罩相对于绝缘拉杆传动衔接凸耳部两侧烧穿成洞，且金属凸耳被熔化，已看不见痕迹，表明该部位烧伤严重，应为故障激发点，但凸耳对地并非最小距离，该部位最小对地距离为带有凸耳的柱形部件端面;b.管型绝缘拉杆尖角部位起层现象明显，起层尖角部位在U型豁口端部，而U型豁口正处于与凸耳衔接部位，根据凸耳被熔化现象判断，该部位应为故障激发点。

2试验

2.1主要原材料及仪器设备

环氧树脂，美国亨斯曼公司;固化剂、促进剂，北京旭通鑫源科技有限公司;芳纶纤维织物，日本帝人公司;聚酯纤维织物，北京科拉斯化工技术有限公司;芳纶/聚酯纤维混编织物，烟台泰和新材股份有限公司;泰科芳纶绝缘拉杆，美国泰科电子公司。PR70RTM注射机，美国固瑞克公司;Instron万能材料试验机，北京玻钢院复合材料有限公司;MTS810.25电液伺服疲劳试验机，西安航空动力股份有限公司材料检测研究中心;差示扫描量热仪（DSC），全球能源互联网研究院;PNT-14AX射线工业CT系统，北京玻钢院复合材料有限公司;120kV工频耐压测试系统，江都华宇高压电气有限公司。

2.2芳纶/聚酯纤维混编织物的选择

由于环氧树脂与芳纶纤维织物的界面结合性能较差，需要对芳纶纤维织物进行杂化，本研究从纤维织物的单丝规格直径、面密度以及编织方式进行优选，主要选用芳纶纤维单丝和聚酯纤维单丝二维混编织物，经纱方向为芳纶纤维单丝，纬纱方向为聚酯纤维单丝，织物面密度为200g/m2，纤维单丝规格为1000D，纤维编织方式为二维机织。

2.3420kV芳纶绝缘拉杆的制备

芳纶绝缘拉杆的制备：①将芳纶/聚酯纤维混编织物缠绕在涂覆有脱模剂的芯轴上，缠绕完成后与芯轴共同装入涂覆脱模剂的模腔中，固定模具的两端;②将环氧树脂进行真空脱泡处理;③将环氧树脂混合体系在一定压力下放入模具下端口，完成对芳纶/聚酯纤维混编织物进行浸渍;④将环氧树脂/纤维织物复合材料体系在一定温度条件下凝胶;⑤将凝胶后的体系置于一定温度的烘箱中固化;⑥将一次固化后的体系进行二次固化，得到420kV国产芳纶绝缘拉杆。

2.4测试方法

管状结构复合材料性能测试按照GB/T5132.2—2009《电气用热固性树脂工业硬质圆形层压管和棒第2部分：试验方法》进行。电气强度按照GB/T1408.1—2006《绝缘材料电气强度试验方法第1部分工频下试验》进行测试。介质损耗因数按照GB/T1409—2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介质损耗因数的推荐方法》进行测试。吸水率按照GB/T1034—2008《塑料吸水性的测定》进行测试。密度按照GB/T1033.1—2008《塑料非泡沫塑料密度的测定第1部分浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》进行测试。

3绝缘拉杆结构及故障

3.1绝缘拉杆结构

绝缘拉杆的结构，中间位芳纶-聚酯浸渍绝缘管，两端为金属嵌件，金属嵌件与绝缘管件通过粘接剂连接在一起。为了保证绝缘拉杆在工程使用中的可靠性，需对绝缘拉杆进行一系列的型式试验以充分验证其电气、机械性能。产品额定电压420kV，额定电流5000A，额定开断电流63kA，額定雷电冲击耐受电压1425kV，额定工频耐受电压AC650/1min。

3.2绝缘拉杆故障过程

绝缘拉杆进行型式试验后，进行装机电气试验，以及机械寿命验证。装机电气试验项目：工频耐压：AC650kV/1min，分、合闸状态下雷电冲击试验：±1425kV，各15次。隔离开关处于分闸位置进行雷电冲击试验电压时，施加电压值-1425kV发生电击穿。

3.3拆解检查

对样机进行拆解点检发现，隔离开关壳体内有绝缘拉杆表皮聚酯材料碎屑，绝缘拉杆连接高压侧到低压屏蔽处发生贯穿性层间击穿、炸裂，高压侧连接导体及低压屏蔽上均有明显放电点，绝缘拉杆击穿位置起层严重。对绝缘拉杆进行刨切，发现绝缘拉杆电气击穿破坏了绝缘材料的增强层，形成层间贯穿性击穿。

4防范措施

（1）要求GIS制造厂家对所有隔离开关绝缘拉杆在工厂装配前进行工频耐压试验、冲击电压试验和局部放电检测，剔除绝缘性能不合格产品;（2）要求GIS制造厂家增加绝缘拉杆检测手段，建议采用专用仪器（如X关探伤）进行材料致密性和裂纹检查;（3）建议GIS制造厂家进行装配工艺革新，确保隔离开关绝缘拉杆联轴装配质量，避免绝缘拉杆机械损伤的出现;（4）对在运行的同型设备，结合停电在厂家指导下对隔离开关操作机构进行检查（检查转动力矩是否符合厂家技术要求）;（5）对在运行的同型设备隔离开关气室进行超声局放带电检测，并同时进行SF6气体组份检查，若出现局放异常且SO2含量超过2ppm的气室需进行开仓检查。

结语

上所述，绝缘拉杆内有异物，异物有磁性异物和非磁性异物两种，磁性异物由磁性杂质组成，非磁性异物主要由铝合金屑及其它杂质组成。经检测，这些杂质并非绝缘拉杆材质，在实际运行和维护过程中，由于生产过程中存在缺陷或装配过程中存在配合部位不对中等问题，动触头的运动可能导致金属尖刺或异物的产生。这些杂质对于整体的电压和电场分布产生影响较小，但在尖刺或异物周围存在不均匀的电场，使隔离开关气室中心导体到隔离开关壳体之间的电场较大区域连通，形成放电通道，导致绝缘拉杆被击穿。

参考文献

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[2]周文俊，乔胜亚，郑宇，等.基于特征气体COS和CS2的GIS内环氧树脂固体介质绝缘状态监测[J].高电压技术.2017，43（8）：2551-2557.

[3]顺特电气有限公司.树脂浇注干式变压器和电抗器[J].高压电器.2018（1）：54.

（作者单位：1.新东北电气集团超高压有限公司沈阳分公司;2.新东北电气集团高压开关有限公司检修分公司）