山西电网GIS故障分析及建议

杨冬冬，梁基重，张亦凌

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网天津宝坻供电公司，天津 301800）

0 引言

气体绝缘封闭金属开关设备（GIS）是由汇控柜、断路器、隔离开关、接地（快速接地）开关、母线、电流互感器、电压互感器、套管等一二次设备组成，由于具有小型化、可靠性高、安全性好、安装周期短、维护方便等优点，受到广大用户的广泛欢迎[1-2]。自2006年以来，山西电网35 kV及以上电压等级GIS设备装用量增长约10倍，GIS设备发生故障的次数也随之增多。为了保证GIS设备安全、可靠、稳定地运行，有必要对山西电网近年来GIS设备缺陷情况进行分析研究，凝练出有针对性的技术监督和运维检修策略，供设备管理人员和生产技术人员学习参考。

1 山西电网GIS设备现状

截至2018年底，山西电网在运的35 kV及以上电压等级的GIS（HGIS） 共有2869间隔。GIS按电压等级分：35 kV电压等级38个间隔，占比1.32%；110 kV电压等级1746个间隔，占比60.86%；220 kV电压等级930个间隔，占比32.42%；550 kV电压等级119个间隔，占比4.15%；1000 kV电压等级36个间隔，占比1.25%。GIS按投运年限分：投运0～5年的有865个间隔，占比30.15%；5～10年的有1322个间隔，占比46.08%；10～15年的有531个间隔，占比18.51%；15～20年的有112个间隔，20年以上的有39个间隔。可以看出，110 kV～550 kV电压等级的GIS最多，占据了总间隔数的97%以上，同时，近10年新增2187个间隔，占比76.23%，GIS数量激增。

2 山西电网近年来GIS故障情况

从近10年来的设备故障统计数据来看，山西电网GIS存在的缺陷和故障主要包括SF6气体泄漏、内部放电绝缘击穿、断路器操动机构故障及二次回路故障等。

2.1 GIS气室SF6气体泄漏

SF6气体泄漏会造成GIS气室内SF6气体压力降低，气室绝缘下降，闭锁断路器动作，发生故障时会导致断路器不能分闸，造成事故扩大化。根据对所属各单位上报的案例进行分析，山西电网GIS气室SF6气体漏气主要发生在冬季，主要为盆式绝缘子处漏气。盆式绝缘子漏气的原因主要有3点：一是安装时注胶密封不合格，导致雨水沿着螺栓浸入盆式绝缘子与法兰之间的潜槽，在螺栓与潜槽部位形成积水，进入冬季后，积水结冰产生膨胀力，使得盆式绝缘子产生裂纹，当裂纹穿越密封槽时引起盆式绝缘子漏气[3]。二是盆式绝缘子安装不当（如螺栓紧固不当、螺栓规格使用不当、高压导杆偏离GIS外壳中心等），使其受力不均匀，在长期应力的作用下，产生裂纹，导致气体泄漏。三是存在质量缺陷，制造厂在零部件加工或阶段性检验过程中存在问题。其他漏点还包括套管法兰处漏气、GIS本体砂眼漏气、SF6密度继电器管路漏气等。

案例1：盆式绝缘子漏气。2012年11月30日，某站220 kV西母2号、3号气室SF6气体低气压告警，检修人员进行带电补气恢复到正常气压，但1天后，2号、3号气室再次发生低气压告警，紧急申请将220 kV西母停电转检修。SF6红外成像检漏发现2号、3号气室之间盆式绝缘子严重漏气，解体后发现2个气室之间对接面有进水腐蚀现象，盆式绝缘子存在明显的裂纹。原因是厂家在现场安装时，未对对接面进行抹胶密封，雨水侵入密封处和螺栓孔径内，进入冬季后，结冰产生膨胀力，使得盆式绝缘子出线裂纹，发生SF6气体泄漏。

案例2：出线套管顶部法兰处漏气[4]。2014年9月，1000 kV特高压变电站500 kV HGIS 5042间隔50422隔离开关C相气室SF6气体密度继电器显示压力降低，运维人员使用FLIR 306红外检漏仪进行带电检测，在出线套管顶部检测到有黑色烟絮状阴影（如图1所示），确认存在SF6气体泄漏。同年10月年度综合检修对漏气出线套管解体检查，发现顶部端盖的注胶螺栓孔内有水存在，注胶槽内硅橡胶密封胶已经气化消失，并且O型密封圈受到侵蚀。气体泄漏原因分析为密封圈老化或者受潮失效导致SF6气体泄漏。

2.2 GIS内部放电故障

对近10年发生的数起GIS内部放电故障进行统计，导致内部放电的主要原因是制造厂生产过程管控不严，现场安装没有严格按照工艺进行，螺栓垫片紧固不紧等，安装现场未进行防尘，导致外部灰尘、杂物遗留在GIS内部。

图1 套管顶端SF6气体泄漏图

案例3：出厂安装不当导致运行后绝缘盆子闪络放电。2010年5月20日，某站220 kV 292间隔故障跳闸，气体成分分析检查发现B相断路器气室硫化物成分显著增高，I母竖式隔离开关气室存在少量硫化物。故障断路器解体后发现B相断路器气室与I母隔离开关气室之间的盆式绝缘子产生了裂纹、碎片及放电击穿孔洞（如图2所示），动触头侧屏蔽罩因电弧作用表面烧黑，中间导向杆偏下部有明显挤压、接触痕迹。技术人员对该盆式绝缘子的材料、生产过程及出厂试验进行了追溯，未发现问题，排除了该盆式绝缘子制造质量的问题。从盆式绝缘子放电后的痕迹分析，故障前绝缘子内部已有裂缝，在运行中发生放电，电弧能量在内部裂缝中不能迅速释放，导致盆式绝缘子发生炸裂，产生了绝缘子碎块。从故障盆式绝缘子的触头烧黑、导向杆挤压痕迹分析，本次故障主要原因是由于断路器出厂装配时，导电杆安装中心位置精度控制不到位，导致盆式绝缘子连接后受到应力作用，长途运输后产生微小裂纹，带电运行后，裂纹继续扩大导致绝缘击穿发生放电。

图2 放电击穿盆式绝缘子

案例4：隔离开关传动机构部件变形磨损引起的GIS局放异常[5]。2015年12月12日，某220 kV变电站巡检过程中发现220 kV GIS 2085间隔C相有异常响声，随即进行现场带电诊断。SF6气体分析检测发现2085间隔气室SO2体积分数为5 μL/L，H2S体积分数为0.5 μL/L，SO2体积分数已经远远超过注意值1 μL/L，表明气室内部有放电；然后利用超声波和特高频法进行局放检测和定位。综合上述几种带电检测结果判断，2085-1 C相隔离开关存在局部放电，放电类型属于悬浮放电，放电点位于2085-1 C相隔离开关传动机构处。解体检查发现隔离开关传动机构导电杆上集聚大量灰黑色粉末，导电杆内侧有摩擦痕迹，导电杆末端销子严重磨损；夹插两侧有磨损痕迹，等电位弹簧受挤压变形失去了弹性。本次故障的主要原因是：在安装时，夹插与销子之间位置配合不当，导致等电位弹簧受到挤压力，长时间运行后等电位弹簧不可逆变形，使得夹插和销子接触不良，产生悬浮电位并放电；夹插外侧与导电杆末端磨损可能为制造或者安装过程中，因材料、制造质量或者安装工艺控制不严，造成位置配合不当，或者在出厂试验时多次分合操作造成接触面磨损等。

2.3 GIS断路器操动机构异常

对GIS断路器操动机构异常案例进行分析发现，设备故障的主要原因是由于设备厂家早期技术力量薄弱，断路器在元件生产工艺控制、安装工艺控制及出厂验收方面存在严重问题，导致断路器长期运行后出现设备质量隐患。

案例5：某220 kV站GIS设备断路器机械特性异常。2018年5月13日，某220 kV站综合检修发现6台GIS断路器合闸时间及同期时间严重超标，型号为ZF11B-252（L），2014年投入运行。现场对断路器机构解体后发现，6台断路器弹簧机构的两轮间隙调节全部不合格，合闸弹簧调节杆外露尺寸一致性差。主要原因为生产厂家在断路器关键工艺质量控制、装配质量控制、关键部件把关验收和整组设备出厂试验等环节把关不严，导致设备在投运后性能发生异常，给电网安全稳定运行埋下了隐患。

案例6：某500 kV站罐式断路器油压低闭锁合闸异常。2018年5月16日0时46分，某500 kV站5023断路器“低油压闭锁合闸”报警，现场检查发现5023罐式断路器液压弹簧机构高压油路模块油轻微渗漏，机构箱内部存在少量液压油油迹，导致断路器频繁打压至低油压闭锁合闸。后对高压油路模块解体检查，发现渗油原因为机构换向阀处螺丝压力垫和密封垫安装错位，密封不严。

2.4 二次回路故障

非全相保护误动作。某220 kV站早期GIS断路器本体非全相功能不完善，在污秽潮湿条件下，断路器机构箱内辅助开关引出的非全相启动回路接点与断路器位置指示灯接点之间形成放电短路，导致断路器本体非全相保护误启动跳闸。

3 存在的问题及建议

对上述案例进行分析后可以得出，造成山西电网GIS设备常见缺陷和故障的主要原因是工程设计阶段、设备制造阶段、安装调试阶段的质量管理与控制不严造成的，具体表现为GIS产品设计、原材料质量、工厂装配、现场安装工艺及交接验收等环节存在质量控制不严，导致存在隐患的设备投入运行，这些隐患导致严重的电网事故和设备事故，造成不良影响。因此，要加强设备入网前期质量管控及投运后设备运维检修。

a） 工程设计阶段。在GIS产品设计方面，要结合设备实际运行现状，严格按照设备选型标准、公司反事故措施、差异化要求等进行设计审查，重点是对在原理上可行但实际运行中容易损伤造成设备隐患的微小元件的运行可靠性进行审查；对二次控制和信号回路的完整性进行审查，二次回路不应该有寄生回路，防跳继电器、非全相继电器要设置在汇控箱内，不应设置在机构箱内；对于易发生闪络的盆式绝缘子，设计时应尽量水平布置；设备机构箱内要有完善的温度湿度控制装置，且布置合理，便于运维期间进行定整定订设置。

b） 设备制造阶段。在原材料料质量控制方面，对制造设备的主要原材料、外购件的证明文件及检验报告和质量证明文件（材质成分报告、机械强度报告等）、制造厂家提交的检验资料进行审查；检查实际材质与材质单是否一致，外协外购件的尺寸公差、形状公差、位置公差是否满足图纸要求；针对GIS本体及附件易发生漏气隐患，重点进行GIS密封性检测；在产品装配方面，重点检查工厂设备装配记录是否全面，是否符合产品装配技术标准规范要求，装配记录应可追溯。

c）安装调试阶段。GIS设备现场安装时，应采取有效的防尘措施，必要时搭建专用的防尘室，重点监督GIS元件清理过程，防止灰尘颗粒擦拭不干净及其他金属小部件遗留在GIS设备内部；监督检查现场安装工序卡，防止部件错装、漏装、安装不到位等现象发生；交接试验除了完成规定的试验项目外，应对影响产品性能的关键参数进行检查，特别是影响断路器机械特性的关键参数，弹簧机构重点关注机构内部两轮间隙、分闸电磁铁顶杆间隙、合闸簧调节杆外露尺寸、脱扣器动作等直接影响开关可靠分合闸性能的关键部件及装配工艺等逐项检查验收并做好记录；液压机构重点测试油压开关所有微动开关接点回路，检查电机电源回路接线完好，核对监控后台信息，校验分闸、合闸、重合闸闭锁油压整定值；GIS设备耐压期间要同时做好局放检测工作，并记录局放值。

d）运维检修阶段。GIS运行中，要加强带电检测和在线监测工作，按周期开展红外、特高频、超声波带电检测，必要时结合SF6气体成分分析进行综合分析判断；做好SF6气室压力巡查及记录工作，定期进行分析对比，提前发现气室漏气缺陷；做好设备防雨、防尘、通风、防潮性能巡查工作；GIS例行检修，要做好机械特性试验数据、关键工艺参数的横向纵向比对分析；开展非全相继电器功能校验工作；加强辅助开关接点的检修维护工作。

4 结语

a） 绝大多数GIS设备发生缺陷、故障的原因为GIS在投入运行前就带有隐患。因此，GIS制造厂要严格按照生产工艺流程进行设备质量管控，同时电网公司设备质量监督部门要将监督关口前移，在GIS生产、制造、运输和交接验收各个阶段，严格按照《国网公司GIS验收管理规定》和《GIS全过程技术监督精益化管理实施细则》做好设备入网投运前质量把关工作。

b）做好产品质量把关工作，提高员工的技能水平，积极开展设备原理结构、相关技术标准、规程培训工作，开展实操和技能竞赛工作，努力打造一批高水平生产运维人员，为电网设备安全可靠运行做好技术保障。