220 kV GIS 刀闸故障分析及处理

庄 骞

（广东电网有限责任公司湛江供电局，广东 湛江 524008）

1 事件经过

2017 年6 月1 日，某升压站X 主变变高220X开关合闸后A 相电流出现间歇性波动，持续约38 s后X 主变变高开关220X 跳闸，保护屏发“主变差动动作”“主变差动速断动作”。现场检查发现4 号变高220X 进线刀闸220X 间隔A 相部分外壳发黑，温度明显偏高，解体检查发现该间隔发生明显对地拉弧放电，内部设备损坏严重。经专业讨论，随即将该间隔拆除并用220 kV 备用开关的出线间隔A 相整体予以更换，进行相关试验后于6 月11 日通过220 kV 6 号母线与系统并列，投入运行正常。

2 设备概况

图1 为220X 开关间隔示意图，该间隔于1997年出厂，1999 年投运。

3 保护动作分析

对保护装置及相关二次设备进行检查，确认保护装置主一、主二保护动作一致，2 套保护均为主变差动，非电量保护未动作，远方报警信息完整、故障录波完整，二次设备无异常。通过录波图（见图2） 分析，X 主变变高220X 合闸1.9 s 后，X 主变变高220X 开关A 相电流开始间歇性波动，持续时间为38.3 s，期间A 相故障电流共有48 次纹波电流，前47 次持续的时间不长且电流也不大，达不到保护出口动作定值，最后1 次故障电流幅值大、持续时间长，电流最大4.952 kA，故障纹波持续时间为1.8 s，已达到主变差动保护动作定值。在这一次故障电流发生后，二次保护正确动作，220X 开关跳闸。

4 刀闸及其操作机构检查

4.1 刀闸检查

图1 220X 开关间隔示意图

图2 X 主变保护动作录波图

现场检查发现220X 4 刀闸气室外壁过热变色，油漆脱落，故障部位发黑，解体检查筒内壁及其内部元件附着有大量的黄色电弧粉尘。220X 4 动触头端部烧蚀严重，动梅花中间触头的均压环已烧出1个孔洞，静触头触指及均压环完全烧损，铜屏蔽罩部分烧熔，刀闸气室底部的吸附剂盆子灼烧、发黑，吸附剂金属外罩也烧毁，该间隔内的220X40地刀机构及220XC0 地刀机构无明显熔损痕迹。动梅花中间触头的均压环已熔损，烧出一个大洞；与之对应方向的吸附剂盆子也发生严重熔损。判断此两者之间发生过放电烧蚀。220X 4 刀闸的动触头、静触头都已完全烧毁（见图3）。动触头的导电杆头部表面凹凸不平，还可看到烧熔的金属颗粒物附着在上面。静触头的屏蔽罩端部完全烧熔，触指全部烧熔，仅有小部分残存。判断动触头、静触头之间也发生过放电烧蚀。

图3 220X 4 气室故障动静触头

4.2 操作机构检查情况

220X4 刀闸A、B、C 三相是同一个气室，其分、合闸操作是通过同一个操作机构箱同步带动的。机构箱内的操作电机通过齿轮传动，齿轮带动连杆运动，连杆带动拐臂运动，拐臂带动拨叉运动，拨叉带动动触头导电杆动作。但检查发现拐臂并没有到合闸位，只转动到全部行程约2/3 处，那么可以判断动触头也只运动到行程的约2/3 处。

徒手扳动拐臂时，可以感觉到拐臂从分闸位运动到合闸位有2 个阶段：一是将拐臂从分闸位扳到故障位，只需一个较小的扭力，随后遇到一个阻力；二是从故障位扳到合闸位，则需一个较大的扭力才能扳动。这是因为动触头导电杆在进入静梅花触头后，静梅花触头装有弹簧触指使得其能与动触头导电杆牢固接触，因而其摩擦阻力增大，因此判断A 相合闸动作不到位。

通过刀闸分合闸原理可以知道，刀闸的操作电机是通过控制激磁线圈电流的流向来进行正转、反转从而实现刀闸合闸、分闸。电机上施加的220 V直流电是由电机、励磁线圈、碳刷接触电阻R共同分担。用万用表测量该电机电阻R为10.5 Ω，而测量其他电机电阻为5.2 Ω。电机解体后将碳刷压片调整后，电阻降回5.3 Ω。

当接触电阻过大时，电机及激磁线圈上所分得的电压就偏小，则其输出转动力矩也较原来小。如遇阻力大过转动力矩，则电机就会堵转，无法推动机构继续动作。在刀闸机械动作回路中动触头到全行程的2/3 位置后因有弹簧触指使得阻力增大，而此时的驱动电机如果力矩不足无法克服变大的阻力则会导致动触头无法进一步前进与静触头触指可靠接触。

5 GIS 刀闸故障原因分析

通过对以上设备的检查分析，可以推断出当时的故障过程。

值班员对220X 4 刀闸进行合闸操作。合闸指令发出后，220X 4 刀闸机构箱内的操作电机通电，通过机械传动，带动220X 4 刀闸动触头导电杆向静触头方向运动。此时运动阻力较小，电机可正常带动。当动触头运动至行程的约2/3 处，即动触头刚进入静梅花触头时，摩擦阻力增加，动触头继续前进合闸所需克服的阻力变大。此时电机由于内阻偏大的原因，出力不足，导致其不足以克服阻力到达正常合闸位置，动触头就停留在中间位置上，此时A 相的动、静触头之间处于临界接触状态，动静触头距离非常小。当220X 开关合闸后，动、静触头之间不可避免会产生电压差，而此时动、静触头之间的距离很小，此间隙很容易被电压击穿而形成放电。由于放电过程产生极高的温度，电弧燃烧造成静触头的屏蔽罩和触指被烧蚀，在电弧烧穿屏蔽罩和触指后对吸附剂盆子放电，形成对地放电通道，产生故障电流，间歇性电弧放电不断发展加剧，过程持续到38.3 s 时，故障电流急剧增大，将动梅花触头、吸附剂盆子也都熔毁，最终故障电流过大导致二次保护动作，主变跳闸。

通过以上分析，220X 4 刀闸没有完全合到位是导致220X 4 刀闸间隔故障的直接原因，而刀闸操作电机故障则是导致220X 4 刀闸A 相没有合到位的主要原因。

6 GIS 刀闸故障处理

做好停电隔离措施，进行气体回收，制定抢修方案，安排好相关的人员及工具，准备密封圈、SF6气体等材料、备件，联系开关厂家技术人员到现场协助安装指导，将该间隔拆除并用220 kV 备用开关的出线间隔A 相整体予以替换，并更换了220X 间隔所拆装范围内吸附剂、相关密封。组装后测量动触头行程（198±0.5） mm、开距（172±0.5） mm，动静触头的接触行程（25±2） mm，进行抽真空在40 Pa 以下充入SF6气体至额定压力0.5 MPa，测量220X 4 三相回路电阻为102 μΩ、108 μΩ、106 μΩ，SF6气体湿度检测结果为150 μL/L，全部在厂家技术规范要求范围内，满足投运条件。6 月11 日检修完毕后成功送电。

7 防范措施

a） 对GIS刀闸机构制定全面排查整改方案，对机构箱内的电气元器件及控制回路进行检查测试，特别是对驱动电机、操作连杆、辅助触点等曾经多次出现故障的设备要加强检测，对于明显老化、运行不可靠的电气元器件应及时予以更换。对相应的检修工艺规程与检修作业文件包及时进行修改，增加二期GIS 刀闸及其操作机构的巡视、检修和维护内容。

b） 结合主变及线路停电检修计划制订相应的GIS 间隔的大修计划，对GIS 设备进行解体大修，必要时可寻求原厂家的支持、配合。

c） 加强对值班员进行GIS 设备运行操作技能及应知应会的培训，尤其是如何有效判断封闭式刀闸合、分闸到位的培训，防止类似事件发生；提高值班员的电气专业技术水平及责任心。组织修订相关标准操作票，在该类标准刀闸操作票中应单独列一项检查刀闸分合位置的详细要求：在刀闸操作过程中应严格执行刀闸分合闸位置核对工作要求，通过“机构箱分合闸指示牌、汇控箱位置指示灯、后台监控机的位置指示、现场位置画线标识确认”，明确刀闸分合闸状态。

d） 针对当前GIS 设备使用年限久、近年故障率高、其备品备件已停产多年的情况，考虑GIS 设备改造可行性及改造方案。