气体绝缘金属封闭开关设备电压互感器击穿放电故障原因

牛建鸿, 曾庆忠, 王光明, 杨育京, 严 新

(西安西电高压开关有限责任公司, 西安 710018)

在电力工业中，气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear,简称GIS)是电力系统的重要设备，它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端和进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体[1-2]。

电压互感器(PT)是GIS中的关键元件之一,是专门用作电压变换的特种变压器，可将电力系统的高电压按比例关系变换成标准二次电压，对于维持变电站日常运行至关重要；PT又是发电厂、变电所等输电和供电系统不可缺少的一种检测元件，所提供的实时电压检测值可用于电力系统的电气测量和电气保护[3-5]。

随着我国电力事业的蓬勃发展，对PT性能提出了更高的要求，如果PT的绝缘性能出现问题，将引起PT放电，造成一次或二次绕组击穿，引发继电保护使得PT退出运行，电力线路停运[6-13]。为保证GIS安全运行，笔者根据相关文献以及在多年实际生产中遇到的PT击穿放电事故，对PT常见击穿放电类型及其形成原因进行了分析，并提出相应的措施，以期减少故障的发生。

1 PT工作原理

PT在正常工作条件下，其二次电压实际上与一次电压成正比，在连接方向正确时，二次电压与一次电压的相位差接近于零，PT的一次绕组与电力线路并联，线路中的电压就是互感器的一次电压，二次绕组外部回路接有测量仪器、仪表或继电保护、自动控制装置等，其工作原理如图1所示[14-15]。

图1 PT工作原理图Fig.1 PT working principle diagram

根据电力线路的电压等级，PT的一次、二次绕组之间需要设置足够的绝缘，以保证所有低压设备与高电压相隔离。

2 PT击穿放电原因分析及预防措施

2.1 油类污染引起的击穿放电

PT在现场安装时，由于抽真空处理过程未严格按操作规范进行，导致真空泵内的油倒流，进入PT气室中，造成气室的屏蔽罩或PT线圈等沾染油污。运行前期，真空泵内的油作为绝缘油的一种可视作绝缘体，但随着PT气室中的一次高压作用，产生局部放电，导致绝缘油碳化，即绝缘油在高压作用下，分子链分解断裂形成碳化物，在屏蔽罩或PT线圈上形成黑色附着层，进而形成放电通道，致使PT放电击穿，如图2所示。

图2 油类污染引起的PT放电Fig.2 PT discharge caused by oil pollution: a) coil after PT discharge; b) discharge disc insulator

因此，无论是在PT的生产厂家，还是在安装现场，抽真空处理时，必须严格按标准操作规范进行，并做好记录。一旦可能发生真空泵油倒流的现象，必须按规定对PT产品进行解体检查，然后重新安装；同时，对抽真空的机组需尽可能采用防止真空油倒流的控制装置，避免对PT气室形成危害。

2.2 铁芯夹带异物引起的击穿放电

PT在现场运行的安装方式处于倒装状态时，如图3所示，由于其运输、生产过程是正立状态，一旦产品在装配过程中不小心带入异物，夹在铁芯或部件的某个部位，当产品带电运行后，在电磁场作用下铁芯等产生微小的振动，加上产品倒装，会导致异物掉落。当异物飘落于间隙距离最小处(即高压导体与低压躯壳拔口处电场最不均匀的地方)，电场将产生局部畸变，引起高压导体对躯壳放电，放电产物喷溅后导致SF6气体被污染，之后可能引起线圈外侧的均压屏蔽对躯壳放电、一次线圈沿面放电、绝缘盆子表面放电等一系列不规则的贯穿性放电现象。

图3 倒装状态的PT示意图Fig.3 PT schematic diagram of inverted state

为杜绝上述原因引起的故障，要求在PT铁芯进行叠装之前，每片硅钢铁芯使用无水酒精进行清洁擦拭，而且叠装时需要使用叠装专用工装，防止由于摩擦产生金属粉末夹带于硅钢铁芯之中，再随铁芯装配而进入PT气室中，在PT后期运行引发故障。

2.3 气室中微量水分引起的击穿放电

PT的二次线圈绕线匝数高达数万匝，由于其线圈层间使用的聚酯薄膜绝缘材料、漆包线表面绝缘漆、铁芯硅钢片表面的油漆以及PT躯壳内表面的油漆等材料均为高分子材料，其表面极易吸附空气中的微量水分，如果PT线圈在装配前未严格按工艺文件要求进行加热除潮处理，则容易夹带部分水分进入PT气室中。PT运行过程中，由于高压线圈内部温度较高，其中的微量水分随即散发于PT气室中，如果此时PT气室中部分零部件存在尖角、毛刺等缺陷，在高电压的作用下，会产生局部放电现象。气室中作为绝缘介质的SF6气体可能发生分解，这些分解物与水发生化学反应，形成具有腐蚀性的氢氟酸、硫酸等腐蚀聚酯薄膜、铝导体等零部件，从而引发短路故障。短路大电流会瞬间产生大量热量，引起绝缘材料气化变质，形成絮状、粉状、氧化状等损坏形态，图4为典型的绝缘材料絮状缺陷引起的PT放电。

图4 绝缘材料絮状缺陷引起的PT放电Fig.4 PT discharge caused by flocculent defects of insulating materials

为了尽可能减少PT中水分含量，在产品装配中，必须严格按照装配工艺文件要求，对PT所使用的一次线圈和二次线圈进行加热烘干处理，同时保证绕线工序所处的工作环境达到工艺文件规定的洁净度、温度和湿度要求，严格控制在PT绕线工序生产中可能对产品产生不利影响的因素。

2.4 杂质引起的击穿放电

某次PT在现场发生放电击穿事故后，对产品进行解体，如图5所示，可见PT线圈、环氧浇注绝缘子、安装线圈底板和躯壳上均布满粉尘以及放电击穿所产生的痕迹，与图6所示的装配过程中洁净线圈及底板的现场安装图对比，明显可见发生故障的产品内部存在许多放电粉尘，此时PT运行状态不良。

图5 PT放电后的产品解体形貌Fig.5 Product disassembly appearance after PT discharge: a) coil; b) base plate; c) body

图6 装配中洁净的PT线圈及底板Fig.6 Clean PT coil and base plate during assembly

对PT整体装配过程分析研究之后，提出为防止装配过程中引入灰尘等异物，要求定期检测PT装配环境洁净度,定期更换试验用SF6气体;对装配前涂覆了防锈油脂的零部件必须进行清洗、烘干等，从而避免在装配阶段引入灰尘、异物等；对产品密封面按工艺文件要求涂覆密封胶，防止在产品安装后微尘等从密封面缝隙渗入产品内部。

2.5 铁磁谐振引起的击穿放电

在电力系统中有许多铁芯电感元件，如发电机、变压器、电压互感器、消弧线圈和并联补偿电抗器等，这些元件大部分为非线性电感元件，它能和系统中的电容元件组成许多复杂的振荡回路，在某种大的扰动或操作影响下，非线性电感元件达到饱和状态，从而与线路和设备电容形成特殊的单相或三相共振回路，激发起持续的、较高幅值的过电压或过电流，即铁磁谐振。

PT发生铁磁谐振时，形成谐振过电压，同时伴随有较大的过电流，加之谐振持续时间很长，会在产品内部产生高温，导致线包内部固化胶体融化，使线包固定失效产生位移，最终导致放电。放电污染了SF6气体绝缘介质，使高压线圈的绝缘性被破坏，造成产品的进一步放电，严重情况下甚至能引发PT爆炸。图7为铁磁谐振引起的PT击穿放电，造成了屏蔽移动故障。

图7 铁磁谐振引起的PT放电Fig.7 PT discharge caused by ferroresonance

为增强PT防铁磁谐振变形能力，首先，PT一次和二次绕组应选取优质铜导线，且导线截面积要尽可能大，以增强产品耐受过电流的能力；另外，要求对紧固螺钉按工艺要求的紧固力矩紧固；特殊螺钉涂覆紧固胶紧固；运输期间使用冲击记录仪记录运输过程是否产生了过量冲击，使PT产品在运输过程中其薄弱环节发生损坏。

3 结论及建议

针对PT产品发生的击穿放电故障，总结出引起击穿放电故障的主要因素有油类污染、铁芯夹带异物、微量水分、杂质以及铁磁谐振等。为减少上述故障的发生，在PT生产过程中必须严格做到以下几点。

(1) PT装配过程中的抽真空工序，需严格按工艺文件的规范执行，同时填写相应的抽真空记录。

(2) PT装配所涉及的各种零部件，需进行清洗和清理，按规定使用装配工装。

(3) PT所用的一次线圈和二次线圈，需严格执行加热烘干工艺。

(4) 定期检测PT装配环境的洁净度，定期更换试验用SF6气体，对产品密封面按工艺文件的要求涂覆密封胶等。

(5) PT绕组选取优质铜导线且导线的截面积应尽可能大;对紧固螺钉按工艺要求的紧固力矩紧固，特殊螺钉涂覆紧固胶紧固；运输期间使用冲击记录仪记录运输过程是否产生过量冲击等，增强PT防铁磁谐振变形的能力。