500 kV GIS隔离开关触头结构缺陷分析及处理

杜金枝，翟 翔，熊中浩

（1.四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川 甘孜626700；2.中国大唐集团科学技术研究院有限公司水电科学技术研究院，广西 南宁610031）

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）通常由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成[1]。据某电网公司关于GIS 设备典型缺陷与事故分析的结果，由于触头接触不良造成的故障占了29%，其中因主触头接触不良造成的故障占了11%，由于屏蔽罩接触不良造成的故障占了18%[2]。可以看出，针对GIS设备的隔离开关的触头进行精确检查和研究对GIS 设备的安全、稳定、高效运行是十分有必要的。

1 事件经过及故障分析

某大型水电站处于中国西电东送的重要节点。该电站采用国外某品牌500 kV GIS 开关站。500 kV侧为3/2接线方式，有4台变压器和2回出线，其中隔离开关与接地开关均采用三相共用一个电动机操作机构，该操作机构安装于C 相，B、C 相之间和A、B相之间各设置一根传动连杆，由传动连杆将C相动作传动至B、C相以实现三相联动。

2019 年4 月，在进行倒闸操作时，#3 机组事故停机，发变组纵差保护动作，A相动作电流6900 A。根据保护动作范围，检修人员到现场检查，发现50016开关A相气室SF6气体的气味异常，初步判定为该气室发生对地短路。为进一步确定故障气室，次日特邀科研院技术人员对该气室进行SF6气体成分分析，SO2采样瓶通气15 s，完全变色；HF 采样瓶通气2 s，完全变色。以上结果基本确定了50016开关A 相气室内发生闪络，于当晚对50016 隔离开关进行了解体检查，结果发现其动触头烧毁，动触头屏蔽罩约1/3被烧黑，其中有一处颜色较深，明显是由对地放电造成。

通过对隔离开关解题检查的结果、事故录波分析、SF6成分分析，经过厂家、科研院综合分析基本确认事故原因为：由于动、静触头结构设计缺陷，安装阶段作业环境整体不佳，加上现场由于工期较紧，在安装工艺方面还存在清理不到位的情况，从而导致壳体对地闪络事件的发生。

2 仿真计算及处理结果

针对隔离开关动、静触头存在结构缺陷的问题，科研院与厂家立即编制解决方案。原动触头为空心结构，原静触头为通过花形触指结构，实物图如图1、2所示。

图1 原静触头实物图

图2 原动触头实物图

根据经验分析，原动触头端部设计空心很容易在动触头电弧对静触头时电弧飘移到屏蔽罩上面，从而对壳体闪络接地。原静触头的开口设计也加剧了产生电弧时的漂移现象。所以拟计划将动触头改为实心结构，静触头改为Z 型触指结构。更改设计结构图如图3所示。

图3 动、静触头重新设计结构图

为了验证新设计的动、静触头对电弧漂移抑制的有效性。本文通过ANSYS Maxwell v15 软件进行仿真分析，图4 展示了原设计结构和新设计结构的电场计算对比。

图4 原设计结构和新设计结构电场计算

电场改善：原结构设计隔离开关在分闸至80 mm时才能有效切断重燃弧，重新设计的隔离开关在分

闸至50 mm时就完全切断重燃弧。

图5 原设计结构和新设计结构电弧电场值计算

图5 展示了原设计结构和新设计结构产生电弧电场值的计算。电弧改善：原结构设计产生的最大电弧电场值为20.1 kV/mm，重新设计的隔离开关产生的最大电弧电场值为4.2 kV/mm，降低电弧电场值80%左右，有效地限制了电弧的飘移。

综合分析，原设计DS 在分闸时触头端部拉弧时，由于端部设计空心很容易在动触头电弧对静触头时电弧飘移到屏蔽罩上面，从而对壳体闪络接地。结构设计改进后，DS分闸时电弧仅在动触头端部与静触头端部之间，很好地限制了电弧，不会发生飘移，由此彻底避免了对壳体闪络接地。

3 结束语

大型GIS 设备隔离开关的动静触头的结构设计对设备的整体安全稳定运行尤为关键。根据此次事故处理的经验，应该加强GIS 隔离开关仿真计算分析和预防性试验。通过出厂时相关调试试验，预防杜绝GIS隔离开关结构性设计缺陷。

由上述分析可见GIS 采购时，须经过严格的出厂试验，现场安装完毕，移交前也要也要经过严格的交接试验，模拟实际情况，才能保证日后电站的安全可靠运行，避免了因为故障造成的经济损失。