一起1100kV 气体绝缘金属封闭开关设备母线放电故障分析
2021-04-24余爽赵科
余 爽 赵 科
(1. 国网江苏省电力有限公司检修分公司,南京 211100;2. 国网江苏省电力有限公司电力科学研究院,南京 211100)
0 引言
气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear, GIS)在现代电力系统中起着举足轻重的作用,具有结构紧凑、运行可靠和易维护等优点[1-2]。GIS 在制造、运输、安装、运行过程中,可能会因产品质量把控不严或长期操作振动,导致其内部导体表面存在金属微粒、绝缘件或紧固件松动和相对位移等缺陷,严重时引发跳闸事故,甚至造成人身伤害,带来巨大的损失[3-7]。
1 故障概述
特高压站执行网调1 000kV Ⅰ母线复役操作,通过T011 开关给Ⅰ母线充电,遥控合T011 开关,40ms 后,1 100kV GIS 故障,Ⅰ母两套母差保护动作,跳开T011 开关,C 相故障电流约为14.2kA。故障时现场天气晴,气温-6℃~6℃。
故障前运行方式为T011 处于热备用状态,T051、T041、T022 处于冷备用状态,T053、T042、T043、T023、T013 开关处于运行状态,如图1 所示。
故障设备为河南平高电气股份有限公司生产的ZF27—1100(L)型GIS,额定电流为6 300A(母线8 000A),额定短路开断电流为63kA,制造日期为2014 年,投运日期为2016 年4 月3 日。
2 检查处理
2.1 保护动作情况
图1 故障前运行方式
故障发生后,现场检查1 000kV Ⅰ母第一套母差保护和第二套母差保护均动作,故障电流14.2kA,保护动作行为正确。调取监控后台事件顺序记录(sequence of event, SOE),故障发展过程见表1,故障时刻波形如图2 所示。
表1 故障发展过程
图2 1 000kV 线路及母线故障录波
从图2 可以看出,T011 开关遥控合闸后4ms盱泰Ⅰ线电压波形开始出现异常,14ms 时C 相电压跌至零,故障电流增加。本次故障电流由T011 开关流向故障点。由于盱泰Ⅰ线线路保护未动作,判断故障点处于盱泰Ⅰ线保护范围外,即T011 母线侧隔离开关至整个Ⅰ母母线段。
2.2 一次设备检查情况
故障后,现场检查发现1 100kV GIS T011 断路器位置为分位,机构油压为 33MPa(额定为31.5MPa),未见异常。对设备SF6压力情况进行排查,非断路器气室的压力为0.48MPa 左右(额定值为0.45MPa),断路器气室的压力为0.68MPa左右(额定值为0.65MPa),排查未见压力异常。
对Ⅰ母及关联设备C 相的SF6组分进行了测量[8-9],发现Ⅰ母10 号气室气体组分异常,SO2和H2S 含量严重超标,其中SO2体积分数为70×10-6,H2S 体积分数为 28.7×10-6(标准规定均不超过10-6),测量结果如图3 所示,初步判断放电故障点位于该气室。
图3 Ⅰ母10 号气室气体成分测量结果
现场对Ⅰ母C 相10 号气室进行开盖检查,确定放电点位于Ⅰ母C 相10 号气室近T0411 侧隔离开关盆式绝缘子,为绝缘沿面闪络故障,盆子沿面闪络情况如图4 所示。对该气室另一侧盆子进行检查未发现放电痕迹。
图4 故障盆子沿面闪络情况
综合一次设备检查情况及保护动作情况,初步分析故障原因为Ⅰ母C 相10 号气室近T0411 侧隔离开关盆式绝缘子存在绝缘缺陷,在空母线投入时发生沿面闪络,进而导致母差保护动作跳闸。
3 返厂检查
3.1 外观检查
对故障盆子返厂检查发现,10:00~13:00 区域(面向盆子凹面)有大片灼黑痕迹,3:00 区域有三条细树叉状放电痕迹,6:00 区域有熔融物飞溅痕迹,如图5 所示。
图5 故障盆子外观检查
故障盆子触头座在10:00、12:00 左右区域(面向盆子凹面)有2 片金属烧融痕迹,如图6 所示。筒体内表面(对应导体电弧烧蚀点)在10:00、12:00区域(面向盆子凹面)有两处电弧烧蚀点。筒体内表面6:00 方向有熔融物滴落堆积痕迹,导体触头座表面烧蚀严重,如图7 所示。
3.2 试验检查
对故障盆子进行X 光检查[10-12],未见异常,如图8 所示。对故障盆子凹、凸面打磨抛光,分别进行着色渗透试验,试验结果未见异常,如图9 所示。
图6 故障盆子触头座
图7 导体触头座外观检查
图8 故障盆子X 光检查
图9 故障盆子着色渗透试验
将故障盆子封入试验工装,进行工频耐压局部放电试验[13],试验加压顺序为:0→1 100kV/5min→762kV/10min→试验结束。最大局部放电量约为1.7pC,满足单只绝缘件局部放电量不超过3pC 的要求,试验结果未见异常。
3.3 原因分析
盆式绝缘子放电的原因主要有内部绝缘缺陷、绝缘及连接件松动、表面异物三个方面。通过返厂X 光检测、着色渗透试验及耐压试验,发现盆子绝缘无异常,因此排除内部绝缘缺陷的问题。通过现场解体检查,未发现盆子及导电杆连接件松动的问题,这一方面的原因也可排除。通过对盆子表面、触头座的放电痕迹检查可以看出,放电起始通道为中心导体12 点方向沿盆式绝缘子表面发展,到GIS筒体12 点位置导通形成放电通道。因此推断本次故障原因为盆子电连接装配间隙处可能存在微小颗粒、纤维等异物。
故障盆子位于Ⅰ母C 相母线末端,该相母线未安装PT,在盆子表面容易积聚残余电荷。T011 开关处于母线另一侧,通过T011 开关给Ⅰ母线充电时,在操作过电压、盆子表面残余电荷、长母线容性效应的共同作用下,故障盆子处电压相对升高,放电电压降低,造成绝缘子沿面放电[14]。
综合上述分析,本次故障原因为盆子电连接装配间隙处可能存在微小颗粒、纤维等异物,母线复役过程中,在盆子表面残余电荷、操作过电压等因素作用下,造成盆子的闪络故障。故障后异物消除,盆子绝缘强度得到恢复。
4 结论
本文对一起特高压变电站1 100kV 气体绝缘金属封闭开关设备母线跳闸故障进行了分析。综合厂内检查、解体结果,本次故障原因为盆子电连接装配间隙处可能存在微小颗粒、纤维等异物,母线复役过程中,在盆子表面残余电荷、操作过电压等因素作用下,诱发盆子电连接装配三角区电场畸变,造成盆子的闪络故障。
针对本次故障的原因,为避免类似故障再次发生,提出以下建议:
1)生产厂家需进一步加强产品制造质量管控,保证产品生产环境及出厂质量。同时核算盆子结构、盆子与电连接装配三角区电场,进一步研究操作过电压下盆子的绝缘特性。
2)基建安装过程中,施工单位及厂家加强GIS母线对接、内部安装环节的管理,提高安装质量。
3)设备验收过程中,监理及运维单位加强实施验收检查,交接试验过程中对设备本体进行全面的局部放电检测。