500 kV GIS盆式绝缘子放电引起的接地故障分析

胡 昊，郑雄明，许 昌

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

GIS设备具有其占地面积少，绝缘性能好，运行可靠，维护方便等优点在我国发电站及变电站中广泛应用，GIS设备的数量不断增加，已经成为电力系统的主导开关设备。在运行过程中，由于GIS设备运行年限的增长，其发生故障的概率也在逐年上升，即使出现微小缺陷，也容易发生蔓延，引发设备故障，且查找故障点和检修时需要停电的范围大，检修时间长等问题导致经济损失较大。因此，研究GIS设备常见故障，总结故障原因，预防此类事故发生十分必要[1]。

隔河岩水力发电厂GIS设备由法国ALSTHOM生产，于1994年全部投入运行，至今已运行26年之久，难免发生设备故障，文章结合一起隔河岩500 kV GIS设备内部放电故障，阐述故障过程，从诊断试验和解体检查两方面分析故障原因，提出应对措施，以保障设备安全运行。

1 故障概述

1.1 故障经过

2019-05-18T21:55分隔河岩电厂对3号机组发出正常停机指令，21时56断开清5003开关时，主站报：3号机组大差保护动作、清葛线9PP1 Rcs-915GA母差保护装置跳母联动作、清葛线阿海法II母差保护动作、清葛线母联5012开关分、3号机组失灵保护动作、3号机组变差保护动作、3号机组Mark2快速停机启动(见图1)。

图1 母线保护图

1.2 现场检查试验

故障发生后现场检查5003开关在分闸位置，开关操作机构油压、气隔SF6气体压力正常，本体外观完好；线路避雷器计数器未动作，外观完好。

隔河岩电厂3号机发生故障后第一时间对5003开关A、B、C、三相进行了SF6气体微水、纯度测试、回路电阻、绝缘、开关分合闸时间等检查。检查发现C相微水较其他两相明显偏高且相对变化值较大，其他无异常。通过对故障录波及试验数据结果的分析，主变高压侧的C相有差动电流，而AB两相无差流，初步判断故障位置位于5003开关C相G0气室。初步判定故障相后，回收C相G0气室SF6气体，打开5003开关顶盖检查，并无明显异常，但气隔内有明显臭味。对回收至气瓶的SF6气体进行成份试验，SO2超标，确定故障点就在C相。

2 故障处理

为进一步确定故障原因，将5003开关G0气室C相解体，发现C相盆式绝缘子凸面(近开关侧)表面严重烧蚀碳化(见图2)，但凹表面正常，绝缘子无贯穿性放电现象；绝缘子触头安装的均压环上有多个烧蚀的孔洞；母线筒内故障点底部沉积大量黑色碳粉，内壁溅有少量金属熔化物，开关底部沉积有黑色粉末(见图3)，开关触头及其他附件无异常现象。

图2 5003开关母线筒内沉积物照片

图3 5003开关绝缘子表面照片

由于没有备用设备，现将备用间隔5052开关A相下端母线筒内的盘式绝缘子和均压罩拆卸，更换至5003开关C相，并进行全面清扫。整体回装完成后电气预防性试验合格。6月9日进行检查性耐压试验，具体为额定相电压317 kV耐压5 min，根据厂家要求按75%出厂值(680 kV)进行单相耐压试验，在60%时(415 kV)耐压3 min，75%时(510 kV)耐压1 min。试验合格。

3 原因分析

3.1 实验数据对比分析

经过比较历年的5003开关回路电阻(见图4)及分合闸时间(见图5)后，试验数据未见明显变化趋势，排除因断路器分闸不同期造成的过电压引起绝缘击穿。

图4 两方案水力坡降变化曲线对比图

图4 5003开关回路电阻测量记录图

图5 5003开关回路电阻测量记录图

图5 两方案从衬砌内缘到围岩内部的孔隙水压力变化曲线图

同期性实验数据符合制造厂规定:合闸不同期性小于8 ms，分闸不同期性小于3.3 ms，排除因断路器分闸不同期造成的过电压引起绝缘击穿，而判断为盆式绝缘子绝缘降低引起的短路故障。

如图6、图7所示，在发生故障后测量5003 C相气隔的微水为420.5 ppm，相比上次2018-01-24日测量记录47.32 ppm，虽然水分变化很大，但仍满足行标DL/T 603-2017《气体绝缘金属封闭开关设备运行维护规程》对气体水分的要求。查询清5003开关检修记录，自2005年至今，未对5003开关气室进行气体处理，排除因SF6气体导致的绝缘降低的可能。回收至气瓶的SF6气体SO2为22.8 μL/L，根据行标DL/T 603-2017《气体绝缘金属封闭开关设备运行维护规程》GIS诊断性试验项目的要求：SO2≤5，H2S≤2。SO2含量严重超标。

图6 5003开关气隔近年微水测量记录图

图7 5003开关气隔近年SF6纯度测量记录图

水分陡增的原因分析为：此盆式绝缘子制作材料为环氧树脂，属于有机绝缘，在绝缘子故障后产生的高温使有机材料发生碳化，释放的H和O离子被SF6吸收。而SO2含量超标源于SF6气体在高温和电弧放电作用下会产生大量分解物，分解物主要包括SO2，SF4等。同时也印证了该气室内部发生了放电故障。

3.2 故障分析

在排除其他引起跳闸的原因后，结合相关试验数据总结故障原因如下：

隔河岩电厂GIS设备开关均为立式结构(见图8)，故障点清5003开关气室内近主变侧盆式绝缘子靠近开关上断口部位，由于多年的运行，开关多次操作拉弧产生的金属微粒会随着灭弧气流的影响而附着在盆式绝缘子凸面(见图9)。

图8 开关结构图

图9 盘式绝缘子结构图

盆式绝缘子正常工作时，其表面最大电场强度出现在靠近中心导体的边缘处，且盆式绝缘子表面电场分布基本以导体中心向外扩散呈现逐步降低的趋势[2]。在交流电压作用下，绝缘子表面的金属微粒会产生剧烈局部放电，绝缘子表面开始积聚表面电荷，当绝缘子表面积聚了大量的电荷时，这些电荷就会改变绝缘子表面电场的分布[3]。

如果绝缘子表面长时间积聚有大量的电荷，则会导致绝缘子沿面闪络电压降低；而金属微粒或粉尘积累的越多，面积越大，则引起的场强畸变越严重，沿面闪络电压也就越低,盆式绝缘子很易发生局部放电，该放电不会迅速形成贯穿性通道，但在长期的过程中会使环氧树脂老化或产生化学降解，形成树枝放电，并最终导致击穿[4]。

由于盆式绝缘子闪络电压降低，在正常停机分闸后产生的过电压将盆式绝缘子绝缘击穿，导致C相母线通过盆式绝缘子表面与外壳法兰间产生沿面放电，造成短路故障。而短路故障后产生的电弧导致盆式绝缘子表面碳化、均压环被击穿。

4 结 语

此次故障发生后，为保障机组的安全运行，将隔河岩电厂4台机组投运的6台开关列入解体检修计划中。2019年9月在除5003外开关解体时，在盆式绝缘子及母线筒内壁上确实存在大量金属颗粒及黑色粉尘，但并未发现有放电及其他异常现象。同时也了解到广州抽水蓄能公司(该厂GIS设备于1994年投运，与隔河岩GIS设备同型号)的500 kV GIS设备5003开关内因绝缘杆绝缘强度降低造成接地故障。

因此对于此类随着运行年限可能出现绝缘故障的电气设备，应保持应修必修的原则，并重视设备在线监测试验，结合超声波、超高频局部放电检测技术及SF6气体成分检测来记录大龄设备绝缘的老化趋势。通过试验数据分析对设备进行针对性检修，预防此类故障，保障机组安全运行[5]。