一起500 kV GIS断路器内部放电故障分析及处理

沈潇涵，韩 翊，华 涛

（国网山东省电力公司检修公司，山东 济南 250018）

0 引言

近年来，气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）被广泛应用于国内新投运变电站中，具有绝缘性能优良、可靠性高、占地面积小、维护工作量少等优点［1］。因其全封闭的特点，GIS在实际运行过程中会出现密封不良、内部放电等隐患、缺陷难以及时发现而导致设备故障跳闸，严重危害电网安全运行［2］。

本文结合一起500 kV GIS断路器内部异物放电故障的典型案例，通过现场检查、故障后试验、返厂解体，分析了故障原因，制订了处理方案并提出了预防措施。

1 事故概况

2020年某日，某500 kV变电站执行3号主压变器（以下简称主变）停电倒闸操作处理A相铁芯接地瓷瓶漏油缺陷。7：20，在拉开3号主变5041开关约13 s后（主变高压侧5041、5042开关、中压侧203开关、低压侧303开关已拉开，主变处于热备用状态），500 kV 1号母线及3号主变主保护动作，一串联络5012开关和500 kV线路5051开关跳闸，故障电流为12 kA，造成500 kV 1号母线跳闸，未损失负荷。6天后恢复送电。

经检查分析确认，该跳闸由主变高压侧5041开关C相内部异物放电引起。故障段GIS断路器额定电流为5 kA。

2 现场检查及返厂试验

用SF6成分分析仪测试，发现主变高压侧5041开关C相气室SO2含量为43.57μL/L（标准值为1μL/L），H2S 含量为 1.64 μL/L（标准值为 1 μL/L）［3-5］，其他气室无异常。判断故障点在主变高压侧5041开关C相气室。主变高压侧5041开关气室布置如图1所示。

图1 主变高压侧5041开关气室布置图

现场打开主变高压侧5041开关C相手孔盖板，发现机构侧灭弧室动触头屏蔽罩外沿对罐体放电，如图2所示。通过盖板只能检查局部情况，需返厂解体分析。

图2 C相机构侧动触头屏蔽罩

经返厂解体，对主变高压侧5041开关故障相（C相）解体并将灭弧室移出，逐件拆解检查。高压侧放电点为机构侧灭弧室屏蔽罩末端下方位置，低压侧放电点为拔口位置，手孔盖的吸附剂罩上有金属滴熔物，如图3所示。

图3 放电点的情况

在壳体放电点周围、靠近机构侧和远离机构侧灭弧室屏蔽罩内发现黑色条状物，能用磁铁吸住，如图4所示。

图4 解体检查发现的金属异物

罐体内壁、靠近机构侧灭弧室内壁上附着有大量白色絮状物，为白色氟化物附着在细丝上，如图5所示。

图5 解体检查发现的白色絮状物

其他位置如绝缘拉杆、绝缘盆等绝缘件外观无异常，灭弧室动静触头外观无异常，动触头铁拉杆、泄压阀及护板外观无异常，罐体内紧固件无缺失、松动，除放电点外屏蔽罩外观无异常。

利用手持式合金成分分析仪分析金属异物成分，并与可疑元件进行对比。由于异物成分较少，将异物置于白纸上进行探测，结果如表1所示。

表1 金属异物成分分析结果

经成分分析，3种金属异物均含有铬（Cr）、钼（Mo）元素，而屏蔽罩接头、长螺杆没有钼元素，经查询图纸和检测确认，断路器气室内其他铁磁性部件均不含钼元素。因此，判断金属异物来自动触头铁拉杆。

3 原因分析

经解体检查分析，发现气室内存在白色絮状物、金属异物两种异物。

1）白色絮状物。白色氟化物附着在细丝上，形成白色絮状物，且细丝用打火机点燃即消失，为非金属物质。判断吸附剂罩内分子筛袋受电弧高温产生细丝，随气流流动并附着于内壁上；白色氟化物在电弧作用下汽化，冷却后凝结在细丝上，形成白色絮状物。因此，细丝不是故障的根本原因。

2）金属异物。从壳体放电点附近、靠近机构侧灭弧室屏蔽罩内、远离机构侧灭弧室屏蔽罩内发现金属异物，均为铁磁性材料。

安装时，断路器气室未曾打开，排除金属异物进入可能。现场充气采用带过滤嘴充气阀，不存在异物进入可能。

断路器气室含有铁元素的零部件有灭弧室动触头铁拉杆、泄压阀及护板，屏蔽罩固定接头、长螺杆，辅助绝缘拉杆两侧紧固螺栓以及其他紧固螺栓等。为此，对返厂断路器的上述部件逐个检查，未发现任何零部件有损坏、缺失情况，排除运行过程中断路器分、合产生该金属异物的可能性［6-8］。

生产厂家进行断路器200次机械操作时，灭弧室安装在工装罐中且不加装屏蔽罩，200次磨合后拆装清理灭弧室，再加装屏蔽罩，完成总装。基于此种方式以及铁磁性零部件加工工艺，判断金属异物可能产生原因有两种：一是屏蔽罩接头安装过程清理不彻底。200次机械操作后安装屏蔽罩时，采用从外部将屏蔽罩长螺杆固定在屏蔽罩接头上，此过程中可能产生金属异物，总装后若清理不彻底会导致异物遗留。二是动触头铁拉杆底部螺纹处，精加工过程中容易产生条状金属屑，工艺要求清理螺纹连接处尖角毛刺，磷化后用硅脂涂抹螺纹缝隙，若清理不干净将导致金属屑隐藏在螺纹缝隙中。

综上分析，主变高压侧5041开关动触头铁拉杆在精加工后，少量金属异物藏匿于螺纹缝隙；生产厂家200次机械操作、装配过程中未清理干净，厂内及现场绝缘试验无法有效发现。运行过程中，灭弧室开断电流的高温气体将该异物吹至罐体上，在电动力作用下，条状金属异物位置发生改变，移动至屏蔽罩与罐体之间绝缘薄弱位置，导致屏蔽罩对罐体放电。

4 处理意见及防范措施

针对此次事故暴露出的制造工艺不精、产品质量欠佳的问题，提出以下处理意见及防范措施。

1）针对断路器内部异物放电，在生产制造环节开展试验验证，一是验证罐体金属异物能否放电，二是验证屏蔽罩内金属异物能否被吹出放电，三是验证灭弧室动触头铁拉杆内部异物能否被吹出。

2）加强500 kV GIS设备带电检测，缩短检测周期，针对断路器底部开展金属异物的超声波局部放电专项检测［9-11］。若发现异常信号，立即停电检查。

5 结语

本文针对一起500 kV GIS断路器内部异物放电故障，结合现场检查及设备返厂解体情况，明确了故障原因，分析了故障过程，针对暴露的问题提出了有针对性的预防措施，以保证GIS设备安全运行。