刀闸合闸不到位引发跳闸的故障分析

段秀凯，邹 运

(国网山东省电力公司聊城供电公司，山东 聊城 252000)

0 引言

气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear， GIS)是将变电站内母线、断路器、刀闸、CT、PT等一次设备集中于一个充满SF6气体的封闭金属筒内，具有占地面积小、维护量少、可靠性高等优点 。但是，由于组合电器为封闭式结构，无法直观观察到刀闸动、静触头行程变化，存在隔离刀闸或接地刀闸分合不到位运行的风险 。

针对一起由线路侧刀闸合闸不到位导致触头烧损引起的保护跳闸故障进行分析，并就组合电器生产制造及运行过程中存在的问题提出解决办法和防范建议，以防此类故障再次发生。

1 故障概述

某220 kV变电站采用双母线并列运行方式，共有220 kV线路4条、母联间隔1个、PT间隔2个及主变间隔2个，其中线路Ⅰ214间隔与线路Ⅱ213间隔为2个220 kV变电站的2条联络线，2条线路于2019年10月投运后未发现明显异常。

2020-01-14T12：57：29，220 kV线 路Ⅱ213间隔发生C相故障，两侧纵联保护动作跳闸，重合不成。故障测距显示，线路对侧17.48 km，站侧0.03 km (线路全长17.8 km，全线架空线路)。

2 现场检查

2020-01-14T15：00：00，检修人员到达故障变电站，对220 kV线路Ⅱ213间隔进行检查。

2.1 外观检查

(1) 现场保护装置信息及动作逻辑检查。220 kV线路Ⅱ共4套CSC103BE保护装置，故障发生时，该站213间隔C相故障电流(二次电流)为34.7 A (折合实际电流1.1万A)，线路对侧间隔C相故障电流为6.05 A，均超过差动电流动作值1.2 A，两侧纵联差动保护动作，跳开C相开关，1 s后重合闸动作，C相开关合上，随后因故障为永久性故障，故障电流较大，距离加速保护立即动作，跳A，B，C三相开关，故障切除，符合“单跳单重后加速”的逻辑，4套保护装置均正确动作。

(2) 现场一次设备外观检查。检查213出线套管至站外1号塔之间无接地放电迹象。

(3) 现场组合电器气室气体成分分析。对213间隔各GIS气室进行SF6气体成分分析，测试结果显示213-3刀闸(线路侧隔离刀闸)三相气室内放电特征气体均远大于相关标准要求，且C相气室H2S、SO2含量远大于A，B相气室，如表1所示。考虑到213-3刀闸三相气联结构，确定C相气室为SF6放电气室，SF6放电后H2S、SO2向A，B相扩散，与保护动作信息一致。

表1 220 kV线路Ⅱ213间隔气室气体组分 μL/L

(4) 故障前电流变化情况。经查阅主站信息系统数据发现，2019-12-31T12：00，线路Ⅱ213间隔C相电流从45.1 A骤减为零，线路Ⅰ214 C相电流则从41.7 A陡增为77.6 A，表明此时213-3刀闸已断开电气连接，213 C相负荷直接转移至214 C相间隔。由于CT断线定值设定为0.5 A，213 CT运行变比为1 600/5，C相电流变化未达到CT断线定值，保护装置未报发相关信号。

2.2 解体检查

2020-01-14T19：40，对213-3刀闸气室进行现场解体检修，发现在213-3 C相刀闸导体及绝缘件、筒璧附着大量白色粉末；气室腔体底部发现少量金属粉末残留；气室内壁上有飞溅的金属珠及烧伤痕迹；刀闸动、静触头烧蚀严重，圆形触指罩有烧损后的缺口；刀闸气室与断路器气室之间的盆式绝缘子表面被电弧烧灼炭化，有深黑色的放电痕迹，腔体表面有大量粉末附着；C相刀闸导体对设备外壳发生放电，腔体内壁有黑色放电痕迹，同时刀闸动触头表面附有大量灰色金属粉末，动触头下侧有明显的放电痕迹。

由于213-3刀闸三相气室之间通过气联相通，现场人员对213-3 A，B两相气室进行开盖检查处理。经检查，213-3 A，B相刀闸气室内部无金属粉末类物质。经SF6气体成分检测及气室解体后检查，可判定此次故障是213-3 C相刀闸触头烧损导致气室内放电引起的 。

3 故障原因分析

3.1 设备原因

检修人员联系设备厂家技术人员对设备进行现场解体检查，发现放电起始位置位于刀闸动、静触头接触面下端，隔离开关静触头有明显烧熔痕迹，判断设备内部放电的主要原因为设备内部过热，隔离开关接触面烧伤，导致电场发生畸变，该部分对设备外壳进行放电。

导致隔离开关过热的可能原因有：隔离开关合闸不到位；隔离开关内部触头氧化、触头弹簧疲劳或者损伤。通过对隔离开关的解体检查以及对A，B相隔离开关气室的内部检查，可以排除第2种原因，故此推断，隔离开关内部过热主要是隔离开关合闸不到位所致。

对内部传动机构进行解体，发现在齿轮箱内共含3个齿轮，分别为传动齿轮(76齿)，中间齿轮(上60齿、下24齿)和输出齿轮(24齿)。隔离开关动作时，驱动电机通过传动齿轮，带动中间齿轮，然后将力矩传输到输出齿轮，作用于刀闸导体，完成分、合闸操作。

检修人员测量发现，隔离开关由分闸到合闸状态，其传动齿轮转动角度为73°，内部导体移动158 mm，断口距离120 mm。隔离开关动、静触头的插入深度8 mm，而厂家技术规程要求动、静触头插入深度为(33±5) mm，远远小于规程要求。

由于中间齿轮的上、下齿轮大小不一致，中间齿轮与输出齿轮如错齿安装，导致中间齿轮与传动齿轮安装困难。中间齿轮的主要作用为齿轮加速与力矩(能量)传递，只要保证传动齿轮与输出齿轮位置不变，中间齿轮的安装不会影响隔离开关导体的插入深度，因此排除了中间齿轮与输出齿轮错位的可能。随后厂家技术人员对比设备出厂规程要求，通过计算得出结论，传动齿轮错位2齿。

3.2 管理原因

该批次产品驻厂监造与到货交接验收流于形式，未对关键点见证到位，使设备“带病”送电。设备运行阶段，运维监控管理不到位，设备于2019-12-31发生异常，直到2020-01-14保护跳闸发出信号才得知。

综上分析，认定该刀闸在安装过程中传动轴齿轮发生错位导致合闸不到位是此次故障的直接原因，设备监造、验收、运维人员监管不到位，使设备“带病”运行是此次事故的间接原因。

4 防范措施

(1) 加强对同批次其余刀闸的管控。为防止该站其他间隔刀闸存在类似情况，建议加强对相关设备的带电监测，前期每隔1月进行一次精确测温、局部放电检测，对发现问题的情况及时停电处理；对于运行正常的设备可以逐步延长检测周期；结合停电计划，对所有间隔刀闸插入深度进行检查测量，防止类似情况发生。

(2) 加强对驻厂监造、到货验收及设备大修关键点的管控。该批次产品驻厂验收与监造流于形式，未对关键点见证到位。依照国网公司“五通一措”标准要求，结合泰开、西开、平高、新东北等厂家GIS设备的具体情况，分别编制GIS驻厂监造、到货验收及设备大修关键点管控细则，形成管理标准，下发至各个变电检修试验班组，深入学习相关标准文件，切实加强GIS监造、验收关键点的管控力度，扎实提升GIS设备运维管理水平。

(3) 加强设备运行监测。现阶段，保护测控装置已实现电流、电压、功率等数据实时上传功能，主站均已存储此类数据，运行监控部门对三相电流尚未开展实时监测，无法及时发现设备运行隐患，建议加强对GIS设备三相运行参数的监视工作。

(4) 加强带电检测。由于动、静触头之间的连接情况无法通过肉眼观测，而常规的检测手段(回阻测试、耐压试验等)又不能发现设备内部隐藏的缺陷，建议对新安装(投运)设备加强局部放电测试、SF6气体成分测试、精确红外测温等带电检测。

(5) 增加GIS刀闸观察孔。由于GIS设备内部连接的不可见性，建议GIS厂家在设计阶段增加GIS内部机构观察孔，设置分、合闸位置刻度线，从而准确观察机构合闸或分闸后的实际位置。