一起550 kV断路器放电案例分析

和晓辉，邱鹏锋，毛兴，何顺，胡广富，谭向宇，彭兆裕

（1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650127；2. 云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000；）

0 前言

近年来，随着国民经济的快速发展，全社会对电力供应的需求量越来越大，因此电网的建设规模也越来越大，系统的负荷电流和短路电流也随着增大，对断路器的开断能力提出了更高的要求。一定压力下的SF6气体具有极高的电气强度和良好的物理化学性能，是目前人类找到的最理想的绝缘和灭弧介质，其在均匀电场下的击穿场强约为空气击穿场强的2.5 倍，其灭弧能力则为空气的100 倍以上[1]。因此，SF6气体断路器广泛应用于35 kV 及以上的电力系统中[2]。

SF6气体罐式断路器采用金属材料作为外壳，将动、静态触头和灭弧室等元器件封装在金属外壳内，采用一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质，正常运行条件下具有不受外界环境干扰、运行维护工作量少、灭弧性能稳定等优点[3-5]。但当断路器本体内部发生放电故障时，其全密封结构导致故障位置难以发现和修复，抢修工作量大，涉及事故范围广，严重影响电力系统的安全稳定运行[6-13]。因此有必要深入研究SF6气体断路器内部放电故障的机理并提出对应的防范措施。

本文主要介绍了一起550 kV 罐式断路器气隙放电案例，通过对放电部位进行解体检查及电场计算分析明确了放电产生的原因和基本过程，并提出了相对应的防范措施。

1 故障概况

该500 kV 变电站为敞开式AIS 站， 其500 kV 侧的主接线形式为二分之三接线，如图1 所示。500 kV 侧第四串靠近Ⅱ母侧的5743 断路器为罐式SF6气体断路器，其运行的额定压力为0.56 MPa。2012 年生产，2015 年1 月23日投入运行。

图1 500 kV侧主接线示意图

2022 年11 月22 日该500 kV 站500 kV Ⅱ母侧B 线定检工作结束后开展线路复电工作。21 时34 分23 秒, 合上500 kV B 线5743 断路器靠Ⅱ母侧57432 隔离开关时，动触头与静触头接触前发出明亮弧光并伴随异响，对57432隔离开关进行外观检查，隔离开关导电部分、绝缘子、传动部分未发现异常，动触头均压环掉落。500 kV Ⅱ母第一套、第二套母差保护、500 kV 多平甲线主一、主二保护动作，跳开500 kV Ⅱ母5713、5722、5753、5703 断路器，跳闸未造成变电站失压和负荷损失。图2 为500 kVⅡ母第一套母线保护装置故障录波波形图。

图2 故障录波图

由图可知，B 相产生差流，二次幅值高达14.8 A，远大于差动保护动作定值，故障电流由5713、5722、5753 三台断路器提供。综合可知在断路器内部、断路器断口靠近500 kV Ⅱ母侧发生B 相接地故障。

对5743 断路器进行气体成分检测，检测结果发现5743 断路器B 相SF6气体成分中SO2试验检测值为51.2 μL/L，超过规程规定的注意值3 L/L，H2S、CO、HF、CF4的试验检测值满足规程要求，检测结果见图3，因此判断5743 断路器B 相内部存在高能量的放电故障。5743 断路器A、C 相气体成分检测值均在规程规定的注意值之内。根据测试结果可得初步的事故结论为：5473 断路器B 相内部发生严重放电故障。后续需将断路器进行解体进一步明确放电类型及放电原因。

图3 气体检测结果

2 断路器检查

2.1 X射线检测

2022 年11 月23 日晚，对5743 断路器B相（故障相）关键部位开展了X 射线检查，具体结果如图4 所示，通过检查，未发现明显异常，具体情况待5743 断路器B 相气体回收后，开盖利用内窥镜进一步检查。

图4 X射线检测结果

2.2 开盖检查

2022 年11 月25 日，对5743 断路器B 相（故障相）进行开盖，开盖位置为左右两边的下盖板，如图5 所示。用内窥镜对两侧的内部构件进行检查，从开盖位置1 处结果无明显异常，开盖位置2 处的检查结果发现明显的异常，结果如图6 所示。

图5 开盖位置示意图

图6 5743断路器B相开盖检查图

图7 5743断路器B相内部粉末及异物图

由图不难发现，套管内导电杆与套管内壁屏蔽罩上均有明显的烧蚀痕迹，此外在气室内发现白色粉末，成分检测发现为铝和氟的化合物，判断为放电时SF6气体分解的产物，断路器气室内底部分布熔点印记，为上部放电时熔融物掉落所致；并在5743 断路器B 相底部发现两段长约3 cm 的异物，后经化学成分检测证实为铝材质。根据厂家提供资料，调整块和导电杆的材质为6082 铝合金，屏蔽罩的材质为1060铝合金，过渡板的材质为5083 铝合金。对异物进行能谱分析金属元素只检测到铝元素，推断异物可能来源于屏蔽罩（1060 铝合金）。

从上述的检查结果可初步判定，本次放电事故为金属异物引起的套管内部导杆到屏蔽罩内壁之间的SF6气隙放电，具体的放电位置如图8 所示。

图8 放电位置示意图

3 原因分析

3.1 电场仿真分析

根据上述的解体分析和异物粉末的材质检测结果，可以判定本次短路事故是由金属异物导致的母线侧套管内中心导杆与套管内壁屏蔽罩之间的SF6气体间隙放电。为了更好地分析放电过程，得到故障位置处的电场分布情况，建立了图9 中右部的几何模型，由于只关注故障位置处的电场分布情况，对几何模型进行了简化处理，忽略了屏蔽罩内壁上圆形微孔等细节部件的影响。

图9 仿真几何模型示意图

利用COMSOL 多物理场仿真软件静电部分中的AC/DC 模块进行电场仿真分析，由于屏蔽罩为金属材料，金属材料在处于静电平衡时内部电场处处为零，因此模型中只考虑了屏蔽罩内壁的边界。中心导杆为金属材料，导杆施加幅值为408.2 kV 正弦变化的运行电压，将屏蔽罩内壁接地，电势为零；其余空间填充SF6气体，其相对介电常数设置为1.002。

首先进行了正常运行条件下的电场分布计算，截取某平面上的电场分布和电势分布，结果如图10 所示。由图可知正常运行时中心导杆附近场强较为集中，但最大场强不超过6.65 kV/mm-1，而查阅相关文献得到不同压力下SF6气体的临界击穿场强如下表1 所示[13]，该断路器的额定压力为0.56 MPa，因此其击穿场强在50 kV/mm 附近，所以正常运行的情况下不会发生放电现象。

表1 SF6气体击穿的临界场强

图10 正常情况下的电场与电势分布图

现考虑套管内存在金属异物的情况，由于现场发现了长3 cm，宽3 mm，厚度1 mm 的金属薄片，故仿真模型中设置的金属异物为长3 cm，宽3 mm，厚度1 mm 的长方形金属异物。首先考虑金属异物由于某种原因从上到下掉落的状态，异物与导杆和屏蔽罩内壁均不接触，即异物处于悬浮电位的状态。将异物的位置设置在放电通道上，考虑异物的两种状态：长端竖直和水平，异物与屏蔽罩内壁的距离由近及远。对上述状态进行仿真分析，结果如图11 和12 所示。

图11 异物处于竖直悬浮状态电场分布

由图不难发现以下两点：

1）相同位置，异物处于水平位置时的电场畸变要大于竖直位置，异物处于其它角度时的电场畸变值在二者之间；

2）相同状态时，异物越靠近导杆位置处，场强畸变越严重，图11 中的d、e、f 和图12中的c、d、e、f 的电场最大畸变值均超过了50 kV/mm。

图12 异物处于水平悬浮状态电场分布

现考虑金该属异物附着在屏蔽罩内壁上，即金属异物与屏蔽罩接触且同为地电位，图13 是金属异物处于竖直状态并附着在屏蔽罩内壁时的电场分布。不难发现金属异物朝导杆的一端尖端处电场发生了畸变，最大畸变值为13.7 kV/mm，远小于50 kV/mm。

图13 金属异物竖直附着状态电场分布

考虑金该属异物处于水平状态并附着在屏蔽罩内壁时，由于屏蔽罩内壁上有圆形孔，异物可能部分在内壁朝导杆的气隙里，部分在内壁朝外部瓷套的气隙里，因此考虑了异物处于内壁朝导杆气隙里不同长度时的电场分布，结果见图14。不难发现金属异物朝导杆的一端尖端处电场发生了畸变，长度越长畸变越严重，f中场强最大畸变值达到了49.5 kV/mm。

图14 金属异物水平附着状态电场分布

3.2 放电过程分析

根据断路器解体分析结果可知，本次放电为金属异物导致的断路器套管内中心导杆对屏蔽罩内壁的SF6气体间隙放电。根据3.1 小节的电场仿真结果分析可知，金属异物不管以何种方式附着在屏蔽罩内壁上，其引起的电场畸变最大值均未超过SF6气体的临界击穿场强值，不会导致放电现象的发生，而异物在导杆与屏蔽罩内壁空间内处于悬浮状态时，异物离导杆较近时电场畸变值超过了临界场强，会导致异物尖端产生放电。

在断路器处于冷备用状态时，金属异物附着在屏蔽罩内壁上，当其相邻的隔离开关合上时，断路器靠近隔离开关部分的导杆带电，对附着于内壁上的金属异物产生电场力，金属异物在突然施加的电场力与重力的共同作用下朝着导杆方向斜向下运动，引起电场畸变导致放电事故的发生。因此，可以得出本次放电事故的详细过程：

1）引入异物。在断路器组装过程中引入外来金属异物或者断路器在动作过程中产生金属碎屑；

2）异物运动。断路器未带电时金属异物附着于屏蔽罩内壁，当合上隔离开关使中心导杆带电时，瞬间的电场力与重力作用下，异物朝着导杆方向斜向下运动；

3）悬浮放电。当异物运动到离中心导杆某一距离时，异物尖端的电场畸变值超过SF6气体放电的临界击穿场强值，异物尖端处首先产生电晕悬浮放电；

4）流注放电。异物尖端的悬浮放电朝着导杆方向发展，由于放电距离远，气体压力大，放电从异物尖端的悬浮放电发展为流注放电，放电通道连接异物与导杆后，金属异物与导杆均为运行电位，其对屏蔽罩内壁为极不均匀电场，放电朝屏蔽罩内壁方向发展；

5）对地放电。当朝着屏蔽罩内壁的流注达到内壁时，中心导杆直接对屏蔽罩内壁放电，即对地放电，产生极大的故障电流，烧蚀导杆和屏蔽罩内壁，继电保护动作断开故障电流。

图15 放电过程示意图

4 结束语

本文主要针对一起550 kV 罐式断路器放电案例进行了介绍分析，通过对故障断路器进行解体分析，同时结合有限元仿真分析结果，判定是由金属异物引起的放电，并通过电场仿真计算，验证了异物附着于屏蔽罩内壁时可能不会导致击穿，而在中心导杆带电瞬间，异物受到电场力和重力的作用发生运动，在导杆与屏蔽罩内壁之间形成悬浮电位引起电场畸变，才是击穿放电的直接诱因。

为避免此类型放电故障的发生，结合本次放电故障案例，提出以下的防范措施：

1）施工单位在设备安装、改造等施工过程中应按相关规程要求采取对应的防尘防护措施。严禁在防尘等级不符合要求的环境中安装气体封闭设备。工作结束后，应彻底清洗罐体内部；

2）在进行耐压试验过程中，应严格按照规程中规定的增压程序进行老练和耐压，耐压通过后进行相应的局部放电试验，在试验阶段就将罐体内的金属异物排查处理，防止带金属异物进入运行阶段，对其正常运行带来隐患；

3）针对在运的该型号SF6气体罐式断路器进行排查，加强运维监督，做到隐患及早发现及早消除。