一起敞开式隔离开关操作过电压激励罐式断路器微粒放电故障分析

陈 荣，李松原，李 楠，贺 春，朱旭亮，张黎明，李 进

（1.国网天津市电力公司电力科学究院，天津 300384；2.国网天津市电力公司，天津 300300；3.天津大学，天津 300300）

0 引言

气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switch，GIS）是全部或部分采用 SF6为绝缘介质的金属封闭开关设备，其将断路器、隔离开关、电流互感器等元件封闭于金属外壳内以实现高压导体的可靠绝缘，具有占地面积小、不受外界环境影响、运行可靠性高、免维护的优点，在电力系统得到大力推广应用。

组合电器断路器或隔离开关操作过程中产生高频过电压，研究表明GIS 隔离开关操作会产生频率高达70 MHz、上升时沿小于5 ns 的快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage，VFTO）［1-3］，实测最大值可达2.27倍基准值［4］（其电压基准值为881 kV）。隔离开关的触头间隙击穿特性影响产生VFTO的重复击穿过程，当重复击穿过程中出现工频峰值电压下的击穿时，则产生最严重的VFTO。重复击穿为随机过程，影响它的主要因素包括：隔离开关操动的工频相位、隔离开关触头间隙击穿电压随触头间隙形成时间变化的特性［5］。

GIS设备内部异物主要在厂内装配、设备运输、现场安装和实际运行等过程中产生，对GIS 绝缘影响最大的为金属微粒。GIS中的金属微粒在电场力的作用下会向盆式绝缘子靠近，经过一段时间的作用后，金属微粒会附着在绝缘子表面并聚集在绝缘子与电极的结合点［6］，进而诱发GIS设备的绝缘击穿。

近6 年来，某地组合电器/罐式断路器金属微粒异物放电占比超46%，操作期间发生击穿占比约50%［7-11］。气体绝缘金属封闭设备绝缘承受该高频过电压时，若组合电器和罐式断路器内部存在金属微粒，则金属微粒将被激发运动，极易导致放电故障［12-25］。

本文介绍了一起罐式断路器在敞开式隔离开关操作过程中发生放电的故障，结合开罐情况分析、金属成分分析、过电压仿真分析以及非故障相隐患罐式断路器现场诊断技术比较，得出罐式断路器放电故障原因。

1 故障情况

1.1 故障简介

2022年5月25日，某500 kV变电站2245甲间隔由运行转检修时，2245甲断路器已拉开，在拉开2245甲-5刀闸时，220 kV-5甲母线保护动作联跳2号主变三侧开关，现场检查发现2245甲-5刀闸A相动静触头有烧蚀痕迹，2245甲A相断路器内部故障。2245甲断路器型号LW12-220，2001年7月10日出厂，2002年3月24日投运，三相操作次数分别为：A相97次，B相96次，C相98次（含调试）；2245甲-4、2245甲-5刀闸型号GW6，2022年4月8日投运。图1为正常运行方式示意图。

1.1 成分分析

故障后1.5 h气室压力正常（额定压力为0.5 MPa），未发压力低报警信号。2245甲断路器A相灭弧室内气体组分严重超标，SO2含量为2 847 µL/L，H2S 含量为57.7 µL/L；B、C相SO2与H2S含量均为0 µL/L。

1.2 部件解体分析

对故障部件进行检查发现，灭弧室动触头屏蔽罩固定良好未见松动，动触头屏蔽罩烧蚀出9 cm×7.3 cm的孔洞。动触头侧支撑绝缘子两侧存在独立的熏黑痕迹，未发生贯穿性放电，绝缘拉杆连接压气缸部位部分烧蚀，如图2所示。

图2 动触头屏蔽罩Fig.2 Moving contact shield can

灭弧室动主触头插接部位存在9处镀银层刮擦痕迹，面积最大为11.5 mm×5.5 mm，镀银层磨损深度最大为13 µm，最小为5.4 µm，相关部位镀银层已完全脱落，肉眼可见铜露出，比正常开关主触头磨损严重，如图3所示。

图3 动触头镀银层（单位：mm）Fig.3 Moving contact silver plating layer (unit:mm)

1.3 尺寸比对

采用测距仪测量动静触头对内壁的尺寸。

动触头喷口为基准向筒壁四周测距，数据分别为264 mm、295 mm、269 mm 和258 mm，最大尺寸偏差为37 mm，喷口直径135 mm，如图4所示。

图4 面向2245甲C相断路器动触头尺寸测量检查Fig.4 Measurement and inspection of moving contact size of Phase C circuit breaker facing 2245 A

以静触头触指外壁为基准向筒壁四周测距，尺寸分别为206 mm、240 mm、213 mm 和240 mm，最大尺寸偏差为34 mm，如图5所示。

图5 面向2245甲C相断路器静触头尺寸测量检查Fig.5 Measurement and inspection of static contact size of Phase C circuit breaker facing 2245 A

推断：动静触头对筒壁距离存在最大3 mm的偏差（动触头为37 mm、静触头为34 mm），动静触头对中不良。

2 过电压仿真

2.1 建模

在拉开2245-5甲刀闸期间，由于刀闸动作时间较慢，在刀闸间隙较小时因断口两侧电压压差过大而导致断口重击穿概率相对较高，对隔离开关开断时，断路器承受过电压情况进行仿真分析，因2245-4甲刀闸已拉开，基于此可将-5甲刀闸拉开过程简化为容性电路分闸，如图6所示。

图6 站内等效结构图Fig.6 Equivalent structure diagram in the station

图6 中，L1 代表主变侧至2245-5 甲刀闸母线距离，现场实际测量为160 m；L2 代表2245-5 甲刀闸至2245 甲断路器侧架空连接线距离，现场实际测量为60 m。敞开站内母线及连接架空导线均采用分布式线路模型表示，波阻抗300 Ω，波速3×108 m/s。2245甲断路器采用等效电容替代，断路器断口等效电容量约300 pF。利用ATP-EMTP 软件进行仿真建模，模型结构如图7 所示，其中2245-5 甲刀闸采用统计开关模型STAT 表示，母线电压初始相位0°。为尽可能仿真计算过电压最大值，STAT 刀闸分闸时间设定在0.01 s 附近（此时母线侧电压最大Um，弧光电流过零点熄弧），波动范围±0.005 s，均匀分布，统计次数200次。经历半个工频周波后，母线电压变化为-Um，刀闸断口两侧电压差值达到最大，假定此时（STAT 0.02 s 重合）发生一次重击穿，计算2245 甲断路器侧过电压幅值。

图7 仿真模型图Fig.7 Simulation model diagram

2.2 仿真结果及分析

母线电压（绿色）与断路器侧电压波形（红色）如图8所示，对断路器侧电压波形进行放大，可得到操作过电压频率在280 kHz左右。统计开关作用下断路器侧电压，综合考虑现场实际与理论仿真间的差异性、分闸时间的随机性，选取50%统计电压值作为仿真计算结果，过电压幅值在456.34 kV～462.98 kV（峰值）之间，高于系统正常运行电压（系统最高运行相电压峰值：205.73 kV）。

图8 母线与断路器侧电压波形Fig.8 Voltage waveform at busbar and circuit breaker side

3 运行工况下超声法和脉冲电流法局部放电检测比对

3.1 试验方案

对罐式断路器同间隔完好相C相进行断口加压试验，加压流程尽量模拟运行工况下设备承压情况，加压流程如图9。局部放电检测方法采用脉冲电流法和超声波法，超声波传感器接高分辨率示波器，压电陶瓷超声波探头分别安装于外壳上动触头对应位置（紫色线）和断口对应位置（黄色线），图10为测试原理图。

图9 升压流程图Fig.9 Boost flow chart

图10 测试原理图Fig.10 Test schematic diagram

3.2 试验数据及分析

加压前局放试验背景约为270 pC；电压升至最高运行电压145 kV，10 min内，超声波探头未采集到局部放电信号，脉冲电流法测量局部放电量溢出，显示为约3 000 pC。

电压升至1.2 倍运行电压持续1 min，超声波传感器采集到1 组局部放电数据，紫色线为动触头对应位置，黄色线为断口对应位置，如图11所示。

图11 1组超声波传感器数据Fig.11 A set of ultrasonic sensor data

电压升至320 kV 时，耐受1 min，超声波传感器采集到多组局部放电数据，如图12所示。

表1 现场局部放电测试结果Table 1 Field partial discharge test results

图12 多组超声波传感器图Fig.12 Diagram of multiple sets of ultrasonic sensors

3.3 解体验证

经解体发现动触头侧屏蔽罩下方壳体处存在可见1 mm～5 mm左右金属微粒。

收集C相罐内金属颗粒（银屑），主要成分为银，占比为78.92%，推测来源于触头镀银层，如图13所示。

图13 C相气室内微粒及成分检测Fig.13 Detection of particle and component in Phase C gas chamber

3.4 试验结论

1） 在运行电压下采用超声法无法诊断出断路器动触头侧屏蔽罩下方金属颗粒放电；

2） 在1.2 倍最高运行电压及以上电压作用下，采用超声带电检测法信号明显。

4 结语

1） 综合故障现象、录波数据、解体情况、过电压分析等因素，分析2245 甲断路器A 相故障原因为：动静主触头异常磨损，产生较多金属颗粒，在操作振动（气动机构）和分合闸气流扰动下，于动触头侧的屏蔽罩下方罐体处积聚；2245甲-5隔离开关分闸过程中产生高频过电压，传导至断路器动触头侧（仿真结果：峰值535.64 kV、频率280 kHz），加剧了罐体处积聚的金属颗粒跳动，引发屏蔽罩底部对下方罐体放电。

2） 脉冲电流法现场局部放电试验受到的干扰较大；采用超声法检测时，可通过单次脉冲采集超声传感器耦合脉冲波形；运行电压下微粒放电不易被检测，1.2倍运行电压下微粒放电超声检测才有信号。

3） 敞开式隔离开关动作时间较慢，在隔离开关分闸瞬间，因断口两侧电压压差过大而导致断口重击穿，出现频率为280 kHz 左右的过电压，操作过电压幅值不大，但对金属微粒的激发起到一定的作用。

本项目组将持续对隔离开关操作过电压对微粒的激发作用做进一步研究。