一起组合电器内部绝缘故障综合分析 宋克涛

发表时间:2018/5/8   来源:《电力设备》2017年第36期   作者:宋克涛
[导读] 摘要:气体绝缘组合电器设备,GIS,即Gas Insulated Switchgear。

        (国网唐山供电公司  河北唐山  063000)
        摘要:气体绝缘组合电器设备,GIS,即Gas Insulated Switchgear。它由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成,这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中,在其内部充有绝缘性能和灭弧性能优异的SF6(六氟化硫)气体作为绝缘和灭弧介质,故也称SF6全封闭组合电器。GIS设备自20世纪60年代实用化以来,已广泛运行于世界各地。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用,而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比,GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强,维护工作量很小,其主要部件的维修间隔不小于20年。
        关键词:组合电器;内部绝缘故障;分析
        1导言
        2009年12月18日,某电厂220kV GIS系统1号母线差动保护动作(短路电流约5kA,总持续时间约100ms),随后约600ms 2号母线母差保护动作,跳开两母线上所有分支,造成电厂所有机组停运。从保护动作情况看,两次均是B相故障。
        2组合电器
        2.1低压组合电器
        常见的低压组合电器有熔断式刀开关、电磁起动器、综合起动器等。低压组合电器使用方便,可使系统大为简化。例如,在工业电力拖动自动控制系统的电动机支路中,只需使用一台由接触器、断路器(或熔断器)和热继电器等组合而成的低压电器,即具备远距离控制电动机频繁起动、停止及各种保护和控制的功能。
        2.2高压组合电器
        高压组合电器按绝缘结构分为敞开式及全封闭式两种。前者以隔离开关或断路器为主体,将电流互感器、电压互感器、电缆头等元件与之共同组合而成。后者是将各组成元件的高压带电部位密封于接地金属外壳内,壳内充以绝缘性能良好的气体、油或固体绝缘介质,各组成元件(一般包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、母线、避雷器、电缆终端等)按接线要求,依次连接和组成一个整体。20世纪60年代出现的六氟化硫(SF6)全封闭电器具有安装体积小、安全性能好、可靠性高、检修周期长等特点,因此发展迅速。
        3故障检查
        3.1设备外观检查及试验
        设备外观检查未发现设备外壳有放电点及其他异常现象,各气室压力表正常。但通过观察孔可隐约观察到205-2隔离开关B相气室内部筒壁有白色粉末附着。技术人员使用SF6气体综合测试仪对所有气室进行气体组分测试,发现5号主变间隔205-2隔离开关气室结果异常,SO2体积分数为127μL/L,H2S体积分数为264μL/L(205-2隔离开关气室三相通过气体管路连通),其他气室均正常,小于2μL/L。根据SF6气体成分测试结果,判断故障气室为205-2隔离开关气室,结合保护动作情况,两次均为B相故障,初步判断该次绝缘故障发生在205-2隔离开关B相。例如:205-2 隔离开关结构如下图所示。


         图2  205-2隔离开关的结构
        3.2解体检查
        根据外观检查和试验的初步分析,对5号主变间隔205-2隔离开关气室进行解体检查。故障间隔解体打开密封时,有白色粉末飘出,并伴有刺鼻气味;非故障相有少量白色粉末。解体发现5号主变205-2隔离开关气室内部放电严重,有大量放电后产生的分解产物。205-2隔离开关断口上侧盆式绝缘子凸面有严重的沿面放电痕迹,呈黑色,但无裂纹、内部气泡导致的放电等现象。凹面侧表面有少量白色粉末附着,且在每个透气孔周围均有烧蚀痕迹;盆式绝缘子两侧导体靠近绝缘子侧均有轻微放电烧蚀痕迹。205-2隔离开关上下触头均烧损严重,触指大部分变形、脱落,上触头均压罩已完全烧损,下触头均压罩只残留一小部分,205-2隔离开关断口下侧盆式绝缘子上表面(凸面)有严重的沿面放电痕迹,呈黑色,但无裂纹、内部气泡导致的放电等现象。
        4故障原因分析
        4.1绝缘故障的起因
        结合保护动作和解体情况看,可推断出故障过程为故障气室中与1号母线连接的某个部位先发生短路接地故障,导致1号母线故障,接着因为故障气室中气体被严重污染,绝缘强度降低,导致处于分位的205-2隔离开关断口被击穿,致使2号母线也发生接地故障。主要是判断引起1号母线的接地故障是由故障气室中的哪一元件引起的。从故障气室内部结构分析,205-2隔离开关断口上方的盆式绝缘子有首先击穿的可能。若绝缘子表面有固定污秽,在进行交流耐压试验时即可击穿,一般不能通过368kV的对地耐压试验,却在运行6个月后在正常运行电压下击穿。因此可基本排除绝缘子上有固定污秽引起绝缘击穿。该盆式绝缘子为垂直竖立,在凸面一侧很难存在有在电场作用下运动停留的金属颗粒或杂质,也可排除金属颗粒或其他杂质在电场力及机械振动作用下运动到该盆式绝缘子表面导致放电的可能。
        4.2绝缘故障的发展过程
        分析认为:因205-2隔离开关动触头绝缘拉杆存在质量缺陷,内部有气泡或杂质等,在设备带电运行过程中,气泡或杂质处产生局部放电,局部放电又造成该处劣化程度进一步加剧,局部放电量也不断增大,如此循环,最终在运行6个月后在绝缘拉杆上形成放电通道对地绝缘击穿,造成1号B母线发生对地短路故障,保护动作。同时,在故障时的高温电弧作用下,SF6气体、绝缘材料、水分等在205-2隔离开关气室中发生化学反应生成各种氟化物、硫化物,分解物在高温电弧引起的瞬时高压作用下在整个气室扩散,205-1隔离开关上方盆式绝缘子凹面一侧表面因距离放电点较远,只有少量粉末附着,并因高温烧蚀造成局部表面变黄。紧靠绝缘拉杆的-2隔离开关上方的盆式绝缘子受影响最为严重,分解物附着后造成整体沿面放电,并通过透气孔在凹面一侧形成烧蚀痕迹,主要以各个透气孔附近较为严重,通过透气孔扩散到低位CT内腔的白色分解物粉末数量较少,断路器侧的盆式绝缘子基本未被污染。在重力作用下,绝缘拉杆正下方的-2隔离开关附近分解物体积分数很大,SF6气体的绝缘性能被破坏,-2隔离开关原有断口开断距离已不能满足要求,上下触头之间拉弧,造成2号母线发生短路接地故障,保护动作,2号母线停电。
        5结论
        总之,首先通过对故障时保护动作、故障过程和解体检查情况的综合分析认为,205-2隔离开关动触头的绝缘拉杆因质量缺陷,在设备运行过程中产生局部放电,最终形成放电通道对地绝缘击穿,1号母线接地,是整个故障的起因;之后高温电弧作用下化学反应生成的各种氟化物、硫化物等在气室扩散,205-2隔离开关断口击穿,2号母线发生短路接地故障。其次GIS采用金属全封闭结构,无法对运行中的GIS内部情况进行直接的监测或检查,GIS内部一旦发生故障,引起的事故往往比较严重,损失很大,所以必须对GIS加强超声波或特高频局部放电的在线监测和带电检测,提早发现和处理缺陷。最后双母线布置的母线侧隔离开关气室,因其特殊的结构形式,一旦气室内发生绝缘故障,往往造成双母线全部停运,因此在日常运行维护和带电检测时应重点关注。
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