刘雪飞
中国黄金集团刚果（布）黑角索瑞米股份有限公司
摘要：目前国内变电站GIS组合电器应用较为广泛，GIS组合电器的安全运行关系着电网和企业的安全生产。本文通过对GIS组合电器在运行中出现的事故案例进行阐述，从外部电网110KV架空线路结构和雷电以及外部供电质量对GIS组合设备安全运行造成的危害进行分析，通过采取相应的措施，降低GIS组合电器在运行中的安全隐患，更好发挥其独有的功效，提高安全供电的可靠性。
Summary : at present, the domestic substation GIS combined electrical appliances are widely used, GIS the safe operation of combined electrical appliances is related to the safety production of power grid and enterprises. This paper analyzes the harm caused by overhead line structure, lightning and external power supply quality to the safe operation of GIS combined equipment from 110 KV external power grid. By taking corresponding measures, the safety hidden trouble of GIS combined electrical appliances in operation is reduced, its unique effect is better brought into play, and the reliability of safe power supply is improved.
关键词：GIS；高压电器；SF6；供电系统
0 引言
刚果（布）黑角索瑞米股份有限公司铜铅锌多金属矿开发项目有一座110KV的变电站，110KV电源来自距离35km外布恩扎省2#110kV变电站，采用单避雷线高压铁塔架空输送，布恩扎2#110kV变电站的电源来自一个装机容量74MW的水电站，布恩扎变电站和水电站均是我国1978年援建，设备均属于淘汰产品，整个供电网络极不稳定、停电频繁、质量极差。索瑞米公司110KV变电站有一套GIS组合设备，室内安装，该设备是新东北电气设计制造，于2016年2月安装完成后正式投运，运行至今共发生两次停运事故，均造成公司长时间的停产。通过对两次GIS组合设备事故发生原因的分析，必须查出GIS组合电器存在的安全隐患，必须采取有效措施，才能保证GIS的运行安全，才能提高供电的可靠性。
1 GIS 组合电器
（1）结构组成
SF6气体绝缘全密封组合电器是70年代出现的一种先进的高压配电装置，国际上称这种设备为Gas Insulated Switchgear简称GIS，是采用绝缘性能和灭弧性能优异的SF6气体作为绝缘和灭弧介质，并将所有的元器件密封在接地的金属筒中。GIS组成的主要元器件包括：断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、进出线套管、母线等一次元件和相应的二次控制、测量、监视装置等。
图1 变电站GIS组合电器图
（2）主要技术参数
a 额定电压：126kV 三相 安装地点：户内
b 额定频率：50Hz 母线额定电流：2000A
c 额定短时耐受电流：40kA（3s） 峰值耐受电流：100kA（峰值）
d 额定雷电冲击耐受电压（1.2/50μs峰值）：相对地、相间： 550kV
断口间：550+103kV
e 额定交流工频耐受电压（有效值，1min）：相对地、相间： 230kV
断口间：230+73kV
f 控制回路额定绝缘水平（1min）：2000V
（3）优缺点
优点：高度集成、110kV GIS设备占地面积为常规设备的三分之一；元件全部密封在金属壳体内，不受环境干扰、电气性能良好，运行可靠性较高；采用SF6气体绝缘，灭弧性能强，缺陷/故障发生概率低，维护工作量小，其主要部件的维修间隔大于20年；以间隔为单元能实现整块运输，安装调试周期短、现场安装工作量比常规设备减少了约 8O%，结构灵活，不仅能满足各种接线，而且能满足各种布置；壳体材质为铝合金材料，适用于各种严酷环境，不受污染、盐雾、潮湿等环境的影响。
缺点：是对SF6纯度和水分含量要求较高，金属耗量大，造价高；密封性能要求高，检修时有毒气体会造成人员伤害，故障后危害性较大。
3 案例分析及解决措施
（1）案例一
2017年5月一个雷雨天，索瑞米变电站110kV突然停电，继电保护显示速断跳闸，按照流程对线路和GIS系统进行排查。当用2500V的摇表检查GIS组合电器的进线间隔单相电压互感器（VT A相）时，发现一次侧对地阻值为2MΩ，远小于设计对地绝缘值 ＞2000MΩ，打开单相电压互感器（VT A相）的充气阀门，从罐体内释放微量的气体能嗅到微弱的臭鸡蛋味。解体检查后分析结论如下：
a. 罐体内部分绝缘材料和绝缘瓷盆已烧黑，一次侧的金属接线局部融化喷溅至罐体内和绝缘瓷盆上，可以证明电压互感器肯定受到超强电压和电流冲击，导致罐体内的绝缘材料被破坏互感器绝缘值严重降低，见图2受损的单相电压互感器（VT A相）实物图。
b. GIS内部固体绝缘材料均含有热固环氧树脂，该材料主要由C、H、N以及O等元素构成，具备稳定的化学性能和绝缘性，当温度大于500℃时会发生分解产生硫化氢、二氧化硫等气体，有类似试验认为硫化氢、二氧化硫气体含量会随着电弧电流的增加而增多。
c. 检查GIS避雷器监测器和运行日志，发现避雷器阀组已动作，证明肯定超强电压和电流流过单相电压互感器（VT A相）。
d. 证明单避雷线高压电能输送方式输电线路确实存在受雷击的情况，起始塔至上级变电站以及终端塔至下级变电站都应该设置避雷器释放线路浪涌保证电力系统安全运行。
e. 仔细检查发现终端塔至GIS进线之间没有设计避雷器，导致输电线路A相受雷击后，GIS单相电压互感器（VT A相）流经超强电压和电流，致使事故发生单相互感器损坏。
图2 受损的单相电压互感器（VT A相）
（2）解决措施及测量数据
a. 变电站院内终端塔与GIS进线套管输电线路之间，新增一台GW4-110kV型机械隔离开关和三组户外式YH10W-102/266W型金属氧化物避雷器，隔离开关可以有效切除后端避雷器故障，增加的避雷器有效释放线路浪涌保证后端GIS组合电器的运行安全，见图3 新增的机械隔离开关和避雷器现场实物图。
b. 更换一台新的单相电压互感器（VT A相），然后把罐体内抽真空至40Pa，充合格的SF6气体至0.55MPa，再用2500V摇表测试GIS主回路对地绝缘值3000MΩ。
c. 在GIS进线套管A相接线柱上引入220V交流电，用万用表电压档测试新安装的GIS单相电压互感器（VT A相）二次侧电压值为0.208V。
图3 新增的机械隔离开关和避雷器
（3） 案例二
2019年11月某一天，索瑞米变电站110kV突然停电，继电保护显示速断跳闸，查看后台数据发现跳闸前电压突然上升至170KV，按照流程对GIS组合电器进行排查。发现避雷器避雷器（LA）单元上的监测器表盘已发黑，用2500V的摇表对互感器间隔检查，发现一次侧对地阻值为0Ω，打开三相电压互感器（VT）和避雷器（LA）的充气阀门，从罐体内释放微量的气体能嗅到微弱的臭鸡蛋味。对避雷器（LA）和三相电压互感器（VT）进行解体后检查分析结论如下：
a. 避雷器（LA）罐体内有严重的放电痕迹，罐体内壁局部已发黑，绝缘瓷盆上有金属屑，B相避雷器阀组已完全炸裂，罐体内散落少量的粉末，证明系统出现强电压超出避雷器的耐压极限导致瞬间炸裂，罐体内的冲击导致整个避雷器接地，对地电阻值为零。见图4损坏的避雷器实物图。
b. GIS内部固体绝缘材料均含有热固环氧树脂，该材料主要由C、H、N以及O等元素构成，具备稳定的化学性能和绝缘性，当温度大于500℃时会发生分解产生硫化氢、二氧化硫等气体，有类似试验认为硫化氢、二氧化硫气体含量会随着电弧电流的增加而增多。
c. 检查避雷器的运行记录，运行至今避雷器过电压动作保护25次，因该地区110KV供电网络容量小，电网极不稳定、供电质量极差，长期的电网过电压的冲击使避雷器性能变差使用寿命变短。
d. 三相电压互感器罐内发现金属渣，局部有放电发黑的痕迹，说明互感器的线圈和绝缘已经受到破坏。
e. 同时也说明电网长期频繁过压对电压互感器会造成不同程度的损伤，严重影响互感器的使用寿命和性能，对GIS组合电器的安全运行造成了一定的隐患。
图4 损坏的避雷器
（4）解决措施及测量数据
a. 因为110KV电网供电质量较差，必须打开过电压保护功能，其保护值设定为130KV，低电压保护值设定为90KV，速断。
b. 缩短避雷器和电压互感器以及电流互感器的实验检测时间，确保性能可靠；
c. 更换新的避雷器和三相电压互感器，然后把罐体内均抽真空至40Pa ，充合格的SF6气体至0.55MPa，再用2500V摇表测试GIS主回路对地绝缘值2600MΩ。
d. 在GIS进线套管A、B、C三相接线柱上引入220V交流电，用万用表电压档测试新安装的GIS三相电压互感器二次侧电压值详表1。
表1 三相互感器低压运行试验
4 结论
变电站虽然采用GIS组合电器能提高运行的可靠性和稳定性，但在实际的运用过程中必须充分考虑各种因素，其中输送线路和变电站所在地区的自然条件，高压塔的结构，整个电网的供电质量、电网的调节能力等多方面的外部因素。才能充分发挥GIS组合电器的优势和性能，才能保证供电系统安全稳定。
【参考文献】
[1] 陈晓清 任明 彭华东 丁彬 董明 GIS设备中SF6体分解影响因素分析 电网与清洁能源2010（7）
[2] 新东北电气（沈阳）高压开关有限公司 ZFW20-145 L/T3150-40型气体绝缘金属封闭开关设备安 装使用说明书 2010（08）
[3] 罗学琛 SF6气体绝缘全封闭组合电器 （GIS）[M] 北京：中国电力出版社
[4] 马婧珺 GIS设备中SF6体分解影响因素分析 电力科技 2017（9）
作者简介：刘雪飞（1985—），男，湖北武汉人，工程师，中国黄金集团刚果（布）黑角索瑞米股份有限公司.