一起110 kV GIS斷路器吸附劑罩脫焊缺陷的診斷與分析

馬永福，王子樂，張毅濤，包正紅，任繼云，王生杰，陳 堯，王理麗，林萬德，李子彬

（國網青海省電力公司電力科學研究院，青海 西寧 810008）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關（Gas Insulated Switchgear，GIS）斷路器分合操作時會產生較大的機械振動。為了保障運行中的GIS設備SF6絕緣氣體的純度，需要在SF6氣體絕緣設備氣室中配置一定量的吸附劑，一方面用于控制氣室內的水分含量，另一方面用于吸附因各種原因產生的雜質氣體。但是，用于存放吸附劑的裝置在設計方面有不足之處，經常有脫焊、掉落問題的發生[1]。對于垂直布置的斷路器，可能會造成吸附劑罩四周脫焊從而掉落引起電場畸變，甚至是導體之間發生搭接的情況，且每次此類事件發生的時候都會造成較大的故障，專業人員難以在第一時間判斷出事故發生的原因。通過不同帶電檢測技術及仿真分析可以綜合、準確診斷分析事故發生的具體原因。

1 故障概述

某110 kV變電站GIS設備進行了大修工作，對斷路器氣室的檢修內容主要包括使用內窺鏡檢查拉桿插銷

情況、更換吸附劑和密封圈，檢修工作完成后開展了抽真空、注氣和氣體試驗，氣體試驗結果合格后進行了交流耐壓試驗，試驗電壓184 kV，結果合格。試驗完成后對全站GIS設備進行了投運前的數次分合調試工作，隨后開始主變冷備用轉運行操作，操作時故障斷路器帶合110 kV Ⅱ母運行，在斷路器首次合閘瞬間發生故障，對側斷路器跳閘。

根據如圖1及圖2的故障錄波分析，斷路器氣室發生三相短路故障，故障電流A相5 330 A、B相5 789 A、C相5 503 A，三相對稱故障未產生零序電流，故障前母線未出現明顯過電壓情況，故障回路切除8 s后監控后臺分別報出斷路器氣室SF6氣體壓力降低和閉鎖報警信號。

圖1 故障回路電流錄波圖

圖2 Ⅱ母母線電壓錄波圖

2 故障原因診斷

根據工程運行經驗及相關文獻資料[2-4]，GIS斷路器設備內部放電故障原因主要有以下幾點：

1）GIS金屬殼體在加工過程打磨不精細或者運輸中磕碰造成的內部存在的金屬突起、焊疤、毛刺。

2）工廠裝配或現場安裝環境控制不力，造成的GIS內部混入的雜物或自由微粒。

3）絕緣件材質本身存在質量問題，例如絕緣件表面破壞，澆筑有雜質，環氧樹脂內部有氣孔，絕緣件受潮，絕緣件表面腐蝕等情況。

4）吸附劑安裝不對，粉塵粘在絕緣件上；密封圈潤滑脂過多，溫度高時融化掉到絕緣件上造成懸浮電位放電等情況。

5）存在異物搭接問題。

6）合閘電阻分閘卡澀未到位燒毀，斷路器靜弧觸頭松動及導體安裝工藝不良發熱燒融等。

根據現場事故發展迅速、猛烈，事故發生前事故設備剛經過大修，初步考慮事故原因為絕緣缺陷、異物搭接等方面，從而開展了相關檢測和診斷分析工作。

2.1 現場檢查及解體分析

故障發生后對故障氣室進行了現場檢查，發現該氣室防爆膜破裂，氣壓降為0，無法開展氣體組分檢測，進一步打開斷路器上蓋板，發現氣室內部燒蝕噴濺痕跡明顯，三相導體端部邊緣均有不同程度燒熔，如圖3所示。斷路器蓋板內部的兩個不銹鋼材質吸附劑罩被燒熔，僅有盒子底板在斷路器蓋板上，如圖4所示。新更換的吸附劑（分子篩）灑落在氣室內各處，大部分被燒成炭黑色或深褐色，少量呈原始淡黃色。與斷路器共氣室的CT表面、滅弧室以及氣室內其它部位均有被熔融物噴濺的痕跡，未發現明顯的放電痕跡，拉桿等未見異常。

圖3 內部分解物

圖4 斷路器蓋板內表面

將故障斷路器內部導體、滅弧室等解體進一步檢查，發現穿過CT的A、C相導電桿靠近觸頭側表面有燒蝕和電弧灼燒的痕跡，B相導體表面有熔融物噴濺痕跡，如圖5所示，CT內部三相導體表面附著有不同程度的白色分解物，如圖6所示。A相滅弧室頂部導體表面有一道斜向熏黑痕跡，斷路器頂部蓋板密封圈被部分燒損。

圖5 三相導體端部

圖6 三相導體表面

綜合現場及解體檢查情況，初步判斷故障是由于三相導體端部和吸附劑罩之間發生擊穿放電導致，造成擊穿的本質原因是局部場強超過設計臨界值，造成局部場強過大的原因可能為三相導體端部和吸附劑罩之間存在雜質異物或者吸附劑罩掉落等。

2.2 X射線檢測

為進一步確認斷路器氣室在設備反復動作后內部吸附劑罩狀態，對站內除2號主變間隔82斷路器外（拍攝位置不佳）的非故障相斷路器進行了X射線檢測。斷路器氣室上部局部結構剖面圖如圖7所示，由圖可見吸附劑罩水平方向有蓋板法蘭和蓋板螺絲，受該部位結構限制，水平方向的射線檢測僅能分辨吸附劑罩大致輪廓，檢測結果顯示被測5臺非故障相斷路器在反復動作后其吸附劑罩未見有明顯脫焊或脫離蓋板的情況，其中一相射線圖譜如圖8所示。

圖7 斷路器局部結構圖

圖8 相鄰非故障斷路器射線圖譜

2.3 分解物成分分析

故障后氣室內部灑落了大量吸附劑及其分解物，筒體內壁和導體表面附著了大量白色分解物，為明確各類分解物成分元素，將新吸附劑顆粒、A相導體與CT連接處熔渣、C相導體處熔渣、C相導體處灑落的吸附劑顆粒、斷路器底部C相導體附近處熔渣、CT主變側表面粉狀物取樣，分別編號樣品①、樣品②、樣品③、樣品④、樣品⑤和樣品⑥，在掃描電鏡下進行形貌和能譜分析。

2.3.1 樣品①形貌和能譜分析

樣品①為新吸附劑，經查其材料為分子篩，主要成分為硅鋁酸鹽，掃描電鏡下放大50倍、200倍、1 000倍的形貌如圖9所示，能譜分析結果顯示其主要元素為O、Si、Al、Na、C，元素區域平均含量分別為52.69%、16.99%、11.65%、9.91%、6%，均為分子篩的主要構成元素，未見其它異常元素。

圖9 樣品①掃描電鏡形貌

2.3.2 樣品②形貌和能譜分析

樣品②為A相導體與CT連接處熔渣，掃描電鏡下放大100倍、500倍、700倍的形貌如圖10所示，能譜分析結果顯示其主要成分為F、Fe、C、Cr，元素區域平均含量分別為49.49%、26.67%、9.28%、8.66%，與SF6氣體、導體和筒體和吸附劑罩主要構成元素一致，未見其它異常元素。

圖10 樣品②掃描電鏡形貌

同理，對其他4組樣品進行了形貌和能譜分析，掃描電鏡形貌和能譜分析結果顯示各類分解物主要構成元素與氣室內固有組部件構成元素一致，未發現其它異常元素，表明故障時氣室內不含其它元素的物質參與。

2.4 電場仿真

斷路器分合操作時會產生較大的機械振動，對于垂直布置的斷路器，可能會造成吸附劑罩四周脫焊從而掉落引起電場畸變的情況，因此本文對126 kV三相共箱垂直分布斷路器吸附劑罩脫落時可能會產生的幾種工況進行了仿真計算，分別為正常運行時、單個吸附劑罩因脫焊而傾斜時、兩個吸附劑罩均因脫焊而傾斜時、一個吸附劑罩脫焊傾斜另一吸附劑罩完全脫落、單個吸附劑顆粒因吸附劑罩脫焊而掉落懸浮在氣體環境中時。仿真計算過程如下。

2.4.1 仿真模型建立

根據故障斷路器設計尺寸，截取滅弧室及以上部位在comsol軟件中建立電場仿真模型，如圖11所示。

圖11 電場仿真模型

仿真模型的相關參數的設置如表1，斷路器額定電壓為126 kV，經仿真計算得到正常運行時電場分布如圖12所示，得到運行電壓下最大場強出現在C相導體CT側出線導電桿靠近B相導體附近，最大場強值為3.78 kV/mm。

圖12 正常運行時電場分布

表1 電場仿真模型參數

2.4.2 GIS內部臨界擊穿場強

根據設備廠家提供的信息，ZF12-126（L）型斷路器在0.6 MPa氣壓下內部許用場強設計值≤28 kV/mm。

2.4.3 仿真計算結果

根據現場故障情況，建立單個吸附罩傾斜60°、兩個吸附劑罩均傾斜60°、一個吸附劑罩傾斜60°、另一吸附劑罩完全脫落懸浮、單個吸附劑顆粒掉落四種工況下的模型并仿真計算，得到的結果如下：

1）斷路器正常運行時，筒體內最大場強出現在C相導體CT側出線導電桿靠近B相導體附近，最大場強值為3.78 kV/mm，遠小于許用場強設計值，設備安全運行。

2）單個吸附劑罩因脫焊但未完全脫落而發生傾斜時，導體表面電場分布會受其影響，最大場強有增大趨勢但未超過設計值，放電概率較??；當兩個吸附劑罩均脫焊且未完全脫落而發生傾斜時，其對導體表面電場分布的影響進一步增加，最大場強也繼續增大但未超過設計值，放電概率仍較??；在相對嚴重的情況下，其中一個吸附劑罩傾斜、另一吸附劑罩脫落懸浮在導體和蓋板之間時，導體表面電場分布將超過內部許用場強設計值，從而可能導致氣隙擊穿故障。

3）在單顆吸附劑掉落懸浮于導體和蓋板之間時，導體表面電場分布發生改變，最大場強增大，但未超過許用場強設計值，放電概率較小。

3 故障原因分析

1）本次故障現象為斷路器三相導體端部和吸附劑罩之間發生擊穿放電，引起線路距離保護動作、隔離故障。斷路器氣室防爆膜破裂泄壓，氣室內部燒蝕噴濺痕跡明顯，上端蓋板兩個吸附劑罩被完全燒熔，三相導體端部邊緣均有不同程度燒熔，A相和C相導體CT側出線導電桿觸頭處被燒熔后露出彈簧觸指，吸附劑灑落在氣室內各處，大部分成炭黑色或深褐色。

2）X射線檢測結果顯示，非故障相斷路器在反復動作后其吸附劑罩未見有明顯脫焊或脫離蓋板的情況。

3）掃描電鏡形貌和能譜分析結果顯示，新吸附劑顆粒和筒體內各類分解物主要構成元素與氣室內固有組部件構成元素一致，未發現其它異常元素，表明故障時氣室內無含其它元素的物質參與。

4）電場仿真分析結果顯示，正常運行工況、存在吸附劑顆粒、單個吸附劑罩因脫焊而發生傾斜和兩個吸附劑罩均發生傾斜時，筒體內部最大電場強度未超過設計值，放電概率較??；極端情況下當一個吸附劑罩傾斜、另一吸附劑罩脫落懸浮時，內部電場強度超過設計值，從而可能導致氣隙擊穿故障。

5）根據相似故障分析文獻可以知道吸附劑裝置是電場薄弱環節，且存在設計缺陷，經常有脫焊、掉落問題的發生，且每次此類事件發生的時候都會造成較大的故障，本次事故發生的現象符合吸附劑罩掉落至三相導體之間，造成導體三相短路。

4 結論

結合故障現象及上述分析過程，推測造成本次故障的原因是：在斷路器投運前反復試分合動作的機械振動沖擊下，故障斷路器上端蓋板處吸附劑罩焊點松動脫落，在投運合閘瞬間，吸附劑罩掉落至三相導體之間，造成導體三相短路，短路電弧對另一屏蔽罩放電并將兩個屏蔽罩全部燒熔。

5 建議

1）加強設備檢修階段的工藝管控及技術監督工作，對利用焊接工藝處理的吸附劑罩進行重點關注，同時按規定要求開展投運前的交流耐壓試驗和相關檢查確認工作，確保檢修質量。

2）斷路器分合操作后，加強對吸附劑罩等部件的檢查工作，確保各部件處于正常運行位置。

3）針對潛在的吸附劑罩脫焊情況，建議檢修工作中重點關注吸附劑罩焊點情況，對可能發生脫焊的吸附劑罩進行更換，進一步提升設備運行可靠性。

4）對具有相同屏蔽罩結構的設備進行排查，并結合設備技改大修工程進行吸附劑罩更換，更換時盡量采用一體成型的屏蔽罩結構，避免類似故障重復發生。