一起敞開式隔離開關操作過電壓激勵罐式斷路器微粒放電故障分析

陳 榮，李松原，李 楠，賀 春，朱旭亮，張黎明，李 進

（1.國網天津市電力公司電力科學究院，天津 300384；2.國網天津市電力公司，天津 300300；3.天津大學，天津 300300）

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switch，GIS）是全部或部分采用 SF6為絕緣介質的金屬封閉開關設備，其將斷路器、隔離開關、電流互感器等元件封閉于金屬外殼內以實現高壓導體的可靠絕緣，具有占地面積小、不受外界環境影響、運行可靠性高、免維護的優點，在電力系統得到大力推廣應用。

組合電器斷路器或隔離開關操作過程中產生高頻過電壓，研究表明GIS 隔離開關操作會產生頻率高達70 MHz、上升時沿小于5 ns 的快速暫態過電壓（Very Fast Transient Overvoltage，VFTO）［1-3］，實測最大值可達2.27倍基準值［4］（其電壓基準值為881 kV）。隔離開關的觸頭間隙擊穿特性影響產生VFTO的重復擊穿過程，當重復擊穿過程中出現工頻峰值電壓下的擊穿時，則產生最嚴重的VFTO。重復擊穿為隨機過程，影響它的主要因素包括：隔離開關操動的工頻相位、隔離開關觸頭間隙擊穿電壓隨觸頭間隙形成時間變化的特性［5］。

GIS設備內部異物主要在廠內裝配、設備運輸、現場安裝和實際運行等過程中產生，對GIS 絕緣影響最大的為金屬微粒。GIS中的金屬微粒在電場力的作用下會向盆式絕緣子靠近，經過一段時間的作用后，金屬微粒會附著在絕緣子表面并聚集在絕緣子與電極的結合點［6］，進而誘發GIS設備的絕緣擊穿。

近6 年來，某地組合電器/罐式斷路器金屬微粒異物放電占比超46%，操作期間發生擊穿占比約50%［7-11］。氣體絕緣金屬封閉設備絕緣承受該高頻過電壓時，若組合電器和罐式斷路器內部存在金屬微粒，則金屬微粒將被激發運動，極易導致放電故障［12-25］。

本文介紹了一起罐式斷路器在敞開式隔離開關操作過程中發生放電的故障，結合開罐情況分析、金屬成分分析、過電壓仿真分析以及非故障相隱患罐式斷路器現場診斷技術比較，得出罐式斷路器放電故障原因。

1 故障情況

1.1 故障簡介

2022年5月25日，某500 kV變電站2245甲間隔由運行轉檢修時，2245甲斷路器已拉開，在拉開2245甲-5刀閘時，220 kV-5甲母線保護動作聯跳2號主變三側開關，現場檢查發現2245甲-5刀閘A相動靜觸頭有燒蝕痕跡，2245甲A相斷路器內部故障。2245甲斷路器型號LW12-220，2001年7月10日出廠，2002年3月24日投運，三相操作次數分別為：A相97次，B相96次，C相98次（含調試）；2245甲-4、2245甲-5刀閘型號GW6，2022年4月8日投運。圖1為正常運行方式示意圖。

1.1 成分分析

故障后1.5 h氣室壓力正常（額定壓力為0.5 MPa），未發壓力低報警信號。2245甲斷路器A相滅弧室內氣體組分嚴重超標，SO2含量為2 847 μL/L，H2S 含量為57.7 μL/L；B、C相SO2與H2S含量均為0 μL/L。

1.2 部件解體分析

對故障部件進行檢查發現，滅弧室動觸頭屏蔽罩固定良好未見松動，動觸頭屏蔽罩燒蝕出9 cm×7.3 cm的孔洞。動觸頭側支撐絕緣子兩側存在獨立的熏黑痕跡，未發生貫穿性放電，絕緣拉桿連接壓氣缸部位部分燒蝕，如圖2所示。

圖2 動觸頭屏蔽罩Fig.2 Moving contact shield can

滅弧室動主觸頭插接部位存在9處鍍銀層刮擦痕跡，面積最大為11.5 mm×5.5 mm，鍍銀層磨損深度最大為13 μm，最小為5.4 μm，相關部位鍍銀層已完全脫落，肉眼可見銅露出，比正常開關主觸頭磨損嚴重，如圖3所示。

圖3 動觸頭鍍銀層（單位：mm）Fig.3 Moving contact silver plating layer (unit:mm)

1.3 尺寸比對

采用測距儀測量動靜觸頭對內壁的尺寸。

動觸頭噴口為基準向筒壁四周測距，數據分別為264 mm、295 mm、269 mm 和258 mm，最大尺寸偏差為37 mm，噴口直徑135 mm，如圖4所示。

圖4 面向2245甲C相斷路器動觸頭尺寸測量檢查Fig.4 Measurement and inspection of moving contact size of Phase C circuit breaker facing 2245 A

以靜觸頭觸指外壁為基準向筒壁四周測距，尺寸分別為206 mm、240 mm、213 mm 和240 mm，最大尺寸偏差為34 mm，如圖5所示。

圖5 面向2245甲C相斷路器靜觸頭尺寸測量檢查Fig.5 Measurement and inspection of static contact size of Phase C circuit breaker facing 2245 A

推斷：動靜觸頭對筒壁距離存在最大3 mm的偏差（動觸頭為37 mm、靜觸頭為34 mm），動靜觸頭對中不良。

2 過電壓仿真

2.1 建模

在拉開2245-5甲刀閘期間，由于刀閘動作時間較慢，在刀閘間隙較小時因斷口兩側電壓壓差過大而導致斷口重擊穿概率相對較高，對隔離開關開斷時，斷路器承受過電壓情況進行仿真分析，因2245-4甲刀閘已拉開，基于此可將-5甲刀閘拉開過程簡化為容性電路分閘，如圖6所示。

圖6 站內等效結構圖Fig.6 Equivalent structure diagram in the station

圖6 中，L1 代表主變側至2245-5 甲刀閘母線距離，現場實際測量為160 m；L2 代表2245-5 甲刀閘至2245 甲斷路器側架空連接線距離，現場實際測量為60 m。敞開站內母線及連接架空導線均采用分布式線路模型表示，波阻抗300 Ω，波速3×108 m/s。2245甲斷路器采用等效電容替代，斷路器斷口等效電容量約300 pF。利用ATP-EMTP 軟件進行仿真建模，模型結構如圖7 所示，其中2245-5 甲刀閘采用統計開關模型STAT 表示，母線電壓初始相位0°。為盡可能仿真計算過電壓最大值，STAT 刀閘分閘時間設定在0.01 s 附近（此時母線側電壓最大Um，弧光電流過零點熄?。?，波動范圍±0.005 s，均勻分布，統計次數200次。經歷半個工頻周波后，母線電壓變化為-Um，刀閘斷口兩側電壓差值達到最大，假定此時（STAT 0.02 s 重合）發生一次重擊穿，計算2245 甲斷路器側過電壓幅值。

圖7 仿真模型圖Fig.7 Simulation model diagram

2.2 仿真結果及分析

母線電壓（綠色）與斷路器側電壓波形（紅色）如圖8所示，對斷路器側電壓波形進行放大，可得到操作過電壓頻率在280 kHz左右。統計開關作用下斷路器側電壓，綜合考慮現場實際與理論仿真間的差異性、分閘時間的隨機性，選取50%統計電壓值作為仿真計算結果，過電壓幅值在456.34 kV～462.98 kV（峰值）之間，高于系統正常運行電壓（系統最高運行相電壓峰值：205.73 kV）。

圖8 母線與斷路器側電壓波形Fig.8 Voltage waveform at busbar and circuit breaker side

3 運行工況下超聲法和脈沖電流法局部放電檢測比對

3.1 試驗方案

對罐式斷路器同間隔完好相C相進行斷口加壓試驗，加壓流程盡量模擬運行工況下設備承壓情況，加壓流程如圖9。局部放電檢測方法采用脈沖電流法和超聲波法，超聲波傳感器接高分辨率示波器，壓電陶瓷超聲波探頭分別安裝于外殼上動觸頭對應位置（紫色線）和斷口對應位置（黃色線），圖10為測試原理圖。

圖9 升壓流程圖Fig.9 Boost flow chart

圖10 測試原理圖Fig.10 Test schematic diagram

3.2 試驗數據及分析

加壓前局放試驗背景約為270 pC；電壓升至最高運行電壓145 kV，10 min內，超聲波探頭未采集到局部放電信號，脈沖電流法測量局部放電量溢出，顯示為約3 000 pC。

電壓升至1.2 倍運行電壓持續1 min，超聲波傳感器采集到1 組局部放電數據，紫色線為動觸頭對應位置，黃色線為斷口對應位置，如圖11所示。

圖11 1組超聲波傳感器數據Fig.11 A set of ultrasonic sensor data

電壓升至320 kV 時，耐受1 min，超聲波傳感器采集到多組局部放電數據，如圖12所示。

表1 現場局部放電測試結果Table 1 Field partial discharge test results

圖12 多組超聲波傳感器圖Fig.12 Diagram of multiple sets of ultrasonic sensors

3.3 解體驗證

經解體發現動觸頭側屏蔽罩下方殼體處存在可見1 mm～5 mm左右金屬微粒。

收集C相罐內金屬顆粒（銀屑），主要成分為銀，占比為78.92%，推測來源于觸頭鍍銀層，如圖13所示。

圖13 C相氣室內微粒及成分檢測Fig.13 Detection of particle and component in Phase C gas chamber

3.4 試驗結論

1） 在運行電壓下采用超聲法無法診斷出斷路器動觸頭側屏蔽罩下方金屬顆粒放電；

2） 在1.2 倍最高運行電壓及以上電壓作用下，采用超聲帶電檢測法信號明顯。

4 結語

1） 綜合故障現象、錄波數據、解體情況、過電壓分析等因素，分析2245 甲斷路器A 相故障原因為：動靜主觸頭異常磨損，產生較多金屬顆粒，在操作振動（氣動機構）和分合閘氣流擾動下，于動觸頭側的屏蔽罩下方罐體處積聚；2245甲-5隔離開關分閘過程中產生高頻過電壓，傳導至斷路器動觸頭側（仿真結果：峰值535.64 kV、頻率280 kHz），加劇了罐體處積聚的金屬顆粒跳動，引發屏蔽罩底部對下方罐體放電。

2） 脈沖電流法現場局部放電試驗受到的干擾較大；采用超聲法檢測時，可通過單次脈沖采集超聲傳感器耦合脈沖波形；運行電壓下微粒放電不易被檢測，1.2倍運行電壓下微粒放電超聲檢測才有信號。

3） 敞開式隔離開關動作時間較慢，在隔離開關分閘瞬間，因斷口兩側電壓壓差過大而導致斷口重擊穿，出現頻率為280 kHz 左右的過電壓，操作過電壓幅值不大，但對金屬微粒的激發起到一定的作用。

本項目組將持續對隔離開關操作過電壓對微粒的激發作用做進一步研究。