一起220 kV組合電器絕緣擊穿故障原因及分析

馬 凱,黃偉民,謝 佳,黃道均,楊乃旗

(1.國網安徽省電力有限公司檢修分公司,安徽 合肥 230009;2.國網安徽省電力有限公司,安徽 合肥 231200)

0 引言

在變電站中,SF6封閉式組合電器(gas insulated switchgear,GIS)是除變壓器外的一次設備,包括斷路器、隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、電纜終端、進出線套管等,經優化設計有機組合成一個整體。由于帶電部分全部密封于惰性無毒的SF6氣體中,不與外部接觸,不受外部環境影響,具有優良的抗地震性能,由于金屬外罩的屏蔽作用,可最大程度減少無線電干擾和噪聲干擾,大大提高了可靠性和安全性。由于實現小型化,可在工廠內進行整機裝配和試驗合格后,以單元或間隔形式運達現場,可縮短現場安裝工期并節約土地資源。因其結構布局合理,滅弧系統先進,大大提高了產品的使用壽命,另外,檢修周期長、維修工作量小,因此日常維護方便[1-3]。但組合電器在制造、組裝及運行過程中,內部可能產生一些缺陷,特別是在組合電器發生故障時,因其所有元件均處于密閉金屬殼體內,無法直接觀察設備內部狀態,導致無法快速、準確定位故障點,需要通過耐壓試驗、局部放電試驗或SF6分解物測試等方法進行分析[4-9]。即使確定內部故障點也需要經過SF6氣體回收、抽真空、注氣、靜置、耐壓等諸多工序。雖然純凈的SF6氣體無毒,但若SF6氣體中含有雜質,且與絕緣材料、電極接觸時,部分SF6產物會與這些物質發生復雜的化學反應,生成劇毒的低氟化合物,極微量的SF6分解物即可致人死亡并危害設備安全,所以在處理涉及回收放電后的SF6氣體缺陷等必須進行接觸性工作時,應使用防毒面具,穿戴專用服帽,并戴上眼鏡,以避免與SF6氣體接觸。因此組合電器的故障影響面積大,后果嚴重,處理難度高、工序復雜,維修時間長,危險性較高[10-16]。

1 故障概述

某500 kV新建變電站220 kV設備采用SF6全封閉組合電器,生產廠家為山東泰開高壓開關有限公司,型號為ZF16-252(L),出廠日期為2017年8月,采用雙母線雙分段主接線方式,其優點是任意一段母線發生故障時,可跳閘范圍縮小至220 kV區域的1/4,另外3條沒有故障的母線可保持正常運行,如圖1所示。

圖1 220 kV雙母線雙分段接線

該組合電器于2018年5月11日投入運行,按照既定啟動方案,利用220 kV峨繁4D94線為220 kV IA母線充電,然后合上4100斷路器及兩側隔離開關為220 kV IB母線充電。11：34在220 kV IB母線啟動充電過程中220 kV I母線分段4100斷路器跳閘,調閱故障錄波如圖2所示,故障發生在A相,故障前流經4100斷路器的電流為零,事故發生后該電流約為6000 A。

圖2 故障錄波

2 故障分析

220 kV母線分段4100斷路器跳閘后,技術人員迅速開展故障分析,精確定位故障點。經現場仔細檢查,組合電器所有氣室SF6氣體壓力正常,220 kV IA母線、位于220 kV IA母線的220 kV峨繁4D94線路及斷路器正常運行,同時故障錄波顯示,故障點位于A相,因此可判斷故障點位于220 kV母線分段41002隔離開關或220 kV IB母線及其附屬設備A相。仔細查看圖2故障錄波圖可知,在220 kV母線分段4100斷路器合上約30 s后發生跳閘,設備極有可能發生絕緣擊穿。對懷疑可能放電的氣室進行SF6分解物測量是準確判斷故障位置的有效手段。因此技術人員使用ATSF903型SF6分解物測試儀對220 kV母線分段41002隔離開關或220 kV IB母線及其附屬設備氣室開展分解物測試,其中220 kV IB母線壓變48007隔離開關/220 kV IB母線20210接地開關氣室的SF6分解物明顯超標,如圖3所示。由圖3可知,該氣室SF6分解物中H2S、CO、SO2等含量明顯超標,可明確判定220 kV IB母線壓變48007隔離開關/220kV IB母線20210接地開關氣室發生絕緣擊穿,導致220 kV母線分段4100斷路器過流保護動作,進而引發4100斷路器跳閘。

圖3 SF6分解物測試

2018年5月13日,技術人員采取相應的安全措施后對220 kV IB母線壓變48007隔離開關/220 kV IB母線20210接地開關氣室開罐檢查,發現該氣室A相內部殼體存在黑色燒蝕痕跡,48007隔離開關觸頭表面存在大量白色粉末狀物質,屬于明顯的絕緣擊穿故障特征,如圖4所示。2018年5月18日—28日完成故障氣室更換,異常原因待故障設備后續返廠分析后確定。

圖4 故障氣室內部擊穿部位

3 原因分析

故障氣室的所在位置如圖5所示。由圖5可知,220 kV IB母線壓變48007隔離開關和220 kV IB母線20210接地開關位于同一氣室。

圖5 故障氣室位置

2018年5月30日,技術人員對故障氣室A相進行拆解分析。

a.對故障氣室的220 kV IB母線20210接地開關拐臂盒進行拆解,檢查內部情況,如圖6所示。從拆除的接地拐臂盒殼體端口處觀察,腔體內部均勻分布著白色粉末狀分解產物;下端絕緣子凸面顏色發黑,殘留黑色粉末及灰白色粉末,有明顯閃絡放電痕跡。

圖6 220 kV IB母線20210接地開關拐臂盒拆解

b.對故障氣室的220 kV IB母線壓變48007隔離開關拐臂盒、中間觸頭進行拆解,檢查內部情況如圖7所示。由圖7(a)可知,隔離開關絕緣拉桿有明顯燒蝕;由圖7(b)可知,隔離開關中間觸頭底部與絕緣子連接處有明顯燒蝕痕跡,以上燒傷痕跡是由電弧高溫燒蝕造成。

圖7 220 kV IB母線壓變48007隔離開關檢查內部情況

c.將絕緣拉桿回裝于隔離裝配單元內部,升壓至460 kV,維持壓力1 min進行耐壓試驗,無放電現象,如圖8所示。

圖8 絕緣拉桿耐壓試驗

d.如果氣室內部的隔離開關或接地開關各觸頭鍍銀層厚度不夠,會導致接觸電阻增大,在分合閘過程中可能導致過熱,進而引發放電擊穿,因此有必要對各觸頭的鍍銀層厚度進行檢測。利用XL2-980-92544 型高精度合金分析儀開展鍍銀層厚度檢測。調整檢測器鍍層材質為銀,將檢測器緊密卡在導電部件表面,穩定2 s,測試數據如表1所示,試驗合格。

表1 鍍銀層厚度檢測 單位：μm

e.組合電器各裝配單元內的零部件尺寸設計需要綜合考慮安全距離、電場分布等因素,各零部件的尺寸如果配合不當或裝配誤差過大都有可能導致設備絕緣擊穿。根據圖紙技術要求,利用游標卡尺、卷尺、直角尺等對隔離裝配單元的殼體、動靜觸頭、屏蔽罩尺寸等進行測量,所有測量值均合格,如表2所示。

表2 尺寸測量值 單位：mm

f.隔離開關靜觸頭內存在壓痕,需要進行隔離開關分合閘極限位置的分析驗證,如圖9所示。

圖9 隔離開關分合閘位置

隔離斷口開距為(110±3)mm,隔離動觸頭行程為(153±2)mm。分閘位置動觸頭縮進屏蔽罩(4±1)mm,計算插入量(合閘位置時,動觸頭進入靜觸頭深度)為39 mm,而實際靜觸頭斷面距離靜觸頭斷面超過50 mm;即實際動觸頭合閘極限位置也達不到靜觸頭底部端面;排除了隔離動觸頭合閘過位導致靜觸頭壓痕的可能;此處壓痕產生的原因為靜觸頭裝配時,需要工裝導體校正;工裝導體人力壓入,難以控制深度,導體底部可觸及靜觸頭底部形成壓痕。

綜上分析故障原因如下。

a.盆式絕緣子、絕緣拉桿經過耐壓及局部放電、X射線探傷均無異常;為合格產品,無質量缺陷,可排除其造成設備異常的可能。

b.隔離裝配單元內部導電部件的鍍銀層厚度在合理范圍內,滿足標準要求。由于導件部件表面鍍銀工藝最表層的部分鍍銀附著力相對較差,產品出廠前均進200 次的動作試驗,去除導電部件接觸區域最表層的附著力較差的銀,剩余的鍍銀層性能可靠;動作試驗完成后開蓋清理,所以設備中的導電部件接觸區鍍銀層比未接觸區的鍍銀層相對低一些。以上分析排除了鍍銀層厚度造成設備異常的可能。

c.隔離裝配單元各部件的尺寸均合格,無加工超差現象,可以排除零部件尺寸精度造成設備異常的可能。

d.隔離裝配單元不存在分合閘欠過位的情況;可排除隔離開關分合閘位置不到位造成設備異常的可能。

排除以上可能造成異常的原因,結合采樣品粉末檢測報告結果,采樣粉末主要成分為F和Al(F為SF6分解產生,Al來自內部觸頭),另含少量的Si、Cu、S等?？膳卸ü收蠁卧l生異常放電的原因為觸頭內部殘存著細微的金屬顆粒異物,廠內安裝及試驗時均未發現,在現場操作或帶電運行時,受到機械振動或電場影響,掉落到氣室下部的盆式絕緣子上,該盆式絕緣子表面局部電場畸變,當畸變達到一定程度時,發生絕緣擊穿,最終導致一次接地。在內部電弧作用下,絕緣子表面被燒黑,內部觸頭被嚴重燒蝕。金屬觸頭燒蝕形成不規則的金屬燒熔顆粒,濺落至絕緣子表面;同時氣室內部急劇升溫導致SF6氣體分解,產生大量白色粉末,附著于殼體內部各部件表面。

4 預防措施

《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》12.1.1.5明確規定,斷路器、隔離開關和接地開關出廠試驗時應進行不少于200次機械操作試驗,以保證觸頭充分磨合,200次操作完成后應徹底清潔殼體內部,再進行其他出廠試驗。而通過將故障單元解體試驗、化驗和測量得出該組合電器在啟動送電故障后擊穿原因是由于其內部有細微的金屬顆粒,事故暴露出設備制造單位未嚴格落實相關工藝管控要求。雖然目前現場的故障單元已完成更換,但為杜絕其他設備發生類似事故,設備運維管理單位已加強在運設備的巡查,每年開展1次局部放電檢測。設備制造單位也應加強對車間裝配人員進行強化培訓,嚴格執行裝配工藝。特別針對零部件清潔情況,通過專職質檢員和車間工藝巡檢對執行情況進行監督及考核。

5 結語

本次組合電器擊穿故障發生在新投運設備啟動送電過程中,給正常的生產運行造成重大影響,是一起由于組裝工藝執行不嚴格造成的設備隱患。為了吸取經驗教訓,防止類似故障發生,在組合電器的制造組裝環節要嚴格落實工藝管控要求。