一起220kv氣體絕緣組合電器母線(xiàn)跳閘故障原因分析

0引言

氣體絕緣組合電器 (Gas Insulated Switchgear, GIS)具有配置靈活、占地面積小、維護(hù)量少和對(duì)環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點(diǎn),在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用^[1—3], 目前國(guó)內(nèi)新建的110 kv及以上變電站基本都是戶(hù)外或戶(hù)內(nèi)的GIS變電站。但根據(jù)近年來(lái)的運(yùn)行情 況分析,組合電器設(shè)備的缺陷和故障也不時(shí)發(fā)生^[4—6]。

為確保后續(xù)GIS的安全可靠運(yùn)行,滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)電力保供的要求^[7],對(duì)GIS故障診斷工作的要求越來(lái)越高。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)際,利用科學(xué)診斷方法觀(guān)察故障現(xiàn)象、分析故障原因,最終采取合理的預(yù)防措施避免同類(lèi)型的故障再次發(fā)生。下面就某220 kv變電站一起220kv氣體絕緣組合電器母線(xiàn)跳閘故障進(jìn)行分析。

1 故障概況

某220 kv變電站220 kv六氟化硫封閉式組合電器,設(shè)備型號(hào)為ZF9C—252,母線(xiàn)三相共箱,于2014年11月投運(yùn)。2023年4月開(kāi)展擴(kuò)建工程,接線(xiàn)方式由雙母線(xiàn)改為雙母線(xiàn)單分段,擴(kuò)建后Ⅱ段母線(xiàn)于2023年4月投運(yùn),本次故障設(shè)備即位于該擴(kuò)建部分。

故障發(fā)生前,220 kvI、Ⅱ、Ⅲ母并列運(yùn)行,母聯(lián)212、223開(kāi)關(guān)在合位,261、201開(kāi)關(guān)運(yùn)行于I段母線(xiàn),262、264、202開(kāi)關(guān)運(yùn)行于 Ⅱ段母線(xiàn),263、265、203開(kāi)關(guān)運(yùn)行于Ⅲ段母線(xiàn),一次接線(xiàn)圖如圖1所示。

2024—01—08T08:39,該變電站內(nèi)220 kv1、2號(hào)母差保護(hù)動(dòng)作,262、264、212、223、202開(kāi)關(guān)動(dòng)作跳閘,并遠(yuǎn)跳262、264間隔對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)。故障跳閘后該變電站由261、263線(xiàn)路供電,220kvI母、Ⅲ母運(yùn)行,1號(hào)、3號(hào)主變運(yùn)行,無(wú)負(fù)荷損失,無(wú)重要用戶(hù)及居民供電受影響。

2現(xiàn)場(chǎng)檢查診斷

2.1保護(hù)動(dòng)作分析

220 kv母線(xiàn)保護(hù)裝置為雙套配置,通過(guò)220 kv 1號(hào)母線(xiàn)保護(hù)裝置故障錄波波形,觀(guān)察和分析故障的發(fā)展過(guò)程。保護(hù)裝置啟動(dòng)時(shí),Ⅱ段母線(xiàn)差動(dòng)電流(即故障電流)B、C相大小相等、方向相反,A相無(wú)故障電流,B、C相母線(xiàn)保護(hù)電壓降低,說(shuō)明此時(shí)故障點(diǎn)發(fā)生B、C兩相相間短路故障,如圖2所示。

保護(hù)裝置啟動(dòng)約2 ms后,A相差動(dòng)電流開(kāi)始出現(xiàn),隨著時(shí)間的推移(2、9、17 ms),A相差動(dòng)電流不斷增大,三相差動(dòng)電流變得越來(lái)越接近正序量,故障從B、C兩相相間短路發(fā)展為三相短路,如圖3所示。

由于故障發(fā)生時(shí)2號(hào)主變高壓側(cè)中性點(diǎn)零序電流很小,表明沒(méi)有接地故障。

2.2設(shè)備本體檢查

故障發(fā)生后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查,故障位于Ⅱ段母線(xiàn)中261間隔與212間隔之間的連接母線(xiàn),該連接母線(xiàn)由三個(gè)母線(xiàn)筒、一個(gè)波紋管、三個(gè)盆式絕緣子(通盆)組成,氣室長(zhǎng)度約5 m,母線(xiàn)基礎(chǔ)無(wú)位移、無(wú)沉降發(fā)生,如圖4所示。

該連接母線(xiàn)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的母線(xiàn)氣室,即220 kv Ⅱ母1號(hào)氣室GM21,現(xiàn)場(chǎng)檢查時(shí)氣壓接近于零。后臺(tái)數(shù)據(jù)顯示,該氣室故障前氣壓正常,故障發(fā)生1.5 min后,后臺(tái)報(bào)氣壓低告警,可以排除因氣體絕緣降低而導(dǎo)致的短路故障。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)母線(xiàn)筒盆式絕緣子存在黑色噴濺物,注膠孔處標(biāo)識(shí)牌被沖開(kāi),判定此處為故障點(diǎn),如圖5所示。

2.3設(shè)備解體檢查

將220 kVⅡ母1號(hào)氣室GM21氣體回收和相鄰氣室降半壓后,進(jìn)行GM21氣室開(kāi)蓋檢查。打開(kāi)故障盆式絕緣子母線(xiàn)筒一側(cè)檢修手孔蓋,發(fā)現(xiàn)筒內(nèi)和導(dǎo)體上均不同程度附著有一層六氟化硫分解物,筒底存在部分盆式絕緣子碎片,故障盆式絕緣子有黑色的燒傷痕跡,并出現(xiàn)有部分裂紋。在故障盆式絕緣子另一側(cè),發(fā)現(xiàn)筒內(nèi)不僅有大量六氟化硫分解物,還有大量絕緣子碎片,如圖6所示。

取下故障盆式絕緣子深入檢查,兩側(cè)均存在嚴(yán)重裂紋和嚴(yán)重?zé)齻?裂紋已經(jīng)將金屬面貫通,絕緣子還出現(xiàn)一定程度的碳化痕跡。各相觸頭的屏蔽罩也直接燒穿,其中以B相最為嚴(yán)重且有兩個(gè)燒損面,判定B相為主放電點(diǎn),如圖7所示。

3返廠(chǎng)檢查及分析

對(duì)220 kV Ⅱ母1號(hào)氣室GM21三個(gè)盆式絕緣子(包含故障盆式絕緣子)返廠(chǎng)檢查及分析,開(kāi)展盆式絕緣子X(jué)射線(xiàn)探傷、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和密度試驗(yàn)、盆式絕緣子斷裂面解體檢查。

對(duì)故障盆式絕緣子碎片進(jìn)行拼接復(fù)原,發(fā)現(xiàn)部分盆式絕緣子碎片外表面無(wú)放電燒黑痕跡,說(shuō)明故障碎片為由內(nèi)而外的炸裂所致。發(fā)生短路故障時(shí)短路點(diǎn)先發(fā)生放電,再導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂澆筑面在急劇高溫時(shí)炸裂、碎片四濺,這些最先炸飛的碎片外表未遭到高溫?zé)g變黑,如圖8所示。

對(duì)故障盆式絕緣子中心導(dǎo)體區(qū)域、斷裂面、外沿區(qū)域等進(jìn)行X射線(xiàn)探傷,發(fā)現(xiàn)除斷裂痕跡外,盆式絕緣子內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣等缺陷。

從故障盆式絕緣子斷裂塊處取樣進(jìn)行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和密度試驗(yàn),取樣測(cè)量值符合要求,盆式絕緣子玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和密度未見(jiàn)異常,如表1所示。

對(duì)故障盆式絕緣子解體進(jìn)行斷裂面檢查,發(fā)現(xiàn)B、C兩相間存在明顯的放電通道,中心導(dǎo)體B、C兩相金屬基座均有嚴(yán)重放電燒蝕痕跡,白色曲線(xiàn)大致標(biāo)出了放電通道,如圖9所示。

對(duì)同母線(xiàn)上另外兩個(gè)盆式絕緣子電性能試驗(yàn)檢 測(cè),A、B、C相均無(wú)發(fā)現(xiàn)異常,電性能檢測(cè)結(jié)果合格。在返廠(chǎng)檢查的其他試驗(yàn)中,通過(guò)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、盆式絕緣子生產(chǎn)環(huán)節(jié)、試驗(yàn)環(huán)節(jié)及放電擊穿現(xiàn)象等排查分析,可以排除導(dǎo)體尺寸問(wèn)題造成的故障。

4故障原因分析

解體發(fā)現(xiàn)故障盆式絕緣子放電位置在A—C相左側(cè),放電擊穿位置距A、C相較近,距離B相較遠(yuǎn),初步判定在A—C相左側(cè)位置存在缺陷,導(dǎo)致放電擊穿。從擊穿通道走向分析,圓圈內(nèi)可能存在缺陷,出現(xiàn)放電擊穿后向B、C相擴(kuò)展,后續(xù)擴(kuò)展到A相,如圖10所示。

從盆式絕緣子開(kāi)裂的斷面看,開(kāi)裂的起始位置均位于擊穿通道,屬于先放電,擊穿的同時(shí)因內(nèi)部氣壓驟增導(dǎo)致盆式絕緣子破裂。盆式絕緣子放電開(kāi)裂原因可能有氣孔、氣隙、內(nèi)部雜質(zhì)。通過(guò)X射線(xiàn)探傷及 電性能試驗(yàn)合格,排除氣孔問(wèn)題;使用0.01 mm塞尺對(duì)該盆式絕緣子三相中心導(dǎo)體處進(jìn)行測(cè)量,無(wú)縫隙排除氣隙問(wèn)題。

綜上所述,該盆式絕緣子放電原因?yàn)?盆式絕緣子制作過(guò)程中,裝模時(shí)可能混入微小“L”形樹(shù)脂片,存在于A—C相左側(cè)位置,在澆注過(guò)程中與環(huán)氧樹(shù)脂料緊密結(jié)合,形成內(nèi)部缺陷。由于微小樹(shù)脂片與正常環(huán)氧澆注原材料密度一致,通過(guò)X射線(xiàn)探傷無(wú)法明顯觀(guān)察到,廠(chǎng)內(nèi)絕緣試驗(yàn)未出現(xiàn)異常,故該零件正常流轉(zhuǎn)。裝配至產(chǎn)品上后,隨著產(chǎn)品的運(yùn)行,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)環(huán)氧溫度冷熱循環(huán)變化,該微小樹(shù)脂片與環(huán)氧樹(shù)脂料之間會(huì)逐漸出現(xiàn)微小氣隙,進(jìn)而在B、C相間產(chǎn)生放電炸裂,造成B、C相母線(xiàn)故障,最終擴(kuò)展到三相故障,導(dǎo)致220 kvⅡ段母線(xiàn)跳閘。盆式絕緣子破裂后裂紋迅速擴(kuò)展到盆式絕緣子密封槽處,從盆式絕緣子澆帽口噴出氣體,造成母線(xiàn)氣室漏氣。

根據(jù)對(duì)同氣室內(nèi)另外兩個(gè)盆式絕緣子重新進(jìn)行 的電性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果,結(jié)合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、盆式絕緣子生產(chǎn)環(huán)節(jié)、試驗(yàn)環(huán)節(jié)及放電擊穿現(xiàn)象等排查分析,判斷該主母線(xiàn)盆式絕緣子放電破裂為偶發(fā)性設(shè)備質(zhì)量事件。

5 總結(jié)與建議

綜上所述,故障盆式絕緣子制作時(shí)混入了微小“L”形樹(shù)脂片,在澆注過(guò)程中與環(huán)氧樹(shù)脂料緊密結(jié)合,形成內(nèi)部缺陷。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)環(huán)氧溫度冷熱循環(huán)變化,該盆式絕緣子中微小樹(shù)脂片與環(huán)氧樹(shù)脂料之間逐漸出現(xiàn)微小氣隙,進(jìn)而在B、C相間產(chǎn)生放電炸裂,造成B、C相母線(xiàn)故障,最終擴(kuò)展為三相故障,導(dǎo)致220 kvⅡ段母線(xiàn)跳閘。

這起故障跳閘事件暴露出兩點(diǎn)問(wèn)題:1)廠(chǎng)家設(shè)備質(zhì)量管控不到位,特別是在裝模過(guò)程中缺乏對(duì)零部件的質(zhì)量管控,讓微小雜質(zhì)鉆了空隙;2)廠(chǎng)家對(duì)零件電性能試驗(yàn)把控不夠嚴(yán)格,X射線(xiàn)探傷裝置分辨率不夠高,對(duì)零部件內(nèi)部微小氣孔、微小雜質(zhì)存在檢漏情況。

該故障跳閘事件也為未來(lái)的運(yùn)維和檢修工作帶來(lái)幾點(diǎn)啟示:1)儲(chǔ)備技術(shù)改造項(xiàng)目開(kāi)展GIS局放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)^[8],及時(shí)預(yù)警、及時(shí)處理,防止故障再次發(fā)生;2)督促?gòu)S家加強(qiáng)設(shè)備質(zhì)量管理,包括生產(chǎn)專(zhuān)業(yè)人員能力提升、零部件電性能試驗(yàn)檢查加強(qiáng)等方面。

[參考文獻(xiàn)]

[1]宋杲,李煒,宋竹生,等.國(guó)網(wǎng)公司系統(tǒng)組合電器運(yùn)行情況分析[J].高壓電器,2009,45(6):78-82.

[2]丁登偉,高文勝,劉衛(wèi)東.采用特高頻法的GIS典型缺陷特性分析[J].高電壓技術(shù),2011,37(3):706-710.

[3] 張欣,李高揚(yáng),黃榮輝,等.不同運(yùn)行年限的GIS缺陷率統(tǒng)計(jì)分析與運(yùn)維建議 [J].高壓 電器 ,2016,52 (3):184-188.

[4] 馬凱,黃偉民,謝佳,等.一起220kV組合電器絕緣擊穿故障原因及分析[J].東北電力技術(shù),2024,45(2):36-40.

[5]劉平.GIS設(shè)備盆式絕緣子擊穿故障原因分析及處理探討[J].水電站機(jī)電技術(shù),2016,39(3):58-60.

[6] ?？?一起110kV組合電器漏氣原因分析[J].電力安全技術(shù),2023,25(3):32-34.

[7]高紅均,郭明浩,劉俊勇,等.從四川高溫干旱限電事件看新型電力系統(tǒng)保供挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2023,43(12):4517-4538.

[8]周云鋒,楊景剛,張子陽(yáng).組合電器盆式絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷的帶電檢測(cè)與分析[J].高壓電器,2012,48 (9): 112-116.

2024年第14期第2篇