一起220kv氣體絕緣組合電器母線跳閘故障原因分析

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、維護量少和對環(huán)境影響小等諸多優(yōu)點,在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用^[1—3], 目前國內新建的110 kv及以上變電站基本都是戶外或戶內的GIS變電站。但根據近年來的運行情 況分析,組合電器設備的缺陷和故障也不時發(fā)生^[4—6]。

為確保后續(xù)GIS的安全可靠運行,滿足國家對電力保供的要求^[7],對GIS故障診斷工作的要求越來越高。應結合現場運行實際,利用科學診斷方法觀察故障現象、分析故障原因,最終采取合理的預防措施避免同類型的故障再次發(fā)生。下面就某220 kv變電站一起220kv氣體絕緣組合電器母線跳閘故障進行分析。

1 故障概況

某220 kv變電站220 kv六氟化硫封閉式組合電器,設備型號為ZF9C—252,母線三相共箱,于2014年11月投運。2023年4月開展擴建工程,接線方式由雙母線改為雙母線單分段,擴建后Ⅱ段母線于2023年4月投運,本次故障設備即位于該擴建部分。

故障發(fā)生前,220 kvI、Ⅱ、Ⅲ母并列運行,母聯212、223開關在合位,261、201開關運行于I段母線,262、264、202開關運行于 Ⅱ段母線,263、265、203開關運行于Ⅲ段母線,一次接線圖如圖1所示。

2024—01—08T08:39,該變電站內220 kv1、2號母差保護動作,262、264、212、223、202開關動作跳閘,并遠跳262、264間隔對側開關。故障跳閘后該變電站由261、263線路供電,220kvI母、Ⅲ母運行,1號、3號主變運行,無負荷損失,無重要用戶及居民供電受影響。

2現場檢查診斷

2.1保護動作分析

220 kv母線保護裝置為雙套配置,通過220 kv 1號母線保護裝置故障錄波波形,觀察和分析故障的發(fā)展過程。保護裝置啟動時,Ⅱ段母線差動電流(即故障電流)B、C相大小相等、方向相反,A相無故障電流,B、C相母線保護電壓降低,說明此時故障點發(fā)生B、C兩相相間短路故障,如圖2所示。

保護裝置啟動約2 ms后,A相差動電流開始出現,隨著時間的推移(2、9、17 ms),A相差動電流不斷增大,三相差動電流變得越來越接近正序量,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2號主變高壓側中性點零序電流很小,表明沒有接地故障。

2.2設備本體檢查

故障發(fā)生后進行現場檢查,故障位于Ⅱ段母線中261間隔與212間隔之間的連接母線,該連接母線由三個母線筒、一個波紋管、三個盆式絕緣子(通盆)組成,氣室長度約5 m,母線基礎無位移、無沉降發(fā)生,如圖4所示。

該連接母線構成一個獨立的母線氣室,即220 kv Ⅱ母1號氣室GM21,現場檢查時氣壓接近于零。后臺數據顯示,該氣室故障前氣壓正常,故障發(fā)生1.5 min后,后臺報氣壓低告警,可以排除因氣體絕緣降低而導致的短路故障。

現場檢查發(fā)現母線筒盆式絕緣子存在黑色噴濺物,注膠孔處標識牌被沖開,判定此處為故障點,如圖5所示。

2.3設備解體檢查

將220 kVⅡ母1號氣室GM21氣體回收和相鄰氣室降半壓后,進行GM21氣室開蓋檢查。打開故障盆式絕緣子母線筒一側檢修手孔蓋,發(fā)現筒內和導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,并出現有部分裂紋。在故障盆式絕緣子另一側,發(fā)現筒內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,兩側均存在嚴重裂紋和嚴重燒傷,裂紋已經將金屬面貫通,絕緣子還出現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相最為嚴重且有兩個燒損面,判定B相為主放電點,如圖7所示。

3返廠檢查及分析

對220 kV Ⅱ母1號氣室GM21三個盆式絕緣子(包含故障盆式絕緣子)返廠檢查及分析,開展盆式絕緣子X射線探傷、玻璃化轉變溫度和密度試驗、盆式絕緣子斷裂面解體檢查。

對故障盆式絕緣子碎片進行拼接復原,發(fā)現部分盆式絕緣子碎片外表面無放電燒黑痕跡,說明故障碎片為由內而外的炸裂所致。發(fā)生短路故障時短路點先發(fā)生放電,再導致環(huán)氧樹脂澆筑面在急劇高溫時炸裂、碎片四濺,這些最先炸飛的碎片外表未遭到高溫燒蝕變黑,如圖8所示。

對故障盆式絕緣子中心導體區(qū)域、斷裂面、外沿區(qū)域等進行X射線探傷,發(fā)現除斷裂痕跡外,盆式絕緣子內沒有發(fā)現氣孔、夾渣等缺陷。

從故障盆式絕緣子斷裂塊處取樣進行玻璃化轉變溫度和密度試驗,取樣測量值符合要求,盆式絕緣子玻璃化轉變溫度和密度未見異常,如表1所示。

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

對同母線上另外兩個盆式絕緣子電性能試驗檢 測,A、B、C相均無發(fā)現異常,電性能檢測結果合格。在返廠檢查的其他試驗中,通過設計環(huán)節(jié)、盆式絕緣子生產環(huán)節(jié)、試驗環(huán)節(jié)及放電擊穿現象等排查分析,可以排除導體尺寸問題造成的故障。

4故障原因分析

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

從盆式絕緣子開裂的斷面看,開裂的起始位置均位于擊穿通道,屬于先放電,擊穿的同時因內部氣壓驟增導致盆式絕緣子破裂。盆式絕緣子放電開裂原因可能有氣孔、氣隙、內部雜質。通過X射線探傷及 電性能試驗合格,排除氣孔問題;使用0.01 mm塞尺對該盆式絕緣子三相中心導體處進行測量,無縫隙排除氣隙問題。

綜上所述,該盆式絕緣子放電原因為:盆式絕緣子制作過程中,裝模時可能混入微小“L”形樹脂片,存在于A—C相左側位置,在澆注過程中與環(huán)氧樹脂料緊密結合,形成內部缺陷。由于微小樹脂片與正常環(huán)氧澆注原材料密度一致,通過X射線探傷無法明顯觀察到,廠內絕緣試驗未出現異常,故該零件正常流轉。裝配至產品上后,隨著產品的運行,經過長期現場環(huán)氧溫度冷熱循環(huán)變化,該微小樹脂片與環(huán)氧樹脂料之間會逐漸出現微小氣隙,進而在B、C相間產生放電炸裂,造成B、C相母線故障,最終擴展到三相故障,導致220 kvⅡ段母線跳閘。盆式絕緣子破裂后裂紋迅速擴展到盆式絕緣子密封槽處,從盆式絕緣子澆帽口噴出氣體,造成母線氣室漏氣。

根據對同氣室內另外兩個盆式絕緣子重新進行 的電性能試驗檢測結果,結合設計環(huán)節(jié)、盆式絕緣子生產環(huán)節(jié)、試驗環(huán)節(jié)及放電擊穿現象等排查分析,判斷該主母線盆式絕緣子放電破裂為偶發(fā)性設備質量事件。

5 總結與建議

綜上所述,故障盆式絕緣子制作時混入了微小“L”形樹脂片,在澆注過程中與環(huán)氧樹脂料緊密結合,形成內部缺陷。經過長期現場環(huán)氧溫度冷熱循環(huán)變化,該盆式絕緣子中微小樹脂片與環(huán)氧樹脂料之間逐漸出現微小氣隙,進而在B、C相間產生放電炸裂,造成B、C相母線故障,最終擴展為三相故障,導致220 kvⅡ段母線跳閘。

這起故障跳閘事件暴露出兩點問題:1)廠家設備質量管控不到位,特別是在裝模過程中缺乏對零部件的質量管控,讓微小雜質鉆了空隙;2)廠家對零件電性能試驗把控不夠嚴格,X射線探傷裝置分辨率不夠高,對零部件內部微小氣孔、微小雜質存在檢漏情況。

該故障跳閘事件也為未來的運維和檢修工作帶來幾點啟示:1)儲備技術改造項目開展GIS局放在線監(jiān)測^[8],及時預警、及時處理,防止故障再次發(fā)生;2)督促廠家加強設備質量管理,包括生產專業(yè)人員能力提升、零部件電性能試驗檢查加強等方面。

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2024年第14期第2篇