一起1100kV气体绝缘金属封闭开关设备母线放电故障分析

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国网江苏省电力有限公司检修分公司、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院的研究人员余爽、赵科，在2021年第4期《电气技术》上撰文，针对一起特高压变电站1 100kV气体绝缘金属封闭开关设备母线跳闸故障进行了分析。阐述了故障发展过程，结合现场诊断、解体检查及返厂试验情况，分析认为母线盆式绝缘子电连接装配间隙处存在异物，在盆子表面残余电荷、操作过电压等因素作用下，造成盆子沿面闪络是此次事故的主要原因，最后提出了相应的改进措施及建议。

气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）在现代电力系统中起着举足轻重的作用，具有结构紧凑、运行可靠和易维护等优点。GIS在制造、运输、安装、运行过程中，可能会因产品质量把控不严或长期操作振动，导致其内部导体表面存在金属微粒、绝缘件或紧固件松动和相对位移等缺陷，严重时引发跳闸事故，甚至造成人身伤害，带来巨大的损失。

1  故障概述

特高压站执行网调1 000kV Ⅰ母线复役操作，通过T011开关给Ⅰ母线充电，遥控合T011开关，40ms后，1 100kV GIS故障，Ⅰ母两套母差保护动作，跳开T011开关，C相故障电流约为14.2kA。故障时现场天气晴，气温-6℃～6℃。

故障前运行方式为T011处于热备用状态，T051、T041、T022处于冷备用状态，T053、T042、T043、T023、T013开关处于运行状态，如图1所示。

图1  故障前运行方式

故障设备为河南平高电气股份有限公司生产的ZF27—1100（L）型GIS，额定电流为6 300A（母线8 000A），额定短路开断电流为63kA，制造日期为2014年，投运日期为2016年4月3日。

2  检查处理

2.1  保护动作情况

故障发生后，现场检查1000kV Ⅰ母第一套母差保护和第二套母差保护均动作，故障电流14.2kA，保护动作行为正确。调取监控后台事件顺序记录（sequence of event, SOE），故障发展过程见表1，故障时刻波形如图2所示。

表1  故障发展过程

图2  1000kV线路及母线故障录波

从图2可以看出，T011开关遥控合闸后4ms盱泰Ⅰ线电压波形开始出现异常，14ms时C相电压跌至零，故障电流增加。本次故障电流由T011开关流向故障点。由于盱泰Ⅰ线线路保护未动作，判断故障点处于盱泰Ⅰ线保护范围外，即T011母线侧隔离开关至整个Ⅰ母母线段。

2.2  一次设备检查情况

故障后，现场检查发现1 100kV GIS T011断路器位置为分位，机构油压为33MPa（额定为31.5MPa），未见异常。对设备SF6压力情况进行排查，非断路器气室的压力为0.48MPa左右（额定值为0.45MPa），断路器气室的压力为0.68MPa左右（额定值为0.65MPa），排查未见压力异常。

对Ⅰ母及关联设备C相的SF6组分进行了测量，发现Ⅰ母10号气室气体组分异常，SO2和H2S含量严重超标，测量结果如图3所示，初步判断放电故障点位于该气室。

图3 Ⅰ母10号气室气体成分测量结果

现场对Ⅰ母C相10号气室进行开盖检查，确定放电点位于Ⅰ母C相10号气室近T0411侧隔离开关盆式绝缘子，为绝缘沿面闪络故障，盆子沿面闪络情况如图4所示。对该气室另一侧盆子进行检查未发现放电痕迹。

图4  故障盆子沿面闪络情况

综合一次设备检查情况及保护动作情况，初步分析故障原因为Ⅰ母C相10号气室近T0411侧隔离开关盆式绝缘子存在绝缘缺陷，在空母线投入时发生沿面闪络，进而导致母差保护动作跳闸。

3  返厂检查

3.1  外观检查

对故障盆子返厂检查发现，10:00～13:00区域（面向盆子凹面）有大片灼黑痕迹，3:00区域有三条细树叉状放电痕迹，6:00区域有熔融物飞溅痕迹，如图5所示。

图5  故障盆子外观检查

故障盆子触头座在10:00、12:00左右区域（面向盆子凹面）有2片金属烧融痕迹，如图6所示。筒体内表面（对应导体电弧烧蚀点）在10:00、12:00区域（面向盆子凹面）有两处电弧烧蚀点。筒体内表面6:00方向有熔融物滴落堆积痕迹，导体触头座表面烧蚀严重，如图7所示。

3.2  试验检查

对故障盆子进行X光检查，未见异常，如图8所示。对故障盆子凹、凸面打磨抛光，分别进行着色渗透试验，试验结果未见异常，如图9所示。

图6  故障盆子触头座

图7  导体触头座外观检查

图8  故障盆子X光检查

图9  故障盆子着色渗透试验

将故障盆子封入试验工装，进行工频耐压局部放电试验，试验加压顺序为：0→1 100kV/5min→ 762kV/10min→试验结束。最大局部放电量约为1.7pC，满足单只绝缘件局部放电量不超过3pC的要求，试验结果未见异常。

3.3  原因分析

盆式绝缘子放电的原因主要有内部绝缘缺陷、绝缘及连接件松动、表面异物三个方面。通过返厂X光检测、着色渗透试验及耐压试验，发现盆子绝缘无异常，因此排除内部绝缘缺陷的问题。通过现场解体检查，未发现盆子及导电杆连接件松动的问题，这一方面的原因也可排除。通过对盆子表面、触头座的放电痕迹检查可以看出，放电起始通道为中心导体12点方向沿盆式绝缘子表面发展，到GIS筒体12点位置导通形成放电通道。因此推断本次故障原因为盆子电连接装配间隙处可能存在微小颗粒、纤维等异物。

故障盆子位于Ⅰ母C相母线末端，该相母线未安装PT，在盆子表面容易积聚残余电荷。T011开关处于母线另一侧，通过T011开关给Ⅰ母线充电时，在操作过电压、盆子表面残余电荷、长母线容性效应的共同作用下，故障盆子处电压相对升高，放电电压降低，造成绝缘子沿面放电。

综合上述分析，本次故障原因为盆子电连接装配间隙处可能存在微小颗粒、纤维等异物，母线复役过程中，在盆子表面残余电荷、操作过电压等因素作用下，造成盆子的闪络故障。故障后异物消除，盆子绝缘强度得到恢复。

4  结论

本文对一起特高压变电站1 100kV气体绝缘金属封闭开关设备母线跳闸故障进行了分析。综合厂内检查、解体结果，本次故障原因为盆子电连接装配间隙处可能存在微小颗粒、纤维等异物，母线复役过程中，在盆子表面残余电荷、操作过电压等因素作用下，诱发盆子电连接装配三角区电场畸变，造成盆子的闪络故障。

针对本次故障的原因，为避免类似故障再次发生，提出以下建议：

1）生产厂家需进一步加强产品制造质量管控，保证产品生产环境及出厂质量。同时核算盆子结构、盆子与电连接装配三角区电场，进一步研究操作过电压下盆子的绝缘特性。

2）基建安装过程中，施工单位及厂家加强GIS母线对接、内部安装环节的管理，提高安装质量。

3）设备验收过程中，监理及运维单位加强实施验收检查，交接试验过程中对设备本体进行全面的局部放电检测。

本文编自2021年第4期《电气技术》，论文标题为“一起1100kV气体绝缘金属封闭开关设备母线放电故障分析”，作者为余爽、赵科。