一起220 kV组合电器绝缘击穿故障原因及分析

马 凯,黄伟民,谢 佳,黄道均,杨乃旗

(1.国网安徽省电力有限公司检修分公司,安徽 合肥 230009;2.国网安徽省电力有限公司,安徽 合肥 231200)

0 引言

在变电站中,SF6封闭式组合电器(gas insulated switchgear,GIS)是除变压器外的一次设备,包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等,经优化设计有机组合成一个整体。由于带电部分全部密封于惰性无毒的SF6气体中,不与外部接触,不受外部环境影响,具有优良的抗地震性能,由于金属外罩的屏蔽作用,可最大程度减少无线电干扰和噪声干扰,大大提高了可靠性和安全性。由于实现小型化,可在工厂内进行整机装配和试验合格后,以单元或间隔形式运达现场,可缩短现场安装工期并节约土地资源。因其结构布局合理,灭弧系统先进,大大提高了产品的使用寿命,另外,检修周期长、维修工作量小,因此日常维护方便[1-3]。但组合电器在制造、组装及运行过程中,内部可能产生一些缺陷,特别是在组合电器发生故障时,因其所有元件均处于密闭金属壳体内,无法直接观察设备内部状态,导致无法快速、准确定位故障点,需要通过耐压试验、局部放电试验或SF6分解物测试等方法进行分析[4-9]。即使确定内部故障点也需要经过SF6气体回收、抽真空、注气、静置、耐压等诸多工序。虽然纯净的SF6气体无毒,但若SF6气体中含有杂质,且与绝缘材料、电极接触时,部分SF6产物会与这些物质发生复杂的化学反应,生成剧毒的低氟化合物,极微量的SF6分解物即可致人死亡并危害设备安全,所以在处理涉及回收放电后的SF6气体缺陷等必须进行接触性工作时,应使用防毒面具,穿戴专用服帽,并戴上眼镜,以避免与SF6气体接触。因此组合电器的故障影响面积大,后果严重,处理难度高、工序复杂,维修时间长,危险性较高[10-16]。

1 故障概述

某500 kV新建变电站220 kV设备采用SF6全封闭组合电器,生产厂家为山东泰开高压开关有限公司,型号为ZF16-252(L),出厂日期为2017年8月,采用双母线双分段主接线方式,其优点是任意一段母线发生故障时,可跳闸范围缩小至220 kV区域的1/4,另外3条没有故障的母线可保持正常运行,如图1所示。

图1 220 kV双母线双分段接线

该组合电器于2018年5月11日投入运行,按照既定启动方案,利用220 kV峨繁4D94线为220 kV IA母线充电,然后合上4100断路器及两侧隔离开关为220 kV IB母线充电。11：34在220 kV IB母线启动充电过程中220 kV I母线分段4100断路器跳闸,调阅故障录波如图2所示,故障发生在A相,故障前流经4100断路器的电流为零,事故发生后该电流约为6000 A。

图2 故障录波

2 故障分析

220 kV母线分段4100断路器跳闸后,技术人员迅速开展故障分析,精确定位故障点。经现场仔细检查,组合电器所有气室SF6气体压力正常,220 kV IA母线、位于220 kV IA母线的220 kV峨繁4D94线路及断路器正常运行,同时故障录波显示,故障点位于A相,因此可判断故障点位于220 kV母线分段41002隔离开关或220 kV IB母线及其附属设备A相。仔细查看图2故障录波图可知,在220 kV母线分段4100断路器合上约30 s后发生跳闸,设备极有可能发生绝缘击穿。对怀疑可能放电的气室进行SF6分解物测量是准确判断故障位置的有效手段。因此技术人员使用ATSF903型SF6分解物测试仪对220 kV母线分段41002隔离开关或220 kV IB母线及其附属设备气室开展分解物测试,其中220 kV IB母线压变48007隔离开关/220 kV IB母线20210接地开关气室的SF6分解物明显超标,如图3所示。由图3可知,该气室SF6分解物中H2S、CO、SO2等含量明显超标,可明确判定220 kV IB母线压变48007隔离开关/220kV IB母线20210接地开关气室发生绝缘击穿,导致220 kV母线分段4100断路器过流保护动作,进而引发4100断路器跳闸。

图3 SF6分解物测试

2018年5月13日,技术人员采取相应的安全措施后对220 kV IB母线压变48007隔离开关/220 kV IB母线20210接地开关气室开罐检查,发现该气室A相内部壳体存在黑色烧蚀痕迹,48007隔离开关触头表面存在大量白色粉末状物质,属于明显的绝缘击穿故障特征,如图4所示。2018年5月18日—28日完成故障气室更换,异常原因待故障设备后续返厂分析后确定。

图4 故障气室内部击穿部位

3 原因分析

故障气室的所在位置如图5所示。由图5可知,220 kV IB母线压变48007隔离开关和220 kV IB母线20210接地开关位于同一气室。

图5 故障气室位置

2018年5月30日,技术人员对故障气室A相进行拆解分析。

a.对故障气室的220 kV IB母线20210接地开关拐臂盒进行拆解,检查内部情况,如图6所示。从拆除的接地拐臂盒壳体端口处观察,腔体内部均匀分布着白色粉末状分解产物;下端绝缘子凸面颜色发黑,残留黑色粉末及灰白色粉末,有明显闪络放电痕迹。

图6 220 kV IB母线20210接地开关拐臂盒拆解

b.对故障气室的220 kV IB母线压变48007隔离开关拐臂盒、中间触头进行拆解,检查内部情况如图7所示。由图7(a)可知,隔离开关绝缘拉杆有明显烧蚀;由图7(b)可知,隔离开关中间触头底部与绝缘子连接处有明显烧蚀痕迹,以上烧伤痕迹是由电弧高温烧蚀造成。

图7 220 kV IB母线压变48007隔离开关检查内部情况

c.将绝缘拉杆回装于隔离装配单元内部,升压至460 kV,维持压力1 min进行耐压试验,无放电现象,如图8所示。

图8 绝缘拉杆耐压试验

d.如果气室内部的隔离开关或接地开关各触头镀银层厚度不够,会导致接触电阻增大,在分合闸过程中可能导致过热,进而引发放电击穿,因此有必要对各触头的镀银层厚度进行检测。利用XL2-980-92544 型高精度合金分析仪开展镀银层厚度检测。调整检测器镀层材质为银,将检测器紧密卡在导电部件表面,稳定2 s,测试数据如表1所示,试验合格。

表1 镀银层厚度检测 单位：μm

e.组合电器各装配单元内的零部件尺寸设计需要综合考虑安全距离、电场分布等因素,各零部件的尺寸如果配合不当或装配误差过大都有可能导致设备绝缘击穿。根据图纸技术要求,利用游标卡尺、卷尺、直角尺等对隔离装配单元的壳体、动静触头、屏蔽罩尺寸等进行测量,所有测量值均合格,如表2所示。

表2 尺寸测量值 单位：mm

f.隔离开关静触头内存在压痕,需要进行隔离开关分合闸极限位置的分析验证,如图9所示。

图9 隔离开关分合闸位置

隔离断口开距为(110±3)mm,隔离动触头行程为(153±2)mm。分闸位置动触头缩进屏蔽罩(4±1)mm,计算插入量(合闸位置时,动触头进入静触头深度)为39 mm,而实际静触头断面距离静触头断面超过50 mm;即实际动触头合闸极限位置也达不到静触头底部端面;排除了隔离动触头合闸过位导致静触头压痕的可能;此处压痕产生的原因为静触头装配时,需要工装导体校正;工装导体人力压入,难以控制深度,导体底部可触及静触头底部形成压痕。

综上分析故障原因如下。

a.盆式绝缘子、绝缘拉杆经过耐压及局部放电、X射线探伤均无异常;为合格产品,无质量缺陷,可排除其造成设备异常的可能。

b.隔离装配单元内部导电部件的镀银层厚度在合理范围内,满足标准要求。由于导件部件表面镀银工艺最表层的部分镀银附着力相对较差,产品出厂前均进200 次的动作试验,去除导电部件接触区域最表层的附着力较差的银,剩余的镀银层性能可靠;动作试验完成后开盖清理,所以设备中的导电部件接触区镀银层比未接触区的镀银层相对低一些。以上分析排除了镀银层厚度造成设备异常的可能。

c.隔离装配单元各部件的尺寸均合格,无加工超差现象,可以排除零部件尺寸精度造成设备异常的可能。

d.隔离装配单元不存在分合闸欠过位的情况;可排除隔离开关分合闸位置不到位造成设备异常的可能。

排除以上可能造成异常的原因,结合采样品粉末检测报告结果,采样粉末主要成分为F和Al(F为SF6分解产生,Al来自内部触头),另含少量的Si、Cu、S等。可判定故障单元发生异常放电的原因为触头内部残存着细微的金属颗粒异物,厂内安装及试验时均未发现,在现场操作或带电运行时,受到机械振动或电场影响,掉落到气室下部的盆式绝缘子上,该盆式绝缘子表面局部电场畸变,当畸变达到一定程度时,发生绝缘击穿,最终导致一次接地。在内部电弧作用下,绝缘子表面被烧黑,内部触头被严重烧蚀。金属触头烧蚀形成不规则的金属烧熔颗粒,溅落至绝缘子表面;同时气室内部急剧升温导致SF6气体分解,产生大量白色粉末,附着于壳体内部各部件表面。

4 预防措施

《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》12.1.1.5明确规定,断路器、隔离开关和接地开关出厂试验时应进行不少于200次机械操作试验,以保证触头充分磨合,200次操作完成后应彻底清洁壳体内部,再进行其他出厂试验。而通过将故障单元解体试验、化验和测量得出该组合电器在启动送电故障后击穿原因是由于其内部有细微的金属颗粒,事故暴露出设备制造单位未严格落实相关工艺管控要求。虽然目前现场的故障单元已完成更换,但为杜绝其他设备发生类似事故,设备运维管理单位已加强在运设备的巡查,每年开展1次局部放电检测。设备制造单位也应加强对车间装配人员进行强化培训,严格执行装配工艺。特别针对零部件清洁情况,通过专职质检员和车间工艺巡检对执行情况进行监督及考核。

5 结语

本次组合电器击穿故障发生在新投运设备启动送电过程中,给正常的生产运行造成重大影响,是一起由于组装工艺执行不严格造成的设备隐患。为了吸取经验教训,防止类似故障发生,在组合电器的制造组装环节要严格落实工艺管控要求。