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氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（gas insulated switch- gear, GIS）設(shè)備在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行可靠和易維護等優(yōu)點。組合電器結(jié)構(gòu)緊湊，很容易在生產(chǎn)、安裝、運行維護等環(huán)節(jié)由于管控不嚴導(dǎo)致母線筒內(nèi)存在異物，造成內(nèi)部缺陷。

某±800kV換流站一條500kV送出線路消缺結(jié)束，在恢復(fù)送電過程中，兩次充電未成功，第二次充電失敗后，變電站工作人員在巡視中發(fā)現(xiàn)該出線側(cè)500kV GIS設(shè)備G88A氣室漏氣。

本文在現(xiàn)場設(shè)備解體檢查的基礎(chǔ)上，結(jié)合繼電保護動作情況，追溯設(shè)備出廠試驗并進行盆式絕緣子電場模擬試驗，綜合分析該盆式絕緣子放電故障原因。

1 繼電保護動作情況及分析

繼電保護動作事件過程如圖1所示。

圖1 繼電保護動作事件過程

1.1 兩次送電故障錄波情況

該送出線路第一次送電過程中兩側(cè)換流站故障錄波波形如圖2和圖3所示，根據(jù)受端換流站側(cè)錄波顯示19:05:38:599時受端換流站發(fā)合閘命令，66ms后開關(guān)合閘完成，送出線路A、B、C相出現(xiàn)電壓、電流，錄波顯示A相電壓有效值為243.17kV、B相為313.05kV、C相為307.66kV，A相電流有效值為4.21kA、B相為0.057kA、C相為0.061kA，零序電流4.301kA。

故障特征為A相單相接地故障，故障電流出現(xiàn)21ms保護裝置動作跳閘，61ms開關(guān)跳開故障切除。送端換流站側(cè)故障錄波顯示開關(guān)合閘后，A相出現(xiàn)操作過電壓，幅值為835.334kV（1.95p.u.），后降為8.9kV左右，B相電壓最高幅值為-606.48kV，C相電壓最高幅值為-825.158kV，故障持續(xù)61ms?，F(xiàn)場避雷器A、B相未動作，C相動作。

圖2 受端換流站第一次送電故障錄波波形

圖3 送端換流站第一次送電故障錄波波形

該送出線路第二次送電過程中兩側(cè)換流站故障錄波波形分別如圖4和圖5所示。第二次送電過程中受端換流站側(cè)故障量趨勢與第一次送電情況基本相符，故障持續(xù)61ms左右，故障特征為A相接地故障。送端換流站側(cè)A相瞬時電壓最高為11.989kV左右，B、C相電壓正常。從兩側(cè)錄波看，第二次送電受端換流站合閘時故障點依然存在，送端換流站側(cè)A相電壓接近0，故障應(yīng)為該線路送端換流站側(cè)出口處直接接地故障。

圖4 受端換流站第二次送電故障錄波波形

圖5 送端換流站第二次送電故障錄波波形

1.2 繼電保護裝置動作情況

受端換流站側(cè)：PSL—603UA保護裝置11月14日19:05:38:664啟動，22ms分相差動保護動作、31ms距離加速動作。CSC—103A保護裝置19:05:38:665啟動，20ms縱聯(lián)差動保護動作、差動手合動作，34ms距離加速動作，67ms零序加速動作。

送端換流站側(cè)：PSL—603UA保護裝置、CSC—103A保護裝置啟動，未動作。

1.3 縱聯(lián)差動保護動作分析

線路在空充時故障或空載時發(fā)生故障，其邏輯為：一側(cè)變電站開關(guān)在分位、一側(cè)開關(guān)在合位，合閘側(cè)檢測到故障且故障電流大于差動保護定值時，合閘側(cè)線路差動保護動作跳閘，分位側(cè)線路保護不動作。本次故障受端換流站側(cè)縱聯(lián)差動保護動作，送端換流站側(cè)啟動未動作，差動保護動作行為符合空充狀態(tài)下故障的動作邏輯。

送端換流站側(cè)開關(guān)在分位，故障電流為零，保護裝置無法通過電流突變量啟動，縱聯(lián)電流差動保護針對空充狀態(tài)增加了跳閘位置節(jié)點（TWJ）啟動元件，作為手合于故障或空充線路，一側(cè)啟動另一側(cè)不啟動時，未合側(cè)保護裝置的啟動元件，即未合側(cè)只要滿足：①裝置有三相TWJ開入；②收到對側(cè)保護啟動信號，則保護啟動。送端換流站側(cè)保護啟動框圖如圖6所示。

圖6 送端換流站側(cè)保護啟動框圖

本次故障，送端換流站側(cè)滿足TWJ啟動條件，保護裝置啟動，向?qū)?cè)發(fā)送啟動信號，但因本側(cè)開關(guān)故障前三相在分位，不滿足差動跳閘邏輯，差動保護未動作。受端換流站側(cè)電流突變量元件啟動，接收到對側(cè)發(fā)送的啟動信號，差動電流1.112A大于差動保護動作定值0.15A，差動保護動作。

1.4 手合于故障加速保護動作分析

合閘加速保護分為距離加速和零序加速兩種，受端換流站側(cè)滿足手合加速條件，PSL—603UA保護裝置故障阻抗為29.814Ω，小于接地距離Ⅲ段定值57.6Ω，經(jīng)過延時（最長不超過50ms）距離加速動作；零序加速保護手合時固定延時100ms，故障持續(xù)60ms左右，零序加速未達到延時，零序加速保護不動作。

CSC—103A保護故障阻抗為29.88Ω，小于接地距離Ⅲ段定值57.6Ω，距離手合加速動作。故障時零序電流為1.086A，大于零序過電流加速段定值0.09A，零序加速保護裝置內(nèi)固定延時60ms，零序加速保護動作。

1.5 故障過程行波測距分析

送端換流站配置XC—100E行波測距裝置，其基本原理：通過測量電壓、電流行波在故障點及母線（電站）之間的傳播時間進行測距。

故障線路送電過程中因本側(cè)開關(guān)處于分位無電流量輸入，無法通過故障線路行波進行測距，可以根據(jù)故障點產(chǎn)生行波通過故障線路到受端換流站母線，經(jīng)過另一線路到達送端換流站母線進行測距。結(jié)合測距行波波形L=(2740-1738)×148000m=146588m，分析結(jié)果為距受端換流站側(cè)約為146.7km，符合計算結(jié)果。送端換流站側(cè)行波單端測距分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 送端換流站側(cè)行波單端測距分析結(jié)果

2 現(xiàn)場檢查及解體情況

2.1 現(xiàn)場檢查情況

14日22:00，第一次充電失敗后，檢修人員對送端換流站內(nèi)5083DK線路高抗、故障線路出線設(shè)備進行檢查，設(shè)備外觀檢查無異常；對故障線路A相分支母線及隔離開關(guān)氣室進行SF6分解物試驗（見表1），試驗結(jié)果無異常。15日02:00第二次充電失敗后，對5083DK線路高抗、故障線路出線設(shè)備進行檢查，設(shè)備外觀檢查無異常；對故障線路A相分支母線及隔離開關(guān)氣室進行SF6分解物試驗（見表1），試驗結(jié)果無異常；對5083DK線路高抗進行油色譜分析，數(shù)據(jù)無異常。

15日08:00，運行人員發(fā)現(xiàn)故障線路出線G88A氣室漏氣，壓力開始有下降趨勢?，F(xiàn)場立即進行全面檢查，發(fā)現(xiàn)套管下方第一個盆式絕緣子澆筑口有漏氣響聲。隨后進行SF6分解物檢測，發(fā)現(xiàn)有SO2體積分數(shù)為69.4×10-6，故障點所在氣室較長，約為35m，分析認為氣室較長，SO2擴散至取氣口需要較長時間，所以故障后很長時間才檢測到分解物（見表1）。

表1 G88A氣室（A相）分解物檢測數(shù)據(jù)

2.2 設(shè)備解體檢查情況

現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)G88A氣室SO2體積分數(shù)為69.4× 10◆6，判斷G88A氣室內(nèi)部存在放電，故障位置如圖8所示。16日02:00，對故障線路出線G88A氣室套管下端第一個盆式絕緣子進行開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子兩側(cè)均有燒傷。

圖8 放電氣室故障位置

現(xiàn)場開蓋后，發(fā)現(xiàn)故障部位位于套管下方通氣盆式絕緣子，如圖9和圖10所示，盆式絕緣子凸側(cè)朝向套管側(cè)，凹側(cè)朝向分支母線側(cè)。

圖9 故障位置

圖10 故障位置內(nèi)部形態(tài)圖

檢查發(fā)現(xiàn)，故障盆式絕緣子放電位置位于正常運行位置的正下方。放電發(fā)生在盆式絕緣子凹面，凹面大面積炭化，且有兩條明顯放電通道，其中一條放電通道是寬15～20mm、深4mm左右、均勻且炭化嚴重的溝狀損傷；在凸面存在明顯裂縫，嚴重損傷部位呈長35mm、寬15mm、高9mm的鼓包狀裂縫，凸面損傷裂縫和凹面兩條放電通道重合，盆式絕緣子觸頭、導(dǎo)體有多處電弧燒蝕痕跡。具體檢查情況如圖11～圖14所示。

圖11 盆式絕緣子放電情況（凹面）

圖12 盆式絕緣子放電情況（凸面）

圖13 盆式絕緣子放電損傷情況（凹面）

圖14 盆式絕緣子放電損傷情況（凸面）

2.3 故障設(shè)備出廠試驗追溯和電場強度核對

廠家反饋資料顯示，該換流站550kV GIS采用單元化出產(chǎn)方式，所有零部件（含盆式絕緣子）經(jīng)檢驗合格后，進入總裝車間進行裝配，試驗合格后出廠。經(jīng)檢查盆式絕緣子的試驗記錄、G16197F5—21套管單元及G16197F5—18母線單元的試驗記錄，均合格。

按照標準和規(guī)范要求，盆式絕緣子通過了熱性能試驗、壓力試驗和密封試驗的型式試驗，隨產(chǎn)品通過了絕緣試驗等型式試驗。故障處的盆式絕緣子編號為517513Z1438，其X射線探傷、額定短時工頻耐壓試驗、局部放電試驗均合格。

G16197F5—18分支母線單元的主回路電阻測量、額定雷電沖擊耐受試驗、額定工頻短時耐受試驗、局部放電試驗均合格。G16197F5—21套管單元的主回路電阻測量、額定雷電沖擊耐受試驗、額定工頻短時耐受試驗、局部放電試驗均合格。對套管下部故障盆式絕緣子處的電場進行分析如圖15所示，該處內(nèi)部導(dǎo)體電場強度最大值為22.3kV/mm，位于觸頭屏蔽部位，符合設(shè)計要求。

2.4 設(shè)備交接試驗和現(xiàn)場運行情況追溯

現(xiàn)場交接未進行雷電沖擊耐受試驗、額定工頻短時耐受試驗，無法考核現(xiàn)場安裝后GIS設(shè)備承受過電壓的能力。

圖15 故障盆式絕緣子處電場分析

此次消缺為輸電線路消缺，不包括站內(nèi)設(shè)備，自投運以來，此次線路消缺前該GIS設(shè)備一直處于帶電運行狀態(tài)，根據(jù)投運時錄波波形顯示電壓最高幅值為-606.48kV，小于此次最大操作過電壓幅值835.334kV。

3 綜合分析

第一次充電后的故障錄波波形顯示故障線路A相最大操作過電壓為835.334kV（盆式絕緣子承受最大操作過電壓值為1 300kV），第二次充電后的故障錄波波形顯示故障線路A相電壓峰值為11.989kV，第二次充電后故障線路A相電壓峰值小于第一次充電后電壓，兩次充電故障錄波圖均顯示故障特征為A相接地故障，根據(jù)故障盆式絕緣子損傷情況（見表2），可以判定第一次充電時導(dǎo)電桿經(jīng)故障盆式絕緣子凹面對母線筒壁放電。

表2 故障盆式絕緣子損傷情況

結(jié)合錄波波形顯示故障線路A、B、C相線路感應(yīng)電壓分別為8.9kV、14.2kV、9.0kV，在盆式絕緣子第一次充電后發(fā)生放電，絕緣降低，形成放電通道，在放電通道上由感應(yīng)電壓產(chǎn)生感應(yīng)電流，自14日19:31故障發(fā)生，至15日04:00線路轉(zhuǎn)檢修，線路感應(yīng)電流沿盆式絕緣子沿面通道持續(xù)作用10h29min，在感應(yīng)電流的電和熱作用下盆式絕緣子進一步損傷，造成凹面均勻并炭化嚴重的溝狀損傷和凸面鼓包狀裂縫，同時引起盆式絕緣子膠墊等密封損傷，導(dǎo)致氣室漏氣。

通過出廠試驗、現(xiàn)場交接試驗追溯，基本可以排除盆式絕緣子質(zhì)量原因，但現(xiàn)場交接試驗無法考核設(shè)備安裝后過電壓承受水平。綜合分析，本次故障應(yīng)是現(xiàn)場安裝等環(huán)節(jié)管控不嚴導(dǎo)致母線筒內(nèi)存在異物，造成該設(shè)備絕緣水平降低，在過電壓作用下引起放電。

4 結(jié)論

本次事故中繼電保護裝置動作正確。事故的主要原因是現(xiàn)場安裝等環(huán)節(jié)管控不嚴導(dǎo)致母線筒內(nèi)存在異物造成故障線路A相分支母線盆式絕緣子在第一次充電時發(fā)生放電，盆式絕緣子絕緣降低，形成放電通道，在放電通道上由感應(yīng)電壓產(chǎn)生感應(yīng)電流，在其長時間作用下盆式絕緣子進一步損傷，并導(dǎo)致氣室漏氣。

本文編自2021年第8期《電氣技術(shù)》，論文標題為“500kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備盆式絕緣子放電故障原因分析”，作者為張星宇、張小明。