GIS变电站断路器保护动作原因分析及处理措施

李晓宁,马 舟

(河北省电力公司超高压分公司，石家庄 050070)

1 概述

气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，简称“GIS”)，又称为气体绝缘金属封闭开关设备，是一种将变电站内高压电气设备(变压器等除外)集成于接地的金属壳体内，以高压SF6气体为主绝缘和灭弧介质的配电装置[1]。与传统变电站相比，GIS变电站具有占地面积小，环境因素影响小，安全可靠性高，安装周期短等特点。

GIS 变电站是电力系统的重要枢纽，GIS电气设备已成为我国乃至全球变电设备发展的主流，一旦GIS发生故障，有可能导致大面积停电[2]。由于GIS内部主要设备大多没有故障自恢复能力，因此其故障抢修远比敞开式变电站困难的多，如果不能尽快修复，造成的不良影响与经济损失将极为严重。随着大量GIS变电站的投入，保障电力系统正常运行已成为时下急需解决的重大问题。在我国电力系统中，500 kV电压系统承载着越来越重要的电力负荷，进而500 kV变电站GIS系统的安全可靠性也越来越成为大家关注的焦点。

2 GIS变电站断路器保护动作分析

某500 kV变电站GIS设备主要包括汇控柜、液压结构、断路器、电流互感器、接地开关、隔离开关、快速接地开关、电压互感器、避雷器、分箱母线、共箱母线、底架和出线套管装置。

2.1 故障情况介绍

发电机进行模拟并网试验时，保护动作分压设备运行，母线Ⅰ、Ⅱ均处于带电状态，差动保护、母差保护等保护动作，故障录波器显示数据为：一次短路电流23.2 kA，持续时间46 ms，在保护动作前约60 s，断路器进行了分闸操作。

2.2 故障点确定

由于GIS变电站内分割的气室较多，电气设备结构紧凑、设备隐蔽，相互之间容易发生干扰，其电磁兼容性差，易发生局部放电事故，因此，GIS变电站设备的绝缘要求比传统变电站设备更加严格。如果GIS变电站设备发生故障会导致长时间大范围停电，其故障点也不像敞开式变电站那样直观，查找较困难。

根据保护动作情况的分析，故障点可能在靠近母线Ⅱ的第一相断路器气室与靠近母线Ⅱ的TA气室内部，先将靠近母线Ⅱ侧的断路器两侧TA气室压力调小，对断路器进行泄压操作，将SF6绝缘气体回收装置连接，真空处理气管装置，连接橡皮管和母线Ⅱ侧断路器气室。使用充气接头打开靠近母线Ⅱ的TA气室的充气阀，检测泄露气体无味，使用同样方法将靠近母线Ⅱ的断路器气室充气阀打开，检测泄漏气体，发现有臭鸡蛋气味，因此可以认定泄漏点为靠近母线Ⅱ侧的断路器气室。

2.3 原因分析

GIS设备内部金属微粒、水分及粉末等导电性杂质是引起GIS设备故障的重要原因，将靠近母线侧的断路器两侧TA气室压力调小，然后将断路器气室内的SF6绝缘气体回收，对断路器进行泄压操作，再进行故障检测试验，如果断路器气室发生故障，则断路器气室内部气体一定要经过连接的橡皮管和过滤器后进行回收，采用此方法可以避免金属气管被污染。检查断路器内部，发现断路器内部距端盖160 cm处有大量白色粉末，静触头屏蔽罩底部未被灼穿，其盆式绝缘子完好，未发现损坏现象，确定之前发现的白色粉末是断路器内电弧放电而产生的。因此判断断路器气室内部不存在击穿、泄露等硬件故障问题，因此考虑产生该种故障的另一种可能性，即断路器底部存在故障。

2.4 处理措施

GIS变电站所有设备只能在现场进行测试，现场各种测试试验(如耐压试验、局部放电试验等)更有难度。敞开式变电站中，各种电气设备独立安装(如互感器、避雷器、隔离开关等)，可单独进行试验，相对简单。而GIS设备的现场试验难度较大，如耐压试验，敞开式变电站中除SF6定开距断路器需要进行现场耐压试验[3]，其它高电压等级断路器设备不需要进行耐压试验，而GIS设备由于电气设备集成度高、对地绝缘间距小、故障处理难度大等，交接前必须进行现场耐压试验，耐压试验后才能安装电压互感器和避雷器，所以GIS设备的现场试验难度较大。

由于GIS自身的全封闭性致使所有试验测试只能在现场进行。因此，应先将发生故障的断路器进行替换，将故障设备运回生产厂，进行精细的检查与处理[4]。

更换断路器时，应对断路器气室泄压，使相邻气室压力差符合限值(首次充气时要低于330 kPa；插入拆除母线，灭弧单元或连接件时要低于200 kPa；打开气室时要低于450 kPa)，拆下断路器操作机构，将托架放置于断路器的底部，在托架与地面之间放置滚条。吊住故障断路器，拆除断路器支架，此时要避免断路器发生移动。放松母线Ⅱ侧的故障断路器气室与TA气室间的绝缘螺丝，慢慢降下故障断路器，直至工具可以伸入到其内部为止。使用固定工具将母线Ⅱ侧的TA气室内部母管固定，使其稳固，采用接插件方式连接，故障断路器下降过程中会带动TA气室母管一同下降，因此要固定母管，避免TA气室母管随断路器下降。降下故障断路器至托架上，同时密封TA气室，防止异物进入。将故障断路器替换，装上备用断路器。处理后的GIS变电设备恢复正常工作状态，可以投入到正常的生产中。

3 结论及建议

GIS发生故障的可能性有很多方面，如绝缘气体泄露，绝缘子老化，外部水分渗入，装置内部存在杂质等。该次故障是由于断路器气室底部的异物造成的放电故障，极易被忽略。因此，在安装和运行过程中可采取以下措施。

a.加强GIS变电设备安装的洁净度，严格控制设备制作工作环境的清洁度，防止微粒及粉尘等异物进入设备内部。

b.为保证GIS变电设备的正常可靠工作，应定期检查变电设备是否有泄漏，即便轻微泄漏也应引起重视，及时处理。定期检查疏水、空气管道、厚度等，若发现问题及时更换设备部件，以避免更严重的故障发生。

c.考虑到变电站GIS变电系统自身构造特点，在故障发生现场，为确保变电站供电系统正常运行，避免造成因供电不及时而带来重大的损失，若不能及时找到故障原因并采取有效方案解决时，应及时更换备用的变电设备，将故障机运回原厂进行详细检测与修复。

d.由于GIS变电设备内部采用的SF6绝缘气体，该气体的密度约为空气密度的5倍，发生泄露时，会沉积到底部，如果与被放电分解的SF6气体产生的有毒物质一同泄漏,浓度过大时，可能会造成工作人员窒息甚至死亡。因此GIS变电设备场所应配备SF6浓度的检测装置和供氧仪器。在建设GIS变电设备时，建议将其通风设备的控制开关设于GIS设备室的外部。

[1] 史兴华．电网GIS[M].北京:中国电力出版社，2010.

[2] 余克生．变电站GIS设备系统调试及管理方案[J]．沿海企业与科技，2009(9)：136-138.

[3] 张 炜，杨 明，李 峰，等．500 kV地下变电站GIS设备交流耐压试验研究[J]．华东电力，2009，37(11)：1912-1914.

[4] 邱世卉．变电站GIS机构故障的事故分析及处理[J]．成都电子机械高等专科学校学报，2009，12(4)：30-32.