500 kV断路器内部放电故障分析

郭 洁，孟 明，甄 利，霍凤鸣 ，李晓峰，庞先海

（1.华北电力大学，河北 保定071000；2.河北省电力公司 河北 石家庄050021；3.河北省电力科学研究院 河北 石家庄050021）

1 概 述

近年来，550 kV罐式断路器在河北南网多次发生放电故障。总的来说，550 kV罐式断路器放电故障分为两类，一类放电是运行中罐式断路器内部突然放电；另一类是送电过程中当合上罐式断路器某侧隔离开关时，罐式断路器内部随即发生放电。河北南网罐式断路器故障绝大多数为后一类。本文针对后一类故障特点，分析了550 kV罐式断路器内部放电故障的原因，并提出防范措施。

2 故障现场分析

2.1 廉州站5043绝缘故障

2.1.1 故障现象

廉州站廉北II线检修预试结束，5042断路器转基建，5041正在进行张廉线的基建扩建工作，其它设备为正常运行方式。

廉北II线检修预试结束恢复送电过程中，现场运行人员在进行5043－2隔离开关合闸时，发生异常声响，主控室绿灯闪烁并同时事故告警音响，保护室检查500 kV母差保护RADSS动作，多个断路器保护动作，廉北II保护动作。

2.1.2 故障点初步判断

故障发生后，检修人员进行了现场勘查，检查发现5043－2隔离开关支持绝缘子、操作绝缘子无明显损坏，隔离开关至5043断路器的引线支持绝缘子及引线无异常、5043断路器套管及机构、引线无异常。

对保护动作情况进行分析，5043断路器保护简图如图1所示。

图1 保护装置判定电流选取位置图

由于两套线路保护动作电流取自5043断路器母线侧TA线圈，因此故障点应在母线侧TA的断路器侧，才能使线路保护能够感受到故障电流，保护装置动作跳闸。

5043断路器保护电流取自廉北II侧TA圈，由于5043断路器保护没有动作，并且母差保护装置只有5013、5023、5033、5053、5063断路器的电流值，因此判断5043断路器的线路侧TA没有感受到故障电流。

500 kV母差保护电流取自5043断路器廉北II线侧TA圈，由于5043廉北II线侧TA圈未感受到故障电流，因此判断故障点应该在5043断路器内部母线侧部分。

2.1.3 解体检查

现场打开5043断路器侧面盖板后，发现5043断路器A相静触头屏蔽罩对断路器罐体有明显的放电痕迹，罐体底部有放电产生的白色分解物及少量金属颗粒，如图2所示。

图2 罐体内部放电痕迹

将断路器灭弧室吊出罐体后，对罐体和灭弧室进行了详细检查，检查中发现断路器内部存在未参与放电的金属异物和其它不明颗粒，见图3所示，其中最大金属异物长约3.5 mm左右，如图4所示。

图3 灭弧室内部未参与放电的异物

图4 灭弧室内部异物大小参考

2.2 沧西5023故障分析

2.2.1 故障现象

500 kV沧西变电主变检修预试工作结束，进行恢复送电操作。在合上5023－2刀闸时（此时5023开关尚在断位），＃3主变和500 kV＃2母线的差动保护动作，跳开＃1主变5012开关、集沧线5043开关和沧骅I线5052开关。

故障录波图见图5。

图5 故障录波图

2.2.2 现场情况检查

故障发生后，现场检修人员立即进行了现场勘查：检查5023－2刀闸支持绝缘子、操作绝缘子无异物及放电痕迹，刀闸至5023开关的引线支持绝缘子及引线无异常；检查5023开关套管及机构、引线无异常。绝缘电阻、直流电阻测量和SF6气体微水试验，试验结果均正常。

根据以上检查结果，结合继电保护动作信息，初步判断故障原因为开关内部发生了闪络。打开开关侧面盖板后，发现该开关母线侧静触头屏蔽罩对断路器罐体有明显的放电痕迹，开关内部未见异物，罐底部有放电产生的白色粉末及少许金属颗粒；金属颗粒判断应为屏蔽环放电烧损产生（见图6）。

图6 5023开关内部放电点

3 原因分析

分析上述两次故障可发现，放电故障均为灭弧室屏蔽罩对罐体放电，同时故障均发生在送电过程中。经统计，河北省公司系统先后发生过8次500 kV罐式断路器内部放电故障［1］，且全部为该型断路器，说明该型断路器本身存在一定缺陷，经过与厂家研究协商，该型断路器开始增设粒子捕捉器。

由于SF6断路器内部绝缘采用不均匀电场结构，当有金属微粒存在时，会改变原来产品内部的电场结构 。对LW13－500型断路器内部存在金属微粒情况下的场强进行模拟计算（模拟颗粒5×1 mm）表明，1 675 kV试验电压下，无金属微粒处最大电场强度为25.5 kV/mm，金 属 微 粒 表 面 的 电 场 强 度 为29 kV/mm，说明断路器内部存在金属微粒时将会大大降低内部绝缘强度，易发生放电故障［3］。

因为断路器内部带电部位中，屏蔽罩对罐体距离最小，因此是放电故障集中发生的部位。这主要是由于静侧屏蔽罩直径最大，边缘距离罐体最近，仅为150 mm，动侧屏蔽罩边缘对罐体距离为160 mm，合闸电阻屏蔽罩（如有）边缘对罐体距离约为175 mm。

由于杂质对组合电器（包括罐式断路器）内部电场影响极大［4］，断路器操作时会引发振动，以及断路器操作时产生的气流吹动金属微粒，使金属微粒发生位移。当金属微粒位移至导电部分附近时，其端部在电场作用下可能浮起，从而进一步造成开关内部绝缘降低，诱发绝缘性故障。至于合刀闸也能引发故障，则主要是由于断路器在送电前检修试验或保护传动操作时的振动以及操作的气流已使金属微粒移位至屏蔽罩与罐体之间，同时合刀闸时会产生操作过电压，从而引发放电故障。

4 改进措施

4.1 对该型断路器结构缺陷进行改进

初步对该型断路器罐体进行了改进，在罐体底部静侧屏蔽罩下方增加了粒子捕捉器。再次对断路器进行改进，加大了罐体直径，由原来的900 mm增加至1 000 mm，同时对灭弧室进行了改造，将静侧屏蔽罩由两片对接改为一体式，静触头改为整体式，并将改进后的产品命名为LW13A－550型。

经过改进，断路器罐体内的金属微粒等异物在运动至静侧屏蔽罩附近时就会落入粒子捕捉器中，由于粒子捕捉装置的屏蔽作用，使金属粒子因失去电场的作用静止在捕捉装置中；另外增大了断路器罐体直径后，1 675 kV试验电压下罐体内部最大电场强度由25.5 kV/mm降低至22 kV/mm，从而大大提高了绝缘裕度，降低了放电几率。同时改进灭弧室后电场分布更加均匀，静触头改为整体式后改进了触头对中效果，有效降低了由于触头分合闸时碰撞产生金属微粒的机会［5］。

4.2 加强厂内组装时的工艺控制

一般来说厂内组装的环境控制较严，如灭弧室的组装在特殊车间进行，这对杂质控制极为有利，并且出厂耐压试验也应能证明在出厂前后一小段时间内，断路器内部表面是清洁的。但仍不能保证运行一段时间后杂质是否还会继续脱落，因为现场安装完毕后，还要进行几十次甚至上百次［4］的传动调试操作，它对带电后杂质是否继续脱落应该是有影响的。所以厂内工艺控制应注意还有哪些元器件可能存在隐蔽的短时内不易尽快脱落的杂质，如粘在复杂结构件缝隙间的（梅花触头触指间遗留物、空心件毛刺、尚未完全断裂的螺纹、用指甲油作标记的指甲油凝固物、绝缘件表面的漆皮等）不易清除的杂质，这些应作为重点进行工艺控制专项研究，并采取必要的和有效的工艺控制措施。

4.3 安装现场的清洁度控制

应该认识到，现场安装的清洁度控制十分必要，否则将降低甚至失去工厂内组装时的清洁度控制的意义。

现场除了湿度和大风天气粉尘控制，还应注意防止蚊蝇等小动物进入罐体，尤其夏季经常有成群的苍蝇围在罐体开口处，由于罐内结构复杂，一旦这些小动物飞入罐体内是很难清理的，所以应研究现场安装时的清洁度保持措施和工艺制度，如搭建帐篷或建立安装小室，并建立进出入的管理制度和其它管理措施。

5 结束语

目前绝大部分特高压断路器为罐式断路器，从设计方面分析，罐式断路器运行可靠性高，抗地震能力强，应该是较受用户欢迎和信任的电器产品，所以应从细节上进一步完善和加强罐式断路器厂内组装、现场安装等方面的工艺措施，保证罐式断路器的优异性能。

［1］ 500kV罐式断路器治理方案［R］.2007.

［2］ 黎 斌.SF6高压电器设计（第三版）［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］ 西开产500 kV罐式断路器治理方案［R］.2007.

［4］ 王童琳，高自伟.500kV罐式断路器交流耐压试验［J］.东北电力技术，2009，（6）：25－26，52.

［5］ 500 kV罐式断路器改造可行性报告［R］.2008