一起1 100 kV GIS盆式绝缘子击穿故障分析

刘 石， 蒋 鹏， 彭晨光， 邵先军

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310000；2.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 311200）

一起1 100 kV GIS盆式绝缘子击穿故障分析

刘 石1， 蒋 鹏1， 彭晨光2， 邵先军1

（1.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310000；2.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 311200）

介绍某特高压变电站一起1 100 kV GIS设备的盆式绝缘子内部击穿故障的发生过程，结合故障录波、SF6气体、局部放电在线监测结果确定了故障气室的位置，解体分析该气室盆式绝缘子内部击穿故障，讨论分析该故障可能的原因和发展过程，指出盆式绝缘子内部贯穿性放电是由产品在制造过程中内部存在空穴或异物缺陷导致的。

特高压；GIS；盆式绝缘子；内部击穿

0 引言

GIS（气体绝缘组合电器）设备因占地面积少、安装方便、检修周期长等优点在特高压输电工程中得到了广泛应用。盆式绝缘子是GIS的关键部件，起到隔离气室、支撑导体的重要作用[1，2]。随着特高压工程的全面铺开，作为GIS关键部件的1 100 kV盆式绝缘子的运行数量越来越多，实际运行情况表明，尽管现阶段设备厂商生产盆式绝缘子的工艺、技术水平已经有了巨大的进步，但是只要生产、安装过程中存在微小缺陷，就会造成严重事故，影响电网的安全稳定运行。而且由于特高压输电输送容量大、影响面广的特殊性，单次事故就会造成重大的经济和社会影响。

1 故障事件概况

2015年6月14日21∶27∶58，某特高压变电站1 000 kVⅠ母第一、二套母差保护动作，故障电流21.6 kA，持续时间约40 ms，故障相别为C相，2套母差保护均正确动作。

故障发生前，该变电站运行方式如图1所示，T041开关、T042开关冷备用，XYⅠ线检修，其余设备均按正常运行方式运行。

图1 某变电站故障前一次主接线

1.1 故障录波信息

现场检查1 000 kVⅠ母第一、第二套母差保护动作跳闸，故障相别C相。故障电流21.6 kA，持续时间约40 ms。2套母差保护均正确动作。T051，T022，T011开关三相跳闸， 而 T012，T023，T043，T052，T053开关均未动作，可判断故障不是发生在出线以外和Ⅱ母，而应发生在Ⅰ母侧。

1.2 SF6在线监测检查情况

通过后台SF6在线监测曲线图发现预留T021开关间隔C相6号、8号气室压力不断下降。其中8号气室正常气体压力为0.41 MPa，于21∶13开始增大，21∶28左右达到最大值0.42 MPa，而后开始下降；6号气室正常压力为0.42 MPa，约于21∶28左右开始持续下降。初步判断故障发生在预留T021开关间隔C相，需重点关注。

1.3 局部放电在线监测检查情况

根据投产以来后台局部放电在线监测情况，预留T021开关间隔C相的局部放电传感器为G11 C相，于2015年4月15日有过1次告警（98次事件），共有34天出现过局部放电事件，次数为1～98次不等，除了1次形成告警，其余均未达到告警条件，类型主要为浮动电极放电。

6月8—14日，G11 C相气室共有4天出现过局部放电事件：6月8日11次、6月 9日13次、6月10日7次、6月14日13次，均未达到告警条件。6月14日21∶15，G11传感器出现事件信息，经确认是故障后开关、闸刀操作所引发。在线监测设备未能提前检测到局部放电信号。

2 故障气室解体检查

2.1 现场检查情况

故障发生后，现场一次设备检查发现T011，T022，T051开关三相分位，开关油压正常；对重点关注的预留T021开关间隔C相进行检查，发现T0211隔离开关与T0221隔离开关之间的C相6号与8号气室间隔盆浇注口外观异常，并有漏气现象。对C相相关气室做SF6分解物检测，发现6号和8号气室结果异常，如表1所示，其余气室均无异常分解物，由此判断故障发生在6号与8号气室。

考虑到现场环境较差，决定整体更换故障气室，密封后返厂解体检查。

2.2 返厂解体情况

2015年6月24日，对预留T021间隔6号、8号气室放电筒体进行解体，放电盆式绝缘子的凹面如图2所示，该屏蔽罩下部有一明显凹痕，在盆体裂口的左侧和屏蔽罩的根部均存在大量黄色絮状物。盆体裂口处存在大量炸裂的碎片，靠近中心嵌件和盆体中部位置的裂口较大，裂口向下逐渐减小，最终变成2条裂缝。

表1 SF6气体分解产物检测数据μL·L-1

图2 盆式绝缘子凹面

盆式绝缘子的凸面如图3、图4所示，放电通道贯穿点位于嵌件的中部，该位置的导电橡胶已被烧蚀，在嵌件本体裸露出1个不规则的凹坑。盆体的右侧裂口存在大量黄色絮状物，这一位置恰好与凹面的絮状物位于同一侧。盆体裂口左侧的电弧烧蚀痕迹尤为明显，可以看出明显的电弧发展通道，左侧2条放射状的黑色痕迹汇集并指向嵌件中心凹坑位置，而右侧基本看不到明显的电弧烧蚀痕迹。

从图4来看，盆体的裂口从上到下基本上为由大到小，并在靠近边缘处逐渐减弱为裂缝。解体后清理的脱落物在盆体内部的断裂面颜色最深，有明显的碳化痕迹，而脱落物靠盆体表面一侧虽然有很多黑灰，但是用水清洗之后就恢复白色，表明放电主通道在盆体内部。盆体凸面裂口明显比凹面大，裂口碳化烧蚀情况更严重，脱落物也更多，且凸面侧的脱落物散落距离更远，最远达到了5 m。这表明凸面在放电时所承受的能量强度和时间都远高于凹面，结合嵌件上的贯通点位置可以判断出主放电通道在盆体内部，且位于凸面的裂口。

2.3 解体现象分析

2.3.1 屏蔽罩表面凹痕

如图2所示，屏蔽罩表面靠近绝缘子部分存在凹痕，这是由于绝缘子局部放电产生的电弧加热周围气体，加热后的气流向上扩散，带动电弧向上飘，电弧的巨大热量使屏蔽罩表面温度剧烈升高、金属材质在高温下软化。最终当盆体在剧烈的放电下炸裂时，碎片猛烈撞击软化后的屏蔽罩，在屏蔽罩上产生明显的凹痕。电弧同时在屏蔽罩上留下黑色烧蚀痕迹。

2.3.2 屏蔽罩及盆子裂纹处的絮状物

盆体裂口处和屏蔽罩上均有大量的黄色絮状物，这是环氧在电弧高温作用下汽化分解而来的，出现这一现象需要相对较长的时间，这表明在贯穿性放电前有较长时间的放电过程。从凸面看，盆体裂口为向右下方延伸的斜线，絮状物都集中在盆体裂口的右侧，这一侧恰好位置相对靠上；从凹面看，絮状物也分布在盆体裂口的左侧，且越往上分布越密集，凹面的屏蔽罩也有大量的絮状物，这一侧位置也相对靠上。这是因为在电弧加热产生的向上气流作用下，环氧汽化后飘向位置靠上的断口，当温度降低后附着在断口上形成黄色絮状物，同样的，另一部分环氧汽化后向上飘到屏蔽罩底部，冷却后形成絮状物。中心嵌件处絮状物分布最密集也是同一原因，此位置电弧持续时间最长、能量密度最高，所以分布最密集。

2.3.3 事故气室SF6压力变化情况

分析SF6在线监测曲线可知：8号气室21∶13开始增大，21∶28左右达到最大值0.42 MPa，而后开始下降；6号气室正常压力为0.42 MPa，于21∶28左右开始持续下降。8号气室位于事故盆体的凹面侧，SF6压力表靠近事故盆体，6号气室的SF6压力表则相对离盆体较远，21∶13 8号气室压力开始增大，这说明在这一时刻盆体已经出现裂纹和局部放电，局部放电加热SF6气体使其膨胀，由于8号气室压力表离盆体近，很快就检测到压力的变化。

在接近21∶28时，8号气室快速上升，并在6号气室压力刚开始下降时略微超过其压力，这是因为随着裂纹的增大，6号气室气体加速进入8号气室，而与此同时局部放电也在不断加剧，释放出的热量急剧增加，SF6气体受热膨胀使得盆体附近的气压快速增大，甚至在击穿时刻从表计上看8号气室压力略高于6号气室，实际上这只不过是因为2个气室压力表安装位置不同而导致的差异。

21∶28左右，盆体击穿，裂纹贯通，气体开始通过裂纹向筒体外部泄漏，8号气室、6号气室均开始下降。

图3 盆式绝缘子嵌件放电贯穿点

图4 盆式绝缘子凸面主放电通道

3 故障原因分析

该盆式绝缘子结构如图5所示，在中心嵌件和环氧树脂之间有一层导电橡胶，该导电橡胶以硅橡胶为基料，均匀掺入玻璃镀银、铝镀银、银等导电颗粒，既具有导电能力又具有粘接效果，起到应力的过渡作用[3，4]。但是在环氧和中心嵌件之间加入导电橡胶层，增加了生产工序，加大了工艺难度，一旦生产过程中出现问题，极易在这一结合面上引入气泡或杂质。而这一结合面的边缘恰好是金属、SF6气体以及绝缘材料的结合处，是整个盆式绝缘子上场强最集中区域[5]，气泡或杂质又会导致内部高压场强畸变，使缺陷在很低的电压下产生局部放电。

图5 盆式绝缘子结构

局部放电产生的带电质点撞击缺陷附近的绝缘材料，如果带电质点的动能足够高，则有可能破坏绝缘材料的化学键，破坏支柱绝缘子的化学分子结构，使缺陷附近介质表面不断被腐蚀，使局部放电得以扩大和延伸[6，7]；同时局部放电产生的空间电荷加强了局部电场，维持放电的不断发展。此外，局部放电释放的热量会加热缺陷附近介质温度，温度升高会促进绝缘材料的裂解、老化，增大介质损耗和加速局部放电通道的发展。随着局部放电通道的发展，放电通道周围的绝缘材料快速劣化和老化，再一次加速局部放电通道的发展。直至放电通道发展至对侧电极附近，剩余绝缘不足以承受工作电压，局部放电通道将迅速发展成为明显的击穿通道，绝缘材料发生内部贯穿性击穿。在GIS运行条件下，因其导通电流较大，当盆式绝缘子内部发生贯穿性放电时，在巨大电流的作用下迅速转变为电弧放电，在电弧作用下盆式绝缘子内部被烧蚀碳化，盆体在高温下炸裂。

4 结论与建议

对一起1 100 kV GIS盆式绝缘子内部击穿故障进行了详细分析。通过故障录波信息、SF6气体压力在线监测曲线、SF6分解物检测确定了故障的准确位置。通过对返厂解体情况的详细分析，认为本次故障可能是由盆式绝缘子中心嵌件与环氧树脂之间存在内部绝缘缺陷所导致的。

盆式绝缘子是GIS设备的关键部分，建议厂家在以后的生产过程中要加强品控，尤其要提高中心嵌件、导电橡胶和环氧树脂之间接触面的工艺；要重视GIS设备的出厂试验，尤其是局部放电时间；建议研究局部放电和典型缺陷之间的关系，加强设备运行中的带电检测工作，争取及早发现并解决设备隐患。

[1]刘振亚.特高压交直流电网[M].北京：中国电力出版社，2014.

[2]刘振亚.特高压交流输电技术研究成果专辑（2008年）[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3]陈允，于洋，崔博源，等.1 100 kV盆式绝缘子界面处理工艺及质量管控措施[J].绝缘材料，2015，48（5）∶44-49.

[4]张宏建，李金玉，李仰平，等.环氧树脂浇注件中内部应力产生的形状因素和防止措施[J].绝缘材料通讯，1999（5）∶26-28.

[5]许建春，卢鹏.1 100 kV GIS盆式绝缘子的性能[J].电力建设，2010，31（8）∶91-93.

[6]李盛涛，郑晓泉.聚合物电树枝化[M].北京：机械工业出版社，2006.

[7]郑飞虎，张冶文，肖春.聚合物电介质的击穿与空间电荷的关系[J].材料科学与工程学报，2006，24（2）∶316-320.

（本文编辑：徐 晗）

Analysis on Breakdown Failure in Basin-type Insulator of 1 100 kV GIS

LIU Shi1，JIANG Peng1，PENG Chenguang2，SHAO Xianjun1
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.State Grid Zhejiang Maintenance Company Branch，Hangzhou 311200，China）

In this paper，an inner breakdown failure of basin-type insulator in GIS of an UHV substation is introduced briefly.By combing the fault recording，SF6and online partial discharge monitoring，the faulty gas chamber is located accurately.By disassembly the inner breakdown fault of basin-type insulator in the gas chamber is analyzed，and the possible causes and degradation of this inner breakdown failure are analyzed.It is pointed out that the inner breakdown discharge is caused by cavities or foreign matters in the process of manufacture.

ultra-high voltage；GIS；basin-type insulator；inner breakdown

TM835.4

B

1007-1881（2016）10-0036-04

2016-03-28

刘 石（1987），男，工程师，从事电气试验工作。