大型发变组GIL设备单相故障技术原因分析及处理

张龙

摘 要：国内某大型电厂管道母线（GIL）在正常运行期间突然发生导体对外壳放电故障，导致机组停运，通过对故障前的监测数据分析，和故障后的气体分解产物分析了故障的原因，就管道母线从出厂到安装、在运中不完善的问题提出了改进建议，通过更换该段管母线及时处理了故障。

关键词：大型发变组；GIL；单相故障

中图分类号：TV738 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）22-0113-01

气体绝缘金属封闭输电线路，简称GIL（Gas Insulated Metal Enclosed Transmission Line）。自从1972年GIL投入商业运行以来，已经在世界范围内得到广泛的应用。这种超高压输电方式布置紧凑、输送容量大、可靠性高，为长距离输电系统提供了理想的选择。与常规电缆系统和架空输电线路相比，GIL输电容量大，布置紧凑而灵活，有效的电磁屏蔽，运行可靠而安全，使其在某些特定的使用环境和条件下，具有技术优越性。GIL适用于电压等级为110kV及以上，载流量可达5500kA的输电系统。主要由长外壳、导体、绝缘子、弯头、膨胀节、气体密度继电器、吸附剂、防爆膜、出线套管、电流互感器等部分组成。

国内首个大型发变组GIL设备是由美国AZZ公司于1992年凭借南网公司天升桥变电站项目打入国内市场，目前该公司设备在岭澳一、二期、红沿河一期、台山项目及三门核电项目均投产运行中。但随着发变组GIL设备国产化制造程度的不断提高，由于制造工艺和运输、安装工艺等原因发生导体对外壳放电故障的频次在近年来正呈现上升趋势。

1 故障描述

2014年12年5日19：06：28，国内某大型电厂500kV开关站4号机进线充电保护动作，5041断路器跳闸，4号主变失电，4号机A相高压侧故障电流约为26kA（有效值），经对GIS、GIL、主变等设备检查发现：GIL输电管道A相402气室SF6气体分解物SO2为33.5μL/L，其它分解物未检出，402气室SF6气体含水量为593μL/L（环境温度为-3度），初步判断故障点应在GIL输电管道A相402气室。

现场从12月11日开始对GIL输电管道A相402气室进行开盖检查，12月15日发现在靠近A相主变第4根GIL管道内的第1个支撑绝缘子处，发生了严重的击穿放电现象。支撑绝缘子的上部支撑已烧损并破裂，周围有若干散落的大小不一的绝缘子碎块，在损毁的支撑绝缘子两端的导体和壳体内壁附着放电产生的大量白色粉末。

12月22日在各相关方见证下，对GIL故障段解体檢查发现：故障绝缘子的上部支撑完全断裂，与导电杆连接的断裂面为白色，没有电弧灼伤痕迹；在上部支撑与微粒捕捉器的连接处有黑的灼伤痕迹，连接处弹簧烧断，绝缘子低电位侧碎块均被放电产生的热量及电弧熏黑，该绝缘子靠变压器侧0.5米处的导电杆有电弧灼伤痕迹。另外，在绝缘子上部支撑附近的外壳上发现有凹坑；经测量，凹坑深度最深处约为2mm。

2 故障分析

通过故障波形分析、设备外观检查和SF6气体成分测量等一系列技术手段，确认为GIL母线A相402气室发生接地故障。

2014年12月15日，经解体最终确定故障点位置，并根据故障情况制定返厂修复方案，设备抵达工厂后随即召开故障原因分析。经过现场拆解取证并结合AZZ以往业绩情况，得出原因分析如下：支撑绝缘子在低电位侧存在裂纹缺陷，送电后在高电场的作用下裂纹扩大，局部放电加剧，绝缘性能下降，最终支撑绝缘子发生击穿电弧放电。

将故障绝缘子及绝缘子碎块运至美国AZZ进行拼接复原，分析故障原因并于2015年1月9日得出厂家原因分析报告如下：经过对故障绝缘子的复原（见下图3）AZZ分析故障起始点应是靠近外壳的绝缘子处有微小的裂纹，经过不断的放电累积，导致绝缘子被击穿。绝缘子裂纹产生阶段可能为运输、存储、吊装、现场对接前的某一阶段。

经过对以往项目的情况分析，分析认为在设备安装前绝缘子存在裂纹的可能性比较大，鉴于现场及设备条件所限，难以发现该处隐藏缺陷。

由于支撑绝缘子存在缺陷，因裂纹微小，现场工频耐压得以通过。送电后在高电场的作用下，裂纹逐渐扩大，造成局部电场畸变，局部放电加剧，绝缘性能下降。当这种现象扩大到一定程度时，造成导体对地放电。在短路电弧的烧灼下支撑绝缘子放电炸碎。

通过以上分析及解体检查，分析判定本次故障的原因是支撑绝缘子在低电位侧存在裂纹缺陷，使支撑绝缘子发生击穿电弧放电。经核查该故障段母线出厂局放值是0.13pC，可排除出厂前绝缘子有内部裂纹缺陷可能性，该缺陷可能是在设备出厂后到现场对接前产生。

3 建议措施

（1）AZZ对支撑绝缘子的机械冲击耐受强度进行校核和改进。（2）在后续安装阶段，由厂家提供对内部绝缘子的检查方法和相关设备。（3）在后续设备运输中，每个运输单元增加冲击记录仪。（4）生产厂家在后续出厂的GIL产品上对绝缘子装配的位置进行标记。（5）对在运GIL设备SF6进行成分分析，以确定设备内部是否存在局部放电。

4 改进处理

故障母线在AZZ扬州工厂完成修复，并再次通过出厂试验，发运现场。根据给出的改进措施，做出以下改进：

（1）母线出厂后全部加装冲击记录仪，以便发现运输过程中可能出现的各种机械冲击，从而避免母线经受机械伤害而不被察觉。故障母线到场至回装完成，冲击记录仪记录结果全部正常。（2）母线出厂后对绝缘子装配位置使用色带标记，到场后对母线外壳进行外观检查，并对色带标注区域进行重点检查。（3）对非故障母线各气室进行气体成分测试，试验结果无异常。排除了4号机GIL母线可能存在的质量隐患。

确认母线完好后，在供货商技术人员的监督指导下完成对接安装，回装完成后进行了国标和厂家要求的各项交接试验，试验结果合格。AZZ厂家根据运输、安装、试验情况对4号机GIL母线设备质量做出承诺。

安装后的GIL母线设备交接试验主要依据《GB 50150-2006电气装置安装工程电气设备交接试验标准》和《DL/T 304-2001气体绝缘金属封闭输电线路现场交接试验导则》来进行。其中，标准一第14章六氟化硫封闭组合电器未要求进行局放试验；标准二也未对局放试验进行强制要求，只建议如现场具备条件可进行超声波探测等间接方法进行局放试验，但没有给出量化的判别标准。

美国AZZ针对其设备特点，给出了超声波探测的局放试验方法，但注明没有判别标准。经咨询西高所、武高所等行业专家和具备此试验能力的地方电科院，得出结论：超声波探测局放试验受外界环境干扰较为严重，并且国际、国内均无量化的判别标准，需凭经验做出判断，多用于故障查找中使用，无法作为交接试验判别方法。

5 结语

由上述分析可见，目前GIL管道母线在电站中的运行存在着因为在前期设备出厂后运输、存储、吊装、现场对接前的某一阶段导致绝缘子生成微小裂纹，经过长时间发生的局部放电作用，造成设备绝缘损害，最终导致接地故障的发生。目前GIL管道母线支撑绝缘子的机械冲击耐受强度的工艺改进和监测手段尚不成熟，安装阶段由厂家提供对内部绝缘子的检查方法还处于实践探索阶段，超声波探测局放试验免受外界环境扰动的抗干扰能力和判别标准还处于理论研究阶段。GIL管道母线的光纤测温和红外测温技术应逐步提高测量的精度，向分布式测温方向发展。GIL管道母线的在线监测模型还需进一步开展模拟各类复杂工程和在运阶段的工况进行研究。

参考文献

[1]《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》（GB 50150-2006）[S].

[2]《气体绝缘金属封闭输电线路现场交接试验导则》（DL/T 304-2001）[S].