GIS设备吸附装置引起的故障分析及改进措施

刘 敏，杨 东

（国家能源集团大渡河大岗山水电开发有限公司，四川省石棉县 625409）

0 引言

水电站GIS设备采用550SR型产品，共10台断路器，有4回进线和3回出线（含1回备用线），接线方式为2串3/2接线和1串4/3接线（如图1所示），2015年8月底投入运行。

图1 电站主接线图Figure 1 Main wiring diagram of power station

GIS设备设计为同轴圆柱结构，外壳与导体间构成稍不均匀电场，在壳体与导体之间充入SF6气体，利用SF6气体在电场中很高的绝缘强度组成成套绝缘设备。全站GIS设备共配置有362个吸附剂装置，安装于GIS设备径向方向、GIS底部位置、GIS上部位置。SF6气体吸附剂端盖板均为网状结构、径向边沿有4个卡扣，端盖板采用卡扣与吸附剂装置固定，吸附剂端盖板的卡槽深度约1mm。

1 故障经过

2018年4月8日，500kV开关站合环运行，1、2号机组并网运行，3、4号机组停机备用。大雅二线正常运行，大雅一线因配合电抗器检修已停运，已拉开5012、5013断路器和50122、50121、50131隔离开关。在拉开5013断路器靠Ⅱ段母线侧隔离开关50132时，500kV Ⅱ段母线配置的两套母线差动保护动作跳闸，造成靠Ⅱ段母线的段路器全部跳闸造成母线失电。

2 现场检查情况

Ⅱ母差动保护动作后，立即在现场查找故障原因，依次打开GIS设备本体观察孔发现异常位置（异常部位如图2所示），在拆开隔离开关50132三相气室观察孔盖板检查时，发现隔离开关50132 A相观察孔玻璃表面有放电产生的白色粉尘[2]覆盖（如图3所示），B相、C相观察孔玻璃表面及内部未见异常（如图4所示），判断此次故障就在此部位。

从隔离开关50132 A相气室观察孔进一步检查发现该气室内吸附剂端盖板已脱落，部分吸附剂已露出吸附剂罩外，且动静触头及导体部位可见放电[3]、黑化痕迹，但掉落的吸附剂端盖板未见损坏、放电等异常（如图5、图6所示），确定故障点即隔离开关50132 A相本体内部对外壳放电。

图2 50132隔离开关故障部位Figure 2 50132 fault location of disconnector

图3 50132隔离开关A相观察孔Figure 3 A phase observation hole of disconnector

图4 正常气室观察孔Figure 4 Chamber observation hole

3 故障原因分析

发生GIS设备内部放电的原因大致有以下几点：

（1）GIS设备安装时基座与导体的连接处不够牢固，造成导体的接触电阻增加，再经过长时间通电会产生过热，甚至引起铝导体熔化后与其他部位导通造成设备事故放电。经检查发现基座安装连接牢固，没有松动的现象，故排除了这种可能。

图5 隔离开关50132 A相导体放电痕迹Figure 5 Arc burn marks of A phase conductor

图6 50132 A相吸附剂端盖板Figure 6 A phase adsorbent cover plate

（2）即使GIS设备罐内只是存在很小一块的金属碎屑都会使内部电场发生畸变，进而引起放电。经检查罐体内部无金属异物存在且各零部件的结构完好，没有零部件脱落，排除了这一可能性。

（3）在生产制作过程中如果盆式绝缘子浇注时内部产生气泡或者混进了其他杂质，运行过程中可能会造成爬电现象。经检查盆式绝缘子表面未出现爬电的现象，排除这种可能。

（4）如果触头与触指座插入的深度较浅或者出现虚接情况，在设备运行过程中可能会拉出电弧造成设备放电。经检查触头插入深度符合相关要求，排除了这种可能。

（5）在GIS设备装配时如果盆式绝缘子受力不均匀会导致盆式绝缘子产生局部应力，使盆式绝缘子产生裂纹，长期使用裂纹逐渐延伸会引起放电。检查发现盆式绝缘子结构完好，未产生任何裂纹，排除了这种可能。

（6）根据检查情况，故障位置位于吸附剂罩下方，且明显可见吸附剂端盖板脱落后掉至罐底，分析故障原因为隔离开关内部有异物引起电场畸变，造成导体与下方罐体处放电。

隔离开关50132吸附剂端盖板是采用卡扣的形式与吸附剂装置固定的，且吸附剂端盖板的卡槽深度只有1mm左右（如图7所示）。虽然端盖板不承受吸附剂重量，但在长期运行过程中存在老化现象，导致卡扣的强度逐渐衰退，卡扣弹力逐渐降低，在多次的断路器、隔离开关分合动作振动冲击下卡扣慢慢松动，导致操作过程中吸附剂装置端盖板脱落引起故障。

图7 吸附剂装置Figure 7 Adsorbent device

隔离开关50132分闸操作时的振动造成了吸附剂端盖板掉落，在正常运行时GIS导体与壳体间的电场是由同轴圆柱结构[4]与单纯的SF6气体构成的稍不均匀分布电场，掉落过程中变成了气体和固体的混合物形成的一种动态介质，破坏了导体与壳体之间原有的稍不均匀电场分布，进一步构成极不均匀电场[5]，导致SF6气体的击穿电压急剧下降（注：SF6的气体特性是在较均匀电场中具有非常优良的绝缘特性，但是电场不均匀时闪络电压将明显降低。在极不均匀电场中，SF6气体间隙的击穿放电电压甚至低于空气间隙的击穿放电电压[6]），进而导致GIS导体对壳体电弧放电[7]。

4 暴露的问题

（1）吸附剂装置存在设计缺陷：吸附剂端盖板仅采用4个卡扣与吸附剂装置固定，固定不够牢固，在承受断路器、隔离开关分合动作振动冲击下，卡扣可能松动。且盖板直径为φ132mm，小于吸附剂法兰孔直径φ148mm，存在脱落后引起放电的风险。

（2）吸附剂布置位置存在隐患：部分吸附剂装置布置于外壳斜上方，与水平方向约45°角位置，正常状态下将承受500g吸附剂的重力作用，在设备操作振动下极易导致吸附剂端盖板脱落，鉴于吸附剂原始结构不够牢固，此种布置方式存在很大隐患。

（3）吸附剂端盖板材质存在隐患：此次故障的直接原因为吸附剂端盖板掉落，该盖板的材质存在缺陷，在设备投运较短的时间内，出现了老化、变形的问题，从而造成盖板把合部位松动。

5 处理情况

5.1 改进方案

GIS设备属于高压一次设备，直接影响电网设备安全稳定运行，不允许再次由于此类缺陷出现故障，故障的处理需要举一反三彻底消除此类缺陷。除更换故障设备外，针对吸附剂端盖板松脱情况，此次处理计划将所有GIS设备的吸附剂装置进行改进（见图8），吸附剂装置改进方案如下：

图8 改进吸附剂装置使用的端盖板Figure 8 Improved separator used for adsorbents

改进后的吸附剂端盖板外径为φ158，大于改进前的端盖板外径φ132，也意味着新的端盖板外径是大于壳体法兰直径φ148的，塑料盖板由原先的单纯靠卡扣卡紧改进为由吸附剂装置与气室本体上的法兰共同压紧，保证了吸附剂端盖板不会由于卡扣不紧发生脱落后掉入气室内部的情况，从而杜绝了再次发生类似故障的可能性，提高GIS设备运行可靠性。新旧两种吸附剂装置对比如图9所示。

5.2 处理方案

首先将Ⅱ段母线转为检修状态，将相关气室SF6气体进行回收后对已经发生放电的50132隔离开关 A相本体进行解体并更换，其次所有气室吸附剂装置均利用设备停电检修机会进行更换，杜绝端盖板及吸附剂掉落的隐患。

5.3 处理流程

此次故障处理首先将5013、5024、5033断路器及Ⅱ段母线气室气体回收，回收完毕后打开故障隔离开关50132 A相气室，对气室内部进行详细检查，检查发现除吸附剂端盖板脱落及放电痕迹外，其余各部位连接牢固没有松动迹象，各零部件结构完好，盆式绝缘子结构完好无爬电现象，触头和触指插入深度也符合要求，根据以上检查情况确定此次故障直接原因为吸附剂端盖板脱落。

图9 新旧吸附剂装置Figure 9 New/Old adsorbent device

得出具体原因后，立安排检修人员将所有气室观察孔盖板打开，组织专业组成员对所有气室的吸附剂端盖板逐一排查，发现个别气室的吸附剂端盖板发生轻微变形，有脱落的风险，随即展开故障设备及其余设备的检修工作。通过此次故障的现象及此前出现过的类似故障（2016年9月4日操作设备时Ⅱ段母线接地隔离开关5217吸附剂端盖板脱落导致放电），总结得出：此设备吸附剂装置端盖板设计可靠性不高，长期运行过程中可能再次出现故障，出于对高压一次设备的运行可靠性的考虑，须全部更换GIS设备吸附剂装置。

利用设备检修期将各气室吸附装置进行整体更换，在更换过程中要将作业时间尽量控制，减少新的吸附剂在空气中暴露的时间，然后迅速将更换好的气室抽真空，并注气至额定压力后进行保压、微水含量测试、SF6气体检漏等测试，然后对断路器进行分合闸时间及同期测试、主回路电阻测量、最低动作电压测试。待所有的非破坏性试验全部做完，实验结果合格后，将5013、5024、5033断路器两侧电流互感器，备用线路3E上所有电流互感器二次回路短路接地，分别对500kV Ⅱ段母线，5033、5024、5013 断路器，5033、5024、5013 断路器的断口进行耐压，以及5024、5033断路器回路耐压。此次耐压试验顺序：在电压等级下对GIS进行“老练净化”时间为5min，U1=519kV电压等级下对母线进行“老练净化”时间为3min。GIS设备的每一部件均达到了经过完整试验程序并耐受规定的试验电压等级，且在整个实验过程中无击穿放电的现象，证明此次耐压试验范围内的GIS设备全部合格。

在所有试验合格后，由运行人员操作设备恢复至正常运行状态。待Ⅱ段母线停电检修范围内设备恢复后，逐步进行其余设备停电检修，最终更换所有GIS设备的吸附剂装置。

6 结束语

虽说GIS设备的可靠性很高故障率很低，但在设计时对于吸附剂装置结构等细节考虑不周全，在电力系统实际运行时就可能造成大事故。导致此种吸附剂装置结构出现问题的原因为：在设计吸附剂端盖板的结构时考虑不够周全、吸附剂端盖板材质的耐久性不够好。本文对GIS设备吸附装置出现的问题进行了分析，研究出了改进后的结构并应用于所有的GIS设备，进一步提高了GIS设备的运行可靠性。