LW30A-550型罐式断路器故障缺陷分析与处理

葛志成, 宫文涛, 史晓飞, 房崇峰,徐 怿

(1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021；2.国网吉林省电力有限公司，长春 130028；3.国网四平供电公司，吉林 四平 136000)

随着电网的快速发展，500 kV断路器的设备数量逐年增加，其运行工况较220 kV电网复杂得多[1]。近些年电网公司550 kV罐式断路器发生多起故障跳闸事件，断路器内的电容器、合闸电阻、绝缘拉杆、粒子捕捉器、罐体内屏蔽罩、盆式绝缘子都是引起跳闸故障的原因[2-5]，其中罐体内屏蔽罩是故障多发部位，具体表现为击穿放电。屏蔽罩在断路器灭弧室中起着重要的作用，灭弧室燃弧过程产生的金属蒸汽、电子和离子能以很短时间扩散并吸附到屏蔽罩上冷凝，从而在电流过零时迫使电弧熄灭。

1 故障过程及动作保护情况

20180512T02：23：00，某500 kV变电站500 kVⅠ段母线失压，5031断路器故障。06：34：00，5031断路器转检修。10：23：00，Ⅰ段母线恢复运行。5031断路器A、B、C相外观基本完好；周围部分隔离开关、避雷器等设备基本完好。500 kVⅠ段母线双套保护均为B相差动保护动作，故障一次电流约为18 kA，套母差保护分别于故障后6.0、7.5 ms，50 ms后跳开5012、5011、5021断路器、5031断路器B相持续有电流流出，5031断路器失灵保护302 ms跳开5032断路器，368 ms后故障电流消失。该断路器2007年4月出厂，2007年10月投运。雷电冲击耐受电压1 675 kV/(1 675+450) kV,工频耐受电压740 kV/(740+318) kV，额定电流4 000 A,额定断开电流63 kV。

2 外观检查及现场试验

5031断路器故障后，工作人员对现场一次设备进行外观检查，发现5031断路器B相机构侧罐体下方有疑似放电击穿点，并且气室压力表指针下降到0.4 MPa以下。现场对断路器A、B、C三相气室进行气体分解物成分检测和微水试验，其中A、C相断路器本体气室未发现气体分解物及微水含量都符合要求，B相本体气室分解产物测试体积分数超标、水分含量超标，初步判断本体内部发生放电击穿，具体原因需设备解体检查确认。

3 返厂检查及故障原因分析

B相断路器返厂后将本体解体，打开断路器两侧盖板检查设备内部，发现断路器内部动侧屏蔽罩有两处电弧烧蚀点、罐体位置有一处电弧烧蚀点。将灭弧室抽出罐体，彻底检查灭弧室、断路器本体。断路器动侧屏蔽罩底部有明显放电痕迹，屏蔽罩表面烧蚀成一个直径约为1.4 cm和一个直径约为1.1 cm大小的坑状烧蚀点(见图1)。大的烧蚀点对应位置的罐体内表面存在大面积熏黑现象，有局部喷溅形点状发黑痕迹，中间出现疑似熔融的凹坑，凹坑周围材质不明的熔融产物和灰白色粉末状物质(见图2)。

图1 屏蔽罩表面损毁的情况

图2 罐体表面喷溅情况

较小的烧蚀点对应位置的罐体内表面烧蚀痕迹呈直径20 cm左右的圆形，中间烧蚀出一个直径1.0 cm的小坑，烧蚀痕迹外围有油漆高温后喷溅的不规则花纹(见图3)。之前外观检查发现的疑似放电点位置是该烧蚀点已将外壳烧穿。因故障相灭弧室屏蔽罩损毁严重，无法判断缺陷具体形成原因，后续又将A、C非故障相断路器本体解体，均发现屏蔽罩屏蔽旋压的中空处存在突起铁刺及金属颗粒的情况(见图4)。

图3 罐体上烧蚀的痕迹

图4 屏蔽罩端部均压环卷口

断路器灭弧室以SF6作为绝缘气体，在稳态工频交流电压下，在突出物附近形成高电场强度区域。当该高电场强度大于SF6气体的击穿电场强度则会发生尖端电晕放电，在一定程度上改善了整个区域的电场强度分布，在稳定的电晕放电状态下，不易形成贯通性的击穿故障，但在快速暂态过电压和雷电过电压下，电场强度增大，加之面积效应等因素，会发展成贯通性放电击穿故障[6]。

金属颗粒在电场力等的综合作用下运动到高压电极附近时，由于自由微粒本身带有一定量的电荷，所以自由微粒和高压电极间的电场强度很高，这导致了自由微粒与高压电极间的微小间隙击穿。对于非常小的颗粒来说，它们单纯在电场作用下能够得到的电荷量是非常有限的，但如果是大量的颗粒在一起，可能会有某些颗粒的电荷量非常可观，进而在电场的作用下能够运动到更高的地方。特别在均压环卷口附近的细小微粒，可能由于上述作用而运动聚集在屏蔽罩表面上，引起闪络击穿故障。

通过上述理论分析，判定是断路器机构侧灭弧室屏蔽罩在生产或安装过程中，顶端均压环卷口中铁屑杂质和金属颗粒未及时清理干净，导致此次内部绝缘击穿放电。

4 理论仿真及现场试验验证

4.1 工频电压下的电场强度计算

在断路器异常位置施加740 kV的工频电压时，断路器内部电场强度最大值为10.634 kV/mm，位于屏蔽罩下方侧面处，其所对应的罐体内壁处电场强度为2.432 10 kV/mm，屏蔽罩烧穿处电场强度为5.020 95 kV/mm，其所对应的罐体内壁处电场强度为2.856 20 kV/mm(见图5)。

图5 工频电压电场强度计算

4.2 雷电冲击电压下的电场强度计算

在断路器异常位置施加1 675 kV的雷电冲击耐受电压时，断路器内部电场强度最大值为24.657 kV/mm，同样位于屏蔽罩下方侧面处，其所对应的罐体内壁处电场强度为4.600 32 kV/mm，屏蔽罩烧穿处电场强度为11.390 43 kV/mm，其所对应的罐体内壁处电场强度为6.310 97 kV/mm(见图6)。

图6 雷电冲击电压电场计算

断路器内部标准充气压力为0.6 MPa，最低功能压力为0.5 MPa，不同气体压力时所允许的电场强度设计值不同，见表1。E1为雷电冲击负极性电压下的50%击穿电场强度，E2为耐受电压下的允许电场强度值，E3为考虑足够的绝缘裕度时的雷电冲击允许电场强度值。在最低功能压力下的雷电冲击允许电场强度29 kV/mm，大于该断路器的理论计算值最大值24.657 kV/mm。

表1 气体压力对应电场强度的设计值

4.3 电气验证试验

为了验证屏蔽罩内壁存在异物对套管整体绝缘性能的影响，人为的在屏蔽筒内壁放置了一些细小的金属屑。完成装配后进行了工频耐压试验，试验结果为：将电压升至550 kV，保压30 min后无异常；继续升压至740 kV时放电跳闸，再次升压至730 kV时放电跳闸，试验不合格。

通过以上电场计算及电气试验，验证了解体检查分析结论是正确的。

5 整改措施

a.加强厂内装配过程管控，增加工艺专检和每一步安装的吸尘环节，防止无毛纸等异物带入或遗留在灭弧室。

b.运至现场的套管，应在防尘棚内再次清理套管内屏蔽罩，然后进行安装，采取冗余的清理措施，以防清理环节的遗漏。

c.改变罐体侧盖板拆除工序，规定下端螺栓最后拆除，且其余螺栓拆除后，增加对螺纹孔进行吸尘器清理环节。并在盖板拆除后立即加装防尘套。