500kV GIS隔离开关操作过电压风险分析处理

（山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司，山西省忻州市 035503）

0 引言

某抽水蓄能电站采用一回500kV输电线路与变电站相连，电气主接线方式为四角形接线。GIS主要包括500kV断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、快速接地开关、SF6气隔等设备。GIS设备制造商为日本AE Power公司，因该类型GIS隔离开关在其他电厂发生操作过电压造成内部接地闪络现象[1]，故对该电站现有GIS隔离开关进行检测分析及故障处理。

1 GIS隔离开关操作电压分析

该电站GIS隔离开关额定电压为550kV，额定电流为2500A，额定冲击耐受电压为1550kV，操作冲击耐压（250/2500Us）断口间为1250+450kVp，相对地为1250kVp。

500kV高压开关极间存在电容，在操作断路器两侧隔离断路器时，产生的电压是不同的[2]，当断路器断开后，DS2在合位时，原理如图1所示。

图1 DS2在合位时电气原理图Figure 1 Schematic diagram of DS2 closing

操作DS1时，Vd2=V2，Vd1=121/（200+121）×V2=0.377V2（37.7%）；DS1产生的电压为V1-Vd1=100%-37.7%=62.3%。由此操作DS1产生的电压被断路器极间电容和GIS对地电容分压，该电压约被减少63%。

DS1拉开后，原理如图2所示。

图2 DS1分位时电气原理图Figure 2 Schematic diagram of DS1 opening

操作DS2时：Vd1=5/（275.4+5）×V1= 0.018V1Vd2= 1.8%×121/（200+121）=1.8%×0.38=0.68%；DS1产生电压为V2-Vd2=100%-0.68%=99.32%，由此可知，在DS1拉开后，操作DS2产生的电压被断路器极间电容和GIS对地电容分压较小，基本为额定工作电压，操作过程中可能出现过压闪络现象，GIS隔离开关结构示意图及产生过电压部位如图3所示。

图3 GIS隔离开关结构示意图Figure 3 Schematic diagram of GIS disconnection structure

500kV GIS系统SF6隔离开关合分母线过电压幅值不高，但陡度大，在国内500kV系统中已经出现过几次击穿故障，目前使用方法一般为采用串联电感、并联电容等方式解决。

2 GIS隔离开关过电压检测及改造原理

该电站安排500kV线路停电期间进行了2台隔离开关低电压下重燃弧冲击倍数的测定。测定结果发现：隔离开关接近或超过IEC标准规定分合充电电流时重燃弧冲击倍数2.0p.u.，2台GIS隔离开关负荷侧分别为2.11p.u.和1.98p.u.；电源侧分别为2.34p.u.和2.04p.u.，测试回路示意图如图4所示。

图4 隔离开关测试回路示意图Figure 4 Schematic diagram of disconnection test circuit

根据现地实施的重燃弧冲击倍数的测试结果，对隔离开关机构进行升级改良提升设计裕度，以测定结果最大值2.34p.u.对GIS隔离开关构造进行改造。

为加强动触头前段对地绝缘强度，采用结构变化使断口间放电的开离距离变短，主要采用将隔离开关动触头前端增加“R”尺寸，断口间尺寸由145mm调整为115mm，断口间屏蔽罩直径由φ320mm调整为φ340mm。另为防止电弧燃弧延向固定侧集电子弹簧，则将电源侧屏蔽罩内径由φ155mm变为φ95mm，改造前后的机构图分别如图5和图6所示。

图5 GIS隔离开关改造前结构图（单位：mm）Figure 5 Schematic diagram of GIS disconnection structure before alternation

图6 GIS隔离开关改造后结构图（单位：mm）Figure 6 Schematic diagram of GIS disconnection structure after alternation

GIS隔离开关操作时，电弧重燃过程的总时间随着隔离开关的结构不同而异，GIS中DS操作断口多次重燃或者预击穿[3-4]：

（1）GIS以SF6为介质，其电子雪崩临界值为89MV/（m·MPa），只有电压上升速度≥此临界值时，出现预击穿或重击穿。

（2）GIS中其断口出现先导型放电时才会形成预击穿或重击穿，在均匀或稍不均匀电场中通道形成波的上升时间Tr可表征为：

式中：Δu——击穿前电压，kV；

Kt——Toepler火花常数，Kt=50kV·ns/cm；

s——火花长度，cm。

对 SF6绝缘GIS，其中：E/p0=860kV/(cm·MPa)，通常GIS的利用系数η=Emean/Emax-0.5～0.8，SF6气 压p=0.3～0.4MPa ，因此正常的GIS中由DS操作引起的冲击陡坡Tr=5～20ns。随着电极的粗糙、Δu/s下降，Tr会有所增加。暂态电压最大陡度为：

在均匀电场中，SF6的击穿场强为空气的2～3倍，在间隙距离相同的情况下，SF6中产生的最大电压陡度为空气的4～9倍。

（3）GIS中DS断口出现预击穿或重击穿时，电磁波将沿DS断口两侧传输，其间引起的暂态振荡频率既决定于系统的电气参数，亦有赖于两侧母线的几何长度f1=v/2l。通过计算设备改造后断口间可能发生重燃弧的最大开离尺寸为57mm（开离度50%），与原产品结构开离尺寸85mm（开离度59%）相比较缩短了28mm，最大开离度位置变短后，降低了断口间发生的重燃弧分支电弧沿向罐体侧的危险性。测定动触头对地方向的电场值在开离尺寸为57mm（开离度50%），最大耐受电压值为1800kVp，对隔离开关进行“分”操作时发生的冲击电压试验值为1020kVp，能确保1.75倍裕度。即使针对GIS内最苛刻位置可能发生的理论上最大冲击电压3p.u.（1347kVp），也能确保1.3倍裕度。

3 GIS隔离开关改造实施步骤

3.1 隔离开关改造前准备工作

（1）对SF6气体回收装置进行全面检查、保养，对电机进行绝缘检查。

（2）对回收用气瓶或气包内残留气体进行微水和纯度检测，不满足要求需要进行清瓶处理。

（3）对隔离开关泄压气隔进行SF6气体特性试验，作为改造工作前的基础数据，泄压气隔微水含量最大值小于标准值250ppm，断路器气隔中微水含量最大值小于标准值150ppm，纯度均大于99%。

（4）记录所有气隔SF6气体压力。所有气隔SF6气体压力基本维持在0.62MPa（27℃）。

（5）改良后的屏蔽罩要在安装前用细砂布进行打磨、检查，确认无毛刺，防止安装后尖端放电。

（6）气体回收前先进行配管，对接头用酒精进行擦拭干净避免污染SF6气体，同时检查接口处密封圈以防漏气。

（7）在气隔泄压前必须对GIS伸缩节进行螺丝调整，防止泄压后由于压力下降，导致伸缩节被压缩引起其他气隔法兰连接不匀称漏气。

3.2 隔离开关改造实施步骤

3.2.1 SF6气体减压回收

（1）连接好气体回收管路后对管路进行抽真空处理，每15min记录一次真空度。抽真空运行约1h左右，确认真空度稳定且管路不存在渗漏现象。打开各气隔室的排气隔离阀及气瓶隔离阀，启动气体回收装置，确认设备各表计压力值是否正常，现场确认气隔压力为0MPa后，继续运行1h，确保尽可能将SF6气体回收彻底。随后进行抽真空，运行3h后，真空度达到10Pa后停止运行。

（2）对改造隔离开关相邻气隔进行降压处理，将SF6气体压力由0.62MPa降至0.1MPa。减压量940kg气体回收装置需运行7h左右（气体回收时间与气体回收装置回收能力及其储存容器压力有主要关系，同时回收装置上的调节阀也可调节回收速度）。

（3）根据Q/GDW 1859—2013 《SF6气体回收净化处理工作规程》当设备内气体压力小于0.05MPa时，可视为设备内气体被抽空。

（4）确认气隔真空状态后，关闭气隔隔离阀及回收装置隔离阀，拆除回收气体管路，缓慢打开气隔隔离阀进行充空气置换。

3.2.2 主要结构拆除及回装

（1）拆除隔离开关操作机构连杆。先将隔离开关操作机构外连杆拆掉，为后续拆除内部机构做好准备。

（2）拆除端盖。拆除端盖用矩扳手拆除。剩两个螺栓时将吊耳固定后用桥机带手动葫芦就位后，拆下螺栓，吊起后将其盖板放置在规定区域。吊装过程中注意保护盖板密封面，防止磕碰。端盖拆除后用塑料布将罐体端部盖住，防止灰尘及异物进入。

（3）隔离开关解体。将按照解体动、静触头顺序分别取出并将相应屏蔽罩解体，对静触头及动触头零部件进行更换安装就位。固定动触头与触头操作机构并恢复，现场要确认隔离开关行程尺寸为200mm±5mm，触头插入尺寸为50mm±5mm，断口间尺寸为115mm。

3.2.3 回装后试验

回装后的试验项目主要包括主回路电阻测定、绝缘电阻测试等4个主要项目[5]，试验内容和判断依据见表1。

表1 隔离开关回装后试验项目及内容Table 1 Test items and contents of disconnection installed

3.2.4 盖板封装

封装盖板前必须检查盖板密封面无伤痕，无变形、无异物附着、O形密封圈装设良好。使用力矩扳手紧固螺栓紧固时应对角紧固。

3.2.5 更换吸附剂

为确保吸附剂的效果，吸附剂在空气中的暴露时间不能超过30min，吸附剂更换完毕后使用力矩扳手紧固螺栓。

3.2.6 抽真空排气

连接好抽真空排气用软管后，以抽真空设备实施抽真空排气确认真空度。

3.2.7 SF6气体的回充

（1）SF6气体回充时，应先气化钢瓶或储气罐中的SF6，防止液态SF6直接充入设备。当气瓶压力降至0.1MPa表压时应停止充气。安装连接SF6干燥过滤器至气缸阀门。充气过程不易太快，防止装置结露。连续给气隔室补气至设计操作压力。首次充气完成后，隔12h后验证每相的压力仍在额定操作压力范围内。

（2）SF6气体充装完毕24h后，应对设备中SF6气体进行湿度、空气、CF4等项目进行检测，并符合GB 50150和GB/T 8905的要求。

3.2.8 气密性试验

对开过口的部分均安排气密性试验，使用SF6充气阀进行采样测量。充气后进行湿度测量，测量进入气隔中的气体，允许气体稳定4h。可靠的湿度测量需要注意干净和预先制定步骤，特别注意由于分析仪或连接点污染导致的湿度测量偏差。断路器内单位体积气体允许的湿度是150ppm以下，气隔内单位体积气体允许的湿度是250ppm以下。

4 结论和建议

改变GIS隔离开关触头结构、屏蔽层是防止操作过电压的一种有效的措施，该电站隔离开关改造完毕后运行情况良好，满足技术规范的要求。

为减少GIS内隔离开关操作产生过电压对电气设备的影响，在500kV设备操作时要注意隔离开关拉合顺序[6]，尽量降低过电压。