一起GIS中支撑绝缘子绝缘缺陷导致的故障分析

张二龙

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院， 安徽 合肥 230000)

0 引言

由于GIS设备采用金属封闭SF6气体绝缘方式，具有体积小、维护量小、不受外界环境影响、运行安全可靠等优点。近些年随着GIS设备使用量逐年增加，因绝缘件故障而引起的停电事故时有发生。为了能够保证设备持久稳定运行，需要对各类故障原因进行统计分析，避免同类故障再发生[1,2]。本文对一起GIS设备支撑绝缘子的故障原因进行了详细的介绍，并给出了下一步处理方法及建议。

1 案例介绍

2017年12月5日01时05分，某公司220 kV GIS甲线更换出线CVT检修工作结束后，由对侧变电站对甲线线路充电时对侧变电站内开关跳闸。

变电站开关跳闸前，该公司220 kV升压站各个设备带电情况：甲线2853断路器停电，2号主变进线、乙线、母线1 M、2 M均带电。线路对侧为无人值守变压站。升压站设备图如图1所示。

变电站故障录波显示故障点离变电站54公里处，即故障点为该公司升压站内。通过现场初步检查，甲线基塔外观正常，无异物搭接；甲线出线避雷器及新更换的电容式电压互感器外观无异常,无放电、烧黑痕迹。

图1 升压站线路图

甲线出线断路器具体参数如表1所示。

表1 断路器参数

1.1 继电保护动作检查

变电站故障录波显示甲线A相电流突增至4573 A,母线电压急剧下降至113 kV，苏南站开关跳闸发生后，对超高压线路保护报文进行了查看，内容如下：

2017年12月5日01时05分09秒570毫秒保护启动，11毫秒之后，电流差动保护动作，23毫秒后距离加速动作。故障相别为A相，故障相电流值为1.92 A，故障零序电流为1.94 A，故障差动电流为1.93 A。

1.2 接地故障点检查

为查找本次事故的接地故障点，对甲线电容式电压互感器、避雷器、出线套管进行绝缘电阻测试，测试结果显示电容式电压互感器及避雷器设备绝缘状况良好，而出线套管三相绝缘电阻出现严重不平衡，A相绝缘电阻数据和B、C相比较，绝缘电阻值较低，三相绝缘电阻不平衡[3]。出线套管绝缘电阻试验数据见表2。

表2 绝缘电阻试验数据

表3 气体组分测试数据

遂进一步对出线套管三相气室气体组分分别进行测量，测试结果如表3所示。

通过出线套管三相气体组分测试结果分析，A相SO2纯度已经达到9.5 μL/L，B、C相含有微量的SO2，初步分析A相出线套管内部发生了严重的短路放电，继而产生SO2气体。同时由于事故发生后，未及时将A、B、C三相气室的连通气管阀门关闭，导致B、C相也有纯度为0.3 μL/L的SO2存在。

测试结果显示：A相中硫化氢的含量为43.1 ppm，二氧化硫的含量为100 ppm，正常运行的设备中气体不应含有此类杂质成分[4]。

1.3 解体检查

拆解靠近墙体部分的母管时，发现内部与导电杆连接的一支撑绝缘子有明显的放电现象，放电的绝缘子为出墙外部的第二支绝缘子，具体放电位置如图2、图3所示。绝缘子有半部表面已经烧黑，贯穿着绝缘子的两极，放电痕迹从连着导电杆的高压极延伸到连接着母线外壳的低压极，母管内表面也伴有短时大电流拉弧造成的烧伤痕迹。

图2 管母放电位置图示 图3 内部放电支撑绝缘子

2 故障原因分析

通过现场的微水试验及解体检查，排除了气室内部存在潮气的问题。

根据此GIS设计结构分析，沿着导电杆走向的方向，导电杆金属支座与支绝缘子固体绝缘材料的接触位置场强最为集中，如图4圈出的位置处。

图4 支撑绝缘子外表面

GIS在组装过程中，由于工艺要求不到位，会引入粉尘或金属颗粒杂质，如：在管母线或导电杆等物件对接过程中，造成金属部件摩擦而产生细微金属颗粒或安装现场洁净度管控不严导致灰尘进入；由于零部件生产加工时表面清洗不彻底，遗留有灰尘杂质或金属颗粒。设备带电运行后，这些灰尘、杂质、金属颗粒会在电场的作用下漂浮移动，集聚在绝缘子表面场强集中的位置(上述导电杆金属支座与固体绝缘材料的接触位置)。随着这些灰尘颗粒在绝缘子表面集中，表面电场发生严重畸变，从而使绝缘子表面的闪络电压大大降低[5-7]。

变电站对线路进行充电过程中，对侧开关合闸时，线路末端(即电厂侧)会产生过电压，该电压峰值最大可达额定相对地电压的1.7～1.8倍，具体数值与合闸角及对侧断路器同期特性有关。上述支持绝缘子的绝缘缺陷能承受运行电压下不发生闪络放电，但因承受不住不利条件下合空载线路的过电压最终导致沿面闪络放电。

3 故障处理

故障点位置确定后，现场立即进行了相关处理。首先对故障支撑绝缘子进行了更换，壳体放电部位进行打磨抛光喷漆处理。随后对母线重新进行对接安装。安装完成后进行抽真空、充气、静置、气体检漏和微水及组分测试，最后进行老练及耐压测试。

4 结论

本次故障的主要原因是由于220 kV升压站GIS设备甲线出线支撑绝缘子发生了沿面放电造成了开关跳闸发生。绝缘子表面场强分布不均匀，再加上带电粒子的集中附着在绝缘子的表面，造成绝缘子表面闪络电压大大降低，最终开关合闸的瞬时，沿着绝缘子表面发生闪络放电。

为防止此类问题的再次发生，建议开展以下几项工作：

(1) 对有相同结构绝缘子的进出线间隔进行全面排查，掌握数量及安装位置并做好备品备件工作；

(2) 对220 kV GIS各个进出线间隔进行超声波及超高频局部放电测试，对各个支撑绝缘子运行中放电情况进行全面诊断；

(3) 对运行中的GIS各个气室加强微水及组分监测，并缩短检测周期[8,9]。