GIS 设备常见两起故障分析*

李大江

(国投甘肃小三峡发电有限公司，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

GIS(Gas Isolated Switchgare )设备全称气体绝缘、金属封闭开关设备，主要将断路器、母线、电流互感器等设备组合安装在金属外壳密闭的SF6气体中。由于整体设备具有检修维护周期长、运行可靠性高、占地面积小、维护简便、检修维护工作量小等优点、因此，目前电力生产输送将GIS设备定为主要设备。但是，随着运行时间的不断累积，设备会出现一些缺陷，但是这些缺陷不像其他设备一样容易被及时发现，如果在运行中不能及时采取有效的处理措施，一旦出现故障，检修过程相对复杂，且受现场环境限制，检修时间一般较长。因此，分析总结气体绝缘、金属封闭开关设备在运行中的故障原因，并且总结相关的防范措施在当下是势在必行的。

1 GIS设备简介

GIS设备全称为气体绝缘、金属封闭开关设备，顾名思义此设备不只是单一设备，是由若干电气设备组成。主要包括线路断路器、接地开关、隔离开关、母线、过电压避雷设备、互感器、出线终端等附件设备。GIS自诞生以来，便获得了广泛的认可和使用。设备在运行过程中，能够适应较为复杂的环境，并且有着电压等级越高，安装面积越小的优势，这极大的减小了占地面积，因此，设备能较好地适应地理环境因素。并且设备外壳为金属结构的全封闭固件，使其拥有良好的结构稳定性，这也使其内部的带电设备有了一个良好的防护，对于运行、检修人员的人身安全也起到了一定的保护的作用。气体绝缘、金属封闭开关设备结构如图1所示。

图1 气体绝缘、金属封闭开关设备结构

图1中1为GIS的核心元器件断路器，其主要由开断装置、导电回路、操作机构以及绝缘结构等部分组成，断路器在开断电路时会产生电弧，但迅速会被密闭空间充满的SF6气体熄灭，在灭弧的同时，SF6气体会被分解为二氧化硫、四氟化硫等对人体有害的气体，这就需要在断路器里放置吸附剂，吸附相关毒性气体；图1中2为电流互感器；3、4、5分别为接地开关、隔离开关、传动机构； 6、7则分别为主母线及出线套管；8为设备接地处；9为设备外壳。GIS设备的每一个气体间隔，均是使用不通气的盆式绝缘子，将设备划分为若干个独立的密闭空间，以便应对不同的气体压力及方便日后的检查检修工作。

2 GIS设备常见的故障分析

GIS设备在长期运行的过程中，整体运行状态良好。但在收集的部分案例中，也出现了较为典型的故障现象。如气密性故障、导电部件故障、绝缘部件故障、短路放电故障等等。此类故障的频繁出现，直接造成了电力系统的运行故障，对电网的稳定性造成了一定的不良影响。

2.1 GIS设备的气密性故障

2.1.1 故障原因

GIS设备最主要的两个要素就是气体绝缘和全封闭。在运行中对设备气密性要求非常高。但是，在设备长期运行过程中，往往会遇到密封失效的问题，从而造成设备灭弧能力下降及绝缘失效，影响了设备的正常运行，甚至引发严重事故。

黄河上游某电站的GIS设备，2号发电机出口开关1102断路器气室，在运行巡检时发现该气室压力较往常略有降低，随即用检漏仪检漏，发现该气室的一个法兰面有一处气体泄漏点。由于该电站仅投产仅四年时间，密封老化可能性较小，便紧固漏气法兰螺栓。后经检测，漏气点仍存在，于是由检修人员打开法兰面，如图2所示。

图2 法兰面的密封胶

由图2可以明显看出法兰面的密封胶涂抹不均匀。由此判断漏气原因：①按照密封圈在金属法兰面压缩量25%的要求，密封垫压缩量不足，未能全面填充注胶槽；②由于施工工艺不良，注胶作业存在瑕疵。总结以上两点原因综合分析得出，由于在施工过程中法兰面密封胶涂抹不均匀，部分地方涂抹较少甚至缺失，法兰密封圈压缩量较小，未能达到标准，运行时间久后，密封面形成细小凹坑，密封圈不能密切贴合，从而发生气体泄漏。因此分析此次故障的原因为施工安装工艺引发的设备故障。

2.1.2 应对措施

在法兰安装之前，要避免法兰的密封槽有较明显的划伤伤痕，或者锈蚀痕迹，必要时可用800号及以上水砂纸或金相砂纸打磨抛光。然后使用无水酒精配合无毛纸反复清洁密封面，保证密封面光滑干净，表面无杂质。所有之前拆解下的密封圈无论好坏，都必须更换，新安装的密封垫外观检查应无气泡和划痕，安装之前用无水酒精配合无毛纸轻擦。在之前处理好的密封槽内均匀涂抹适量的密封脂，含硅的密封脂避免涂抹在与SF6能够接触到的地方。在密封垫外侧的法兰面上薄涂2号低温润滑脂或者中性凡士林。法兰连接或封盖时，使用力矩扳手均匀紧固封盖面的对脚螺栓，所选力矩应遵循厂家规定。

处理完毕后，在设备运行过程中进行设备气密性故障的检查检测。重点监测已处理气室的压力变化情况，一经发现气压不足时，运行维护人员及时汇报、处理，以防设备闭锁，从而引发安全生产事故，同时对日常监测的异常部位结合设备停电计划进行重点检查，以便及时发现问题进行维护。

2.2 GIS盆式绝缘子故障

2.2.1 故障原因

GIS 设备中频繁使用的盆式绝缘子，是由环氧树脂浇注而成，而在浇注过程中由于施工工艺、原材料纯度等问题造成的表面不平滑、粗糙有划伤等缺陷，安装运行后在强电场的作用下，绝缘子的表面电场分布就会发生畸变，这种变化会使绝缘子表面的闪络电压大大降低，逐渐降低至额定电压，从而在正常运行状态下发生闪络放电。此时，当GIS设备某部分发生故障或局部过电压时，就会沿着绝缘子表面对外壳进行放电，造成绝缘子损伤。

2015年，某变电站GIS设备3号出线间隔的母线B相气室内发生放电故障，后经现场检查，故障发

生后该站保护未收到任何动作及报警信号，对故障部位进行解体检查，拆解后发现气室内有大量粉尘， B相母线气室绝缘子根部有明显的放电及电弧灼伤痕迹，如图3所示，除此无其他异常。盆式绝缘子断面结构如图4所示。

图3 发生放电的盆式绝缘子

图4 盆式绝缘子结构

最中部为中心嵌件，外侧圆弧为环氧树脂，在两者之间有一层薄薄的导电橡胶，将环氧树脂与中心嵌件紧密连接。该导电橡胶是以硅橡胶为基础材料，均匀掺入银粉、铝镀银等导电颗粒，在起到应力的过渡的同时，又具有粘接效果。但是导电橡胶的加入，又增加了生产工艺的难度，一旦生产过程发生忽略，极易在导电橡胶面上引入气泡、杂质等。导电橡胶面的边缘又恰好是导电金属以及绝缘材料的结合处，是整个盆式绝缘子上电场强度最集中的区域，而之前引入的气泡、杂质等又会使内部高压电场强度发生畸变，这样便会使绝缘件在很低的电压下产生局部放电，发生设备故障。

再者，GIS设备在施工安装时，由于工艺质量参差不齐，使盆式绝缘子上极易附着过量污染物，在后期运行过程中，GIS内的各动作设备的操作又会使动作机构、润滑剂、触头等物件发生摩擦后产生的杂质微粒，在电场作用下，吸附在盆式绝缘子上，当这些吸附杂质达到一定量，便会形成小桥，导致绝缘子表面发生闪络，从而瞬间改变气室内的空间电场强度分布，引发局部的电场畸变，最终发生局部放电。

其他诸如绝缘子自身品质、雷击过电压等原因，也是可以引起盆式绝缘子发生击穿放电，此处不再具体阐述。

2.2.2 应对措施

由于空气中存在着导电颗粒和微小灰尘，就算严格执行安装工艺标准，也无法避免进入气室，另外，前文所述，设备在运行过程中也会产生一些细小微粒，这些导电微粒都是不断积累，不可避免的。虽然不可避免微粒的存在，但是可以对导电微粒进行监测，以便及时处理，避免事故发生。另外，由于盆式绝缘子的故障率占GIS设备故障率的主导，由此大胆猜想盆式绝缘子本身可能存在结构设计的缺陷，或长期潜伏一些未能发现缺陷，从而导致其遭受较大过电压或积累过多杂质微粒后发生故障。因而，积极探索盆式绝缘子的结构改进以及加强对盆式绝缘子的出厂检测力度，在今后工作中显得尤为重要。另外，在事故处理过程中气室内的各类粉末进行分析，更有助于查找到切实的故障原因和故障点，以便更准确的分析事故，以防止类似事故发生。此外，还需加强GIS设备的过电压保护工作，最大限度保护盆式绝缘子。

3 结 语

以两起电力生产实际故障为例，通过对故障分析和处理过程的细致描述发现， GIS设备故障发生的原因包括生产安装工艺、运行方式、客观环境等等，是多方面的。因此，在生产过程中，还需加强GIS现场安装工艺流程，确保在安装中的任何环节均处于良好的可控可测状态。加强GIS设备的日常运行状态预警研究，探索研究GIS设备带电预防性试验的新方法，是相关人员今后工作的新方向。