一起220 kV 气体绝缘组合电器耐压试验内部闪络原因分析

严 智

（国网山西省电力公司检修分公司，山西 太原 030006）

0 引言

气体绝缘全封闭组合电器GIS（gas insulated substations） 导体全部密封于惰性SF6气体罐体中，不与外部接触，不受外部环境的影响，大大提高了可靠性；同时，对罐体内部洁净度要求也相应提高，内部杂质特别是金属颗粒可能导致闪络、放电甚至击穿的故障。分析放电原因对于提高GIS 设备及电网运行可靠性、安全性，降低损失意义重大。GIS 设备内部放电包括壳体及盆式绝缘子闪络及支持绝缘子的沿面闪络甚至击穿，其中，沿面放电发展呈现出电晕放电、电晕放电和沿面流注放电共存、沿面流注放电3 个主要阶段[1]。

本文围绕某变电站220 kV GIS 交接耐压试验中D26 与D27 间隔之间Ⅳ母编号为F15045120 的母线击穿现象，通过解体观察、试验验证，分析了导致击穿的原因，给出了相应的预防措施。

1 GIS 耐压试验内部故障类型

GIS 罐体及导体由于制造、运输及安装过程中的绝缘件内部缺陷、磕碰、绝缘件间隙过大等问题，都可能导致GIS 内部电场强度畸变，局部场强变大，致使局部绝缘被击穿放电，继续发展后其放电通道逐步延伸，最终成为贯穿相间或相对地的导流通道，造成设备严重损坏。

1.1 自由颗粒放电

GIS 通电运行时，内部将产生一个交流电场，自由金属颗粒受到电场力的作用，颗粒重力的反方向上的分量大于颗粒重力时，该颗粒就会进入罐体。由于交流电场场强大小和方向会发生变化，当重力反方向上的分量低于自身重力或者受到反方向的电场力时，自由金属颗粒落下。由于电场的正弦量关系，金属颗粒将随着电压大小和方向的变化往复运动，直至临界位置或者运动至电场强度较低的区域静止落下[2]。绝缘子表面金属自由颗粒是内部绝缘故障最常见的类型，这种缺陷使得绝缘子的表面闪络电压明显降低，存在较大的潜在危害[3-4]。

1.2 绝缘子空隙和树枝化放电

绝缘子表面的空隙或者裂缝以及电极铸件上的分层里面都会有SF6气体，局部电场强度增大时会造成击穿。如果产生自由电子，就会发生放电并在绝缘子表面产生位移电流或者在电极与绝缘子垫片间发生火花放电。这两种过程都可以利用局部放电检测装置检测出来。通过恰当的设计和生产过程优化可以消除绝缘子空隙和电极铸件上的分层。因此，这种故障的发生基本可以忽略不计。这些GIS 的绝缘缺陷类型极有可能会在GIS中产生局部放电现象，在绝缘体中的局部放电甚至会腐蚀绝缘材料，进一步发展成电树枝，并最后导致绝缘被击穿[5]。

1.3 电晕放电

导体、金属壳体以及接地极不均匀部位（如凸起、毛刺等） 会引起周围电场不均匀并发生畸变，其强度大于SF6绝缘强度89 kV/cm 的临界值时就会产生电晕放电。电晕放电不会直接导致GIS设备的击穿，但若持续运行，尖端放电会与SF6气体发生化学反应，使气室内气体的绝缘强度逐步降低，最终导致气体被击穿。

2 试验验证

2.1 故障现象

220 kV GIS 设备耐压试验。1 号主变压器220 kV 侧D07 间隔U 相套管加压，V、W 两相接地升压至460 kV，进行耐压1 min 试验。在升压至460 kV 过程中，升压至392 kV 时D07 间隔U相套管发生闪络。再次对U 相加压，电压升到335 kV 放电，此时根据声音初步判断可能是Ⅳ母母线发生放电。后对Ⅳ母进行试验，从4 号主变220 kV 侧D19 间隔U 相加压，第一阶段145 kV老练，加压到 4 min 时发生放电，随后再进行加压，127 kV 时发生放电，然后对W 相进行试验，在电压升到 170 kV 时发生放电，判断击穿处位于D26 至D27 的间隔之间。

2.2 解体观察

解体发现三相导体对应绝缘件对接口处有集中烧蚀痕迹，支撑绝缘件表面有明显的贯穿性闪络痕迹，并且在绝缘件中间交汇。

2.3 试验验证

为了检测导致该段母线异常的原因，对该结构进行了如下处理。

a） 检查导体表面和壳体内部，无磕碰损伤等质量异常。

b） 三相导体对接槽处均存在烧蚀点且分布集中并与绝缘件上放电通道对应，同时绝缘件上电弧通道贯穿整个绝缘件（三相嵌件贯穿），由此可判断该烧蚀点应为电弧烧蚀导致，而非磕碰形成。

c） 由于放电位置为三相支撑绝缘件，需重点确认绝缘件的外部结构，但绝缘件外部结构除表面存在明显的放电通道外，并没有发现任何磕碰、损伤、裂纹等异常。为了进一步确定绝缘子内部是否存在缺陷，对绝缘子采用X 射线进行探伤检测，探伤检测结果表明，绝缘子内部无气泡、裂纹和杂质等缺陷。

d） 对绝缘子表面放电痕迹用砂纸和酒精进行清理，发现痕迹被全部清除，无内部击穿缺陷，由此可判断此绝缘失效为绝缘子的沿面闪络。

e） 验证绝缘子的电气绝缘性能。将原母线、导体等进行重新清理，将导体上电弧烧蚀点打抛光滑，并将原绝缘子（处理后） 装配于原母线段，按照《气体绝缘金属封闭开关设备现场交接试验规程》（DL/T 618—2011）要求进行工频耐压和80%工频局放试验，试验结果都合格（工频耐压施加电压为460 kV，局放标准≤5 pC），最后按照出厂试验要求进行三相1 050 kV 雷电冲击正负各3 次试验，原母线筒绝缘通过了试验：编号F1504516339 002母线筒施加460 kV 额定工频耐受电压，在368 kV局部放电测量电压1 min 作用下测试结果≤5 pC，测试全部合格。

3 原因分析

从解体后对内部绝缘支撑进行试验验证来看，绝缘件本身并没有缺陷，可推断为交接试验耐压异常的原因为绝缘子表面附着异物导致。由于该段母线出厂时已经过出厂试验考核，综合现场相关操作流程，判断异物来源有以下途径。

a） 此段母线是单独运输单元，现场需开盖对接，在对接过程中有异物进入产品内部，由于存在清理盲区无法清理彻底，在最后的SF6注气过程中，异物被吹到绝缘子支撑表面。

b） 现场更换吸附剂的过程中，操作过程不规范，导致吸附剂罩表面存在异物，在抽真空和充气过程中，异物“漂流”到绝缘支撑件表面。

c） 当母线带电时，异物在电场的作用下，发生极化现象，变成附着在绝缘件表面的“金属毛刺”，破坏了绝缘件表面的绝缘强度，缩短了相间的绝缘距离，在L1 相加压至398 kV 时，L1 相对L2 相或L3 相发生了放电，此时已经形成了放电通道；面对第二次加压（330 kV），加剧了绝缘件表面的损坏程度，同时L1 相可能对另一相也发生了放电，从而形成了三相表面贯穿的放电通道。

4 结束语

本文围绕某220 kV GIS 交接耐压试验异常情况，通过解体、试验验证，分析了内部闪络发生的原因，说明了金属自由颗粒及导体毛刺产生的途径。基于以上分析，为保证设备的安全可靠运行，应建立全过程的质量管理机制，相关设备验收应前置，设备管理及基建单位应对罐体、导体、绝缘件等关键部件制造质量、关键工艺、车间环境进行重点把控，保证设备满足出厂要求。同时，现场安装过程中要求施工单位和厂家设置防尘棚等防尘措施，避免设备内部放电隐患，降低损失。