一起500 kV组合电器断路器故障分析

梅春晓

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引 言

气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）具有占地面积小和不受外界环境条件影响等优点，在我国电网建设中得到了广泛应用，但是断路器长期的开关操作或生产时存在的问题会在运行中被逐渐放大。HGIS设备结构紧凑，其内部出现绝缘故障时的影响面广，处理周期长，对电网运行的可靠性与稳定性影响很大[1]。现就某变电站发生的故障进行案例分析。

1 事故概况

2020年8月8日，某500 kV变电站执行5012断路器停电计划，开展5012 B相断路器二次回路缺陷处理工作，期间为验证回路是否正确，5012断路器进行3次分合，8月9日0时7分完工送电。8月9日2时14分55秒，出现500kV II母双套差动保护及厂汉1号主变双套保护动作，5011、5012、5022及5052断路器跳闸，造成500kV II母及1号主变跳闸，未造成负荷损失。8月10日20时08分，500 kV II母及5022、5052断路器恢复送电。经检查分析确认此次跳闸由5012 A相组合电器断路器气室内部放电引起。

该变电站500 kV组合电器生产厂家为西安西电开关电气有限公司，HGIS型号为ZHW8-550（断路器型号为LW13-550），2018年11月生产，2019年10月投运，目前设备在基建一年质保期内。该型号断路器为小型化单断口断路器，系国网系统内首台（套）产品，未见相关挂网试运行情况。

2 设备检查情况

2.1 现场检查情况

现场检查1号主变及500kV II母母线差动保护，设备外观未见异常。开展组合电器SF6气体成分检测发现，5012断路器A相气室SF6气体分解产物SO2含量为293.3 μL/L，5011断路器A相气室SO2含量为20.1 μL/L，均超过注意值1μL/L。5011、5012间隔内其他气室检测数据均未见异常。

打开5012断路器A相手孔盖板，发现机构侧灭弧室动触头屏蔽罩有烧蚀痕迹，粒子捕捉器表面附着有白色放电分解物。

2.2 故障相返厂检查情况

8月11日，特邀专家在GIS组装车间对5012 A相断路器进行解体分析。

2.2.1 关键位置检查情况

断路器顶部两侧盆式绝缘子表面无沿面放电痕迹，附着有少量白色放电分解物，灭弧室表面附着有大量的白色放电分解物。机构侧屏蔽环6点钟方向表面位置有放电烧蚀痕迹，附近的绝缘台和框架有放电喷溅的痕迹，喷口处有正常的烧蚀痕迹。静侧表面附着有大量的白色放电分解物，屏蔽、触头及绝缘支撑等零部件正常，未发现放电痕迹，详见图1（a）和图1（b）。

图1 灭弧室照片

动触头表面10点钟方向有一处与触指接触后挤压导致触头变形约2 mm的痕迹，脱落部位大小约4 mm×5 mm，静主触头对应位置1片触指有变形情况。通过精测发现，该片触指向内变形，变形量约1.5 mm。对主触头镀银层结合力进行测试，结果表明触头表面镀层结合力合格。断路器动、静主触头照片如图2所示。

图2 断路器动、静主触头照片

2.2.2 放电位置

高压侧放电点为机构侧屏蔽罩下方6点钟方向，附近的绝缘台和框架有放电喷溅的痕迹。放电屏蔽罩正下方壳体内表面有一处直径约40 mm，深度约5 mm的烧蚀坑，烧蚀坑附近壳体表面油漆在电弧高温下，有直径约260 mm的碳化痕迹，壳体表面存在烧蚀颗粒，详见图3。

图3 放电点

2.3 非故障相现场开盖检查情况

2.3.1 5011 A相开盖检查情况

8月15日，对变电站5011 A相断路器进行现场开盖检查。打开断路器下方手孔盖，检查发现静主触头内壁有少许金属碎屑（附着在导电脂上，现场已完成擦拭清理），动主触头有轻微划痕，动静触头存在轻微放电烧蚀痕迹，壳体底部和粒子捕捉器等其他部件未见明显异物。

2.3.2 5012 C相开盖检查情况

10月20日，对该变电站5012 C相断路器进行现场开盖检查。打开断路器下方手孔盖，检查发现动、静主触头表面磨损情况正常（手触摸无划痕、无磕碰痕迹、无烧蚀斑点且触指无挤裂变形），动主触头表面导电脂附着有少许磨损金属碎屑，金属屏蔽表面洁净无附着异物。壳体底部、粒子捕捉器、屏蔽罩及绝缘件等其他部件未见明显异物。5012 C相断路器主触头情况如图4所示。

图4 5012 C相断路器主触头情况

3 故障原因分析

根据5012 A相HGIS断路器故障后的返厂解体情况，对断路器筒体内壁附着颗粒物的情况进行有限元仿真计算（见图5），结果表明存在颗粒物将会引起电场畸变，导致电场强度增大，使筒体内壁与屏蔽间存在间隙放电的风险。因此，判断5012 A相断路器内部存在异物，导致壳体与机构侧屏蔽罩间发生间隙放电，造成本次故障。

图5 颗粒物仿真计算

结合后续开展的5011 A相和5012 C相断路器的现场开盖检查情况，分析5012 A相断路器放电异物来源可能有以下两个方面。一是因静主触头变形，动、静主触头在操作过程中异常摩擦，造成动主触头镀银层脱落。动触头为铍青铜材质，表面镀50 μm的银层。从5012 A相断路器动主触头镀银层挤压痕迹和静主触头变形位置可判断，动触头镀银面损坏是由于静触头触指向内变形，造成断路器合闸冲击过大，导致动触头表面镀银层挤压。但根据断路器内部气流仿真可见，即使动触头磨损有异物脱落，应大概率被吹向静侧屏蔽内部或受重力作用掉入下方的粒子捕捉器中，掉落在机构侧壳体上的可能性较小。因此，放电异物来源为动主触头镀银层脱落的可能性较小[2]。二是厂内装配及试验过程中存留金属碎屑。组合电器在厂内装配及机械试验过程中将会产生金属碎屑，要求在设备出厂前清理干净。若工厂人员清理不彻底，将会导致金属异物留存在屏蔽罩或螺钉缝隙等处，且在厂内绝缘试验中无法有效发现。设备运行过程中，此类留存的金属异物在断路器分合操作和电磁场的作用下位置会发生改变，移动至屏蔽罩与壳体之间绝缘薄弱位置，最终导致屏蔽罩对壳体放电[3-5]。因此，放电异物来源为厂内装配及试验过程中存留金属碎屑的可能性较大。

4 结 论

针对运行HGIS金属碎屑放电故障较为多发的情况，对新投运设备加大超声波和特高频局放等带电检测技术的应用力度。后续工作将重点关注此型号断路器屏蔽罩与壳体位置处有无局放信号，若有异常信号应及时判定危险程度并按需停电检修。