特高压组合电器运行状况和典型故障分析

马慧敏，张星宇，戴雨薇，刘文斌

（国网内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，呼和浩特010010）

0 引言

组合电器因结构紧凑、运行可靠，适应性强且易维护等诸多优点[1]，在电网建设中被广泛采用。当组合电器运行年限较长时，也会出现较多问题，例如，因组合电器内部隐患不易检测，发生故障后，故障位置和原因都较难判断；故障检修时的停电范围比常规敞开式电器设备要大，解体检查、检修耗时也较长[2]。本文通过对国家电网公司特高压组合电器2020年底前的运行故障进行了统计分析，从质量提升、防范异物、强化运维、缺陷整改等方面给出了相关建议。

1 国家电网公司特高压组合电器投运状况

高压组合电器通常指封闭式高压组合电器，即气体绝缘金属封闭式开关设备（Gas Insulated Metal⁃enclosed Switchgear，GIS），其将断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、连接母线、套管以及电缆终端等各种电气设备，按照变电设备一次系统图，合理组合存放在全封闭的金属壳体内实现电气功能[2-4]。

截至2020年底，国家电网公司在运特高压组合电器共416个间隔，分布于天津、河北、冀北、山西、山东、上海、江苏、浙江、安徽、福建、湖北、河南、蒙东和陕西共计14个省公司，其中山东、江苏、浙江的装用量居前。

按照特高压组合电器制造厂统计，平高电气股份有限公司（以下简称平高电气）、新东北电气集团有限公司（以下简称新东北电气）、西电开关电气有限公司（以下简称西开电气）装用量占前三位（分别占总装用量46.0%、24.4%，23.6%），山东电工电气日立高压开关有限公司（以下简称山东日立）装用量较少，约占6%。

2 特高压组合电器故障分析

根据国家电网公司设备（资产）运维精益管理系统提供的数据，截至2020年底，国家电网公司特高压组合电器最长投运年限已达12年，期间共发生故障16起（均为放电类型故障），总故障率高达0.44次/（百间隔·年），明显高于其他电压等级，如图1所示。

图1 各电压等级故障率统计

内部放电故障是组合电器的主要故障类型之一，组合电器在制造、运输及安装过程中，由于制造工艺、碰撞及安装、检查不到位等因素，会造成部件损伤或内部留有杂质，设备运行中容易引发放电现象[2]。

2.1 故障率及故障类型

据运维精益管理系统统计资料，各制造厂设备的故障统计情况见表1（暂无山东日立数据）。

表1 不同制造厂设备故障率统计

除技术差异及关键组部件质量差异，各制造厂产品的故障类型表现各异，其中平高电气设备主要为内置式电流互感器（TA）单元盆式绝缘子表面异物放电；西开电气设备主要为合闸电阻气室水平盆式绝缘子表面异物放电；新东北电气设备主要为关键绝缘件内部存在缺陷。

2.2 故障部位

国家电网公司特高压组合电器发生故障的部位主要集中在断路器单元、隔接单元、母线单元及TA单元等部件上，如表2所示。断路器为组合电器的重要部件，其单元结构复杂，动作频繁，故障次数也最多。

表2 故障部位统计

2.3 故障原因分类

国家电网特高压组合电器的主要故障类型为放电故障，原因主要有存在异物，绝缘件内部有缺陷，合闸电阻分闸卡涩未到位烧毁，断路器静弧触头松动及导体安装工艺不良发热烧融等，统计结果见表3。

表3 故障原因类型统计

由表3可见，特高压组合电器绝缘件内部及外部（绝缘拉杆、盆式绝缘子、支撑绝缘子）问题引发的故障占比最高，达到81.3%。主要原因有：

（1）特高压组合电器工厂装配及现场安装管控不佳，防尘等防护措施落实不到位[5]，导致异物留存在隐秘部位，设备投入运行后在电场和机械振动作用下，异物掉落至绝缘件表面引起放电[1]。

（2）特高压组合电器绝缘件的检测技术水平不高，管理不到位，绝缘件内部缺陷检出率不高，设备长期带电运行后易出现绝缘件局部放电情况，最终导致绝缘击穿。

3 典型故障案例

3.1 内置TA盆式绝缘子放电

3.1.1 故障现象

某特高压站断路器TA气室放电，导致母线和主变压器失电，故障GIS为ZF27-1100型。解体检查后发现，因TA气室存在异物引起气隙放电，最终发展至断路器侧盆式绝缘子表面放电，图2为TA气室及盆式绝缘子表面放电痕迹。

图2 TA气室及盆式绝缘子放电痕迹

3.1.2 原因分析及建议

内置式TA屏蔽筒与线圈间存在缝隙，容易残留异物；线圈与绝缘板层间也容易残余异物，且不易清理，均易引发放电故障。建议如下：

（1）在TA制造过程中，针对可能产生及残留异物的环节制定相应措施。

（2）在TA壳体装配后、吸附剂及接线座装配前，增加N2吹拂工艺，清除TA线圈及壳体空间内的残留异物。

（3）推进1000 kV外置式TA的研制工作，使气室结极等同于母线筒体结极。

3.2 GIS水平盆式绝缘子放电

3.2.1 故障现象

某特高压站开关U相合闸电阻开关气室故障（LW-1100型GIS设备），合闸电阻机极侧气室内发生两次放电。第一次为由水平盆式绝缘子表面积聚异物引起沿面放电，第二次为线路重合后静触头屏蔽罩放电。图3为绝缘子表面放电痕迹。

图3 绝缘子表面放电痕迹

3.2.2 原因分析及建议

由于水平盆式绝缘子表面易积聚异物而引起沿面放电，设备运行过程中在电场和机械振动作用下，异物移动掉落、积聚在绝缘子表面，从而发生放电现象，此类故障曾发生多起。针对此类故障，提出以下建议：

（1）在新建/扩建工程的设计、设备招标时，应尽量避免采用特高压GIS盆式绝缘子水平布置方式。

（2）对有类似结极的特高压GIS，应加强日常巡检，定期开展局部放电在线监测和带电检测。

3.3 GIS内部支撑绝缘子放电

3.3.1 故障现象

在对某特高压站的GIS设备进行带电检测时，利用超高频局放检测仪检测到某间隔三维谱图（PRPS图谱）具有明显放电特征（见图4），其他部位正常，经定位分析确定放电位置为某断路器仓。通过检查断路器仓，发现断路器支撑绝缘子表面存在两条气泡线，经X光检测和车床切割，发现绝缘子内部存在较大尺寸的气泡缺陷，两个不规则气泡孔洞长约26 mm。

图4 超高频放电现象三维波形图

3.3.2 原因分析及建议

断路器支撑盆式绝缘子出厂前开展了热性能试验、压力试验和密封试验，额定短时工频耐压试验、局放试验，随工装产品进行了绝缘试验等型式试验。核查发现，故障处盆式绝缘子未进行X射线探伤试验，而现场交接试验通常不进行X射线探伤试验。建议如下：

（1）绝缘件需严格按照《国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施》进行出厂试验，GIS内部绝缘件应逐只进行X射线探伤试验、工频耐压试验和局部放电试验，局部放电量应不大于3 pC[6]。

（2）追溯同一厂家其余盆式绝缘子出厂试验报告，检查是否按照规定开展了X射线探伤试验；对于存在同样情况的盆式绝缘子，建议进行现场X射线探伤试验排查隐患。

4 故障治理措施

（1）产品质量提升方面，各制造厂家应根据各自设备故障情况，针对性地开展特高压组合电器及其关键组件、部件的质量提升工作。

（2）到货验收方面，需严格把控产品验收环节，认真追溯产品出厂试验情况和出厂监造情况。

（3）防范异物方面，应严格制订微粒放电防范措施（如增大绝缘件异物耐受裕度、加装微粒陷阱），开展有效的绝缘和老练试验，加强微粒放电检测预警手段[7-12]。封闭式组合电器内部的自由微粒主要来源于设备安装现场的外界环境，在安装设备过程中安装人员应按照要求统一着装，严格把控所使用的工器具；安装人员应熟练操作，最大化地减少设备在空气中的暴露时间[8-13]。

（4）强化运维方面，运维单位应加强对断路器气室等故障多发部位的巡视、维护、停电检修试验检测和带电检测。

（5）隐患消除方面，运维单位应协同相关制造厂加强隐患预防及缺陷的整改治理工作，避免水平布置盆式绝缘子、防止断路器静弧触头松动等[14-18]。

5 结语

为确保电网安全、稳定运行，组合电器投入运行后的故障分析和缺陷治理尤为重要。本文针对2020年年底前国家电网公司特高压组合电器运行故障情况，统计分析了故障率、故障部位、故障原因等情况，并提出了相应的治理措施，供相关技术人员解决类似问题时参考。