隔离开关合闸不到位引起GIS放电故障的原因分析

张丕沛，李 杰，汪 鹏

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

相对于敞开式隔离开关，用于GIS 设备的隔离开关具有的绝缘性能强、维护工作少、检修周期长等优点［1-3］。然而GIS 隔离开关的拐臂、连杆等传动机构长期暴露在空气中，可能由于锈蚀、卡涩等原因导致隔离开关分合闸不到位，且隔离开关动、静触头密封在GIS 壳体内部，难以直接判断触头的真实接触情况，若继续带电运行则极有可能发展为跳闸事故［4-6］。

文献［7-9］介绍了几起GIS 故障案例，通过解体检查判断故障原因为传动机构卡涩引起的隔离开关分合闸不到位，带电后动、静触头间接触不良、发热烧熔，进而导致放电击穿，但都缺少对故障过程的还原及验证过程；文献［10-12］建立了梅花触头的仿真模型，通过增大触头触指间接触电阻的方式来模拟发热过程，但整个仿真分析过程偏向于定性研究，接触电阻的取值缺少理论及试验支撑。

本文介绍了一起隔离开关合闸不到位引起的GIS 放电故障，通过现场测试与解体检查，对故障过程及原因进行了分析，并进一步结合理论分析及仿真计算，对故障过程进行还原，验证分析结果的正确性。

1 故障概况

2019 年11 月8 日，220 kV 某变电站220 kV 211间隔在送电合环6 s后，线路差动保护动作，C相接地短路。经现场检查，211-3 隔离开关C 相气室内部存在放电分解物，判断为故障气室。211 间隔外观如图1所示。

图1 211间隔外观

该站220 kV组合电器为2007年2月投运。211-3隔离开关为电动弹簧机构，传动方式为单机构三相联动拐臂连接，机构在C 相侧，分合闸指示在A、B 相间。211-3隔离开关结构如图2所示。

图2 211-3隔离开关结构

2 现场检查情况

现场检查211-3 隔离开关外观，发现隔离开关三相连杆传动部分有明显锈蚀，如图3所示。

图3 隔离开关三相连杆锈蚀

检查隔离开关齿轮轴中心距及连杆长度，检查结果如图4 所示。现场A、B 相之间连杆长度为699 mm、轴中心距为698 mm，B、C 相之间连杆长度为706 mm、轴中心距为707 mm，满足“轴的中心距离与连杆长度的误差应控制在±2 mm 范围内”的出厂要求。

图4 隔离开关齿轮轴中心距及连杆长度

利用隔离开关机械特性测试仪，对211-3 隔离开关合闸角度、合闸超程测量10次。结果见表1。

表1 211-3隔离开关机械特性测试数据

根据合闸机械特性试验数据可以看出，211-3隔离开关的合闸角度及三相合闸超程均未达到标准值（合闸角度（80±2）°，合闸超程25.5 mm）要求，且数据波动性较大，第2 次试验数据值最小；同时C 相超程明显小于另外两相，最小仅为8.66 mm。

3 解体检查情况

对故障相C 相进行解体检查，发现壳体内部存在大量粉尘，静触头屏蔽罩及罐体底部对应位置存在明显放电烧蚀痕迹，触头及触指烧蚀严重，如图5所示，初步判断静触头屏蔽罩对壳体放电。

图5 放电位置烧蚀情况

内部绝缘拉杆、盆式绝缘子表面有粉尘，经擦拭后，表面光滑，没有表面爬电和击穿情况。绝缘件检查情况如图6所示。

图6 绝缘件检查情况

4 原因分析

综合检查情况，211-3 隔离开关机构输出轴、拐臂、连杆等存在严重锈蚀，10次机械特性试验中合闸超程均不满足要求，且C 相超程明显低于另外两相，最小仅为8.66 mm。结合触头与触指具体尺寸，此时C相动触头位于刚合点位置附近，如图7 所示。此时动静触头处于虚接状态。且211-3隔离开关已运行超过10 年，超过3 年没有进行分合闸操作，因此故障前合闸操作时的阻力更大，C相的超程甚至小于8.66 mm。

图7 刚合点位置

因此，判断故障原因为：211-3 隔离开关传动部分锈蚀卡涩，输出轴、连杆、拐臂之间摩擦阻力增大，机械特性已不满足要求，且C 相合闸超程下降最严重。合闸操作后三相均未到位，其中C 相动、静触头处于虚接状态，合环后在负载电流的作用下，C 相动、静触头虚接烧蚀滴熔，滴落在屏蔽罩内部并熔出缺口，熔融物由缺口处滴落至壳体上。由于滴落过程缩短了屏蔽罩与壳体间的绝缘距离，因此进一步导致了屏蔽罩底部与壳体间发生击穿。

5 仿真验证

为进一步验证C 相合闸超程不足是否会导致烧熔、放电，继续对合闸超程不足时的接触电阻大小、以及由此引起的发热情况进行理论分析。

根据Holm 接触电阻表述，单个梅花触头结构的接触电阻Rj计算式为

式中：ρ1、ρ2分别为触头和触指的电阻率，Ω·m；ar为等效触点的接触半径，m，其表达式为

式中：R*为梅花触头结构的等效视在半径，m；E*为梅花触头结构的等效弹性模量，N/m2；Fj为触头与触指接触点的压力，N。以上3 个参数可以通过式（3）—式（5）计算［13-16］。

式中：R1、R2分别为触头、触指的几何半径，m；E1、E2分别为触头、触指的弹性模量，N/m2；K为抱紧弹簧的刚度系数，N/m；n为触指数量；D0、D1分别为触头插入前和插入后的弹簧中心线直径，m。

以表1 中合闸超程试验结果数值最小值8.66 mm 为例，结合式（1）—式（5）以及梅花触头结构的实际尺寸，计算得到相应的接触电阻为585 Ω，已远大于出厂值14 Ω。

为进一步研究接触电阻增大后，触头发热的严重程度，根据隔离开关的实际结构尺寸建立三维温度场仿真模型，如图8 所示。触头触指接触面附加一层宽度、厚度均为3 mm 的电阻膜，来模拟接触电阻，如图9 所示，通过调整电阻膜的电阻率使其电阻值与接触电阻相等。仿真得到故障瞬间的梅花触头结构的温度分布如图10 所示。触头触指接触位置的温度已达到1 141 ℃，远超过铜材质触头触指的熔点（约1 000 ℃）［17-20］。可见，在触头触指接触位置的温度足以导致触头触指的烧熔滴落，验证了对故障原因的分析。

图8 隔离开关仿真模型

图9 模拟接触电阻的电阻膜

图10 梅花触头结构的温度分布结果

6 结语

介绍了一起隔离开关合闸不到位引起的GIS 放电故障，解体发现触头触指烧蚀严重，放电通道为静触头屏蔽罩对壳体放电，现场机械特性试验发现隔离开关合闸超程不满足要求，且C 相明显低于其他两相，从而判断故障原因为隔离开关机构严重锈蚀导致合闸后动静触头虚接、烧熔、滴落，最终发展为屏蔽罩对壳体放电。

进一步以合闸超程试验结果最小值8.66 mm 为例，对合闸不到位时触头触指接触电阻大小及发热程度进行理论分析和仿真计算。结果显示，触头触指接触位置的温度已达到1 141℃，远超过铜材质触头触指的熔点，从而还原了故障过程，验证了故障原因分析的正确性。