某特高压换流站1 000 kV GIS气室局放异常分析

李红军, 李 奇, 申 凯, 桂学祥, 李 旺, 杜 昊, 王春阳

(国网安徽省电力有限公司超高压分公司, 安徽 合肥 230022)

0 引言

GIS(Gas Insulated Switchgear)是运行可靠性高、维护工作量少、检修周期长的高压电气设备，其故障率只有常规设备的20%～40%[1-3]。GIS的全密封结构使故障的定位、检修比较困难，检修工作繁杂。事故后平均停电检修时间比常规设备长，且停电范围大[4-8]。GIS设备在运行过程中，最常见的故障情况是气体泄漏。一旦六氟化硫(SF6)气体受到了局部放电、火花的影响，会分解出高毒性的二氧化硫、四氟化硅等气体，会造成工作人员中毒，产生头晕、窒息等症状，给整个换流站的安全运行带来严重后果[9-15]。因此，充分利用GIS气室局放监测手段，及时发现设备的不安全因素，分析其运行中的故障原因，做好防范措施对保障换流站安全稳定运行至关重要；对保障运行、检修人员人身安全具有重要意义。文章以某特高压换流站1 000 kV T033A相气室超声波异常信号，且信号具有振动为例，对故障断路器进行生产过程排查、局放试验、解体等检查，发现故障相开关气室内部静侧屏蔽罩上螺栓孔附近存在裂纹，且内部有异物，对屏蔽罩和异物收集分析，提出整改方案，极大地提高了GIS的安全性能。

1 事件过程

1.1 事件过程

2019年9月29日至10月8日，某换流站在对1 000 kV GIS进行T033A相断路器超声波和特高频带电检测的过程中，检测到超声波异常信号，超声波信号最大位置为开关操作机构盖板处，幅值为16.95 mV，背景幅值为1.58 mV，连续模式下50 Hz/100 Hz频率存在相关性。相位模式下，点分布呈现竖条状，具备工频振动特征。特高频检测无异常，运维人员缩短检测周期，均检测到超声波异常信号，判断超声波检测信号为振动信号。

1.2 生产过程排查

对该断路器的厂内装配过程和出厂试验进行排查。该断路器于2017年1月完成厂内装配与出厂试验，厂内装配过程中未见异常，出厂试验也一次通过，局放测量分闸状态为2.2 pC，合闸状态为2 pC。

2 局放试验和解体检查

2020年3月30日对该断路器进行开盖检查，发现其内部静侧屏蔽罩的2处螺栓孔附近存在裂纹，如图1所示。由于现场不具备更换屏蔽罩的条件，整体更换了该断路器。为了分析屏蔽罩开裂的原因，将更换下的断路器返厂后解体检查。

图1 静侧屏蔽罩裂纹

2.1 局放试验

返厂后，直接对接在试验变压器上，抽真空后充至0.58 MPa，进行耐压和局放试验，整个加压过程进行超声波和特高频局放检测，均未见异常，检测结果如图2所示。

图2 超声波和特高频检测结果

2.2 解体检查

T033A为不带电阻断路器，灭弧室为四端口形式，通过动静两侧的绝缘筒支撑，动静侧隔盆对灭弧室无支撑作用，具体如图3所示。断路器的解体大致分为5步，具体如图4所示[16-18]。

图3 断路器结构

图4 断路器解体步骤

1)将断路器动静两侧盆子和触头单元拆下后，发现静侧两个屏蔽罩之间有间隙，顶部的间隙最大，如图5所示。

图5 静侧屏蔽罩间隙

2)将灭弧室连同轴封盖板拆除后，可以较为直观地看到静侧屏蔽罩的情况，除12点钟和10点钟方向的螺栓附近有裂纹外，6点钟方向的螺栓脱落，掉落在屏蔽罩底部，螺栓表面几乎无紧固胶痕迹，如图6所示。该螺栓在现场开盖检查时松动但并未脱落，本次脱落应为返厂运输过程中振动导致。

图6 初步观察屏蔽情况

3)将静侧屏蔽罩连同静侧盖板拆下后，可以清楚看到裂纹屏蔽罩的情况，如图7所示。用手对螺栓紧固情况初步检查，发现除脱落的螺栓之外，4点钟和8点钟方向的螺栓也有松动。

图7 螺栓检查

4)工艺文件中，要求固定屏蔽罩的6个螺栓的紧固力矩为13 N·m。对螺栓的紧固情况依次检查后拆下，螺栓拆下后发现6点钟和8点钟方向的屏蔽罩孔附近也有裂纹，检查结果见表1。

表1 螺栓紧固情况

由表1可以看出，T033A断路器问题应该是装配人员螺纹锁固剂涂敷不当导致，螺栓紧固力矩不符合规定应为个性问题。

5)螺栓拆除后，如图8所示，将2个屏蔽罩和绝缘筒分离，此时可以观察到裂纹屏蔽罩相邻的屏蔽罩1表面没有裂纹。发现裂纹屏蔽罩内部有粉末状异物(1号样品)，静侧绝缘筒法兰螺纹孔周围有黑色物质(2号样品)，静侧绝缘筒法兰凸台有黑色物质(3号样品)。

图8 拆除屏蔽罩

3 屏蔽罩和异物收集分析

3.1 屏蔽罩成分分析

T033A断路器裂纹屏蔽罩的材质牌号为1050A-O，对其进行直读光谱分析成分，结果如表2所示，材质符合GB/T 3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》对该材料的技术要求[19-21]。

表2 直读光谱分析成分

3.2 屏蔽罩裂纹处断口分析

将裂纹屏蔽罩取下，进行扫描电镜断口形貌分析。扫描电镜下初步观察的结果为应力集中导致的裂纹，屏蔽罩下半部分4点钟、6点钟和8点钟方向螺栓松动后，上半部分的屏蔽罩圆孔处受力异常导致屏蔽罩产生裂纹。

3.3 异物收集分析

对收集的异物进行扫描电镜能谱分析，本次分析3个试样，分别为从屏蔽罩内部收集的粉末状异物(1号样品)，静侧绝缘筒法兰螺纹孔周围收集的黑色物质(2号样品)，静侧绝缘筒法兰凸台周边收集的粉状黑色物质(3号样品)，位置如图8所示。

经扫描电镜能谱分析元素成分结果显示，1号样品主要为金属铝颗粒，有少量铁、氟、硫、磷等元素，部分区域附有奥氏体不锈钢元素成分，图谱如图9所示。金属铝颗粒来自铝制法兰或屏蔽罩，铁和奥氏体不锈钢元素成分来自不锈钢垫圈和磷化螺栓，极少量氟、硫、元素可能为灭弧室开断SF6分解物产生。

图9 1号样品图谱

2号样品外观为黑色颗粒或片状粉末，红外分析无明显吸收峰，能谱分析结果主要元素为氧、碳和铝，并含少量铁、氟、硫等元素，图谱见图10。除了与1号样品有相似的特质外，还存在有机物碳化物质，应来自螺纹锁固剂。

图10 2号样品图谱

3号样品为黑色粉末，其成分分析结果与2号样品基本一致，图谱如图11所示。

图11 3号样品图谱

通过对屏蔽罩的材质分析，可以判断本次屏蔽罩开裂并非材料原因，认为断路器屏蔽罩开裂主要原因是屏蔽罩紧固螺栓松动，屏蔽罩受力不均匀，导致屏蔽罩安装孔附近金属疲劳开裂。螺栓松动原因是装配人员螺纹锁固剂涂敷不规范、螺栓紧固力矩不符合要求。

4 改进措施

断路器灭弧室静侧绝缘筒后的2个屏蔽罩，通过6个M8螺栓一同固定在静侧绝缘筒的法兰上。静侧绝缘筒法兰外径已固定，因此无法通过增加螺栓尺寸和优化螺纹孔位置的方式加强屏蔽罩的固定结构，如图12所示。

图12 断路器静侧屏蔽罩附近结构

针对上述情况，做出如下改进措施：

(1)将灭弧室支撑工装从检修人孔放入断路器壳体内部，对灭弧室进行可靠支撑；

(2)拆除静侧屏蔽罩紧固螺钉，将固定孔开裂的屏蔽罩更换为新屏蔽罩；

(3)为解决螺栓松动问题，将屏蔽罩紧固螺栓处垫圈更换为外径增大的特殊垫圈，然后对螺钉点胶紧固，如图13所示。

图13 更换外径增大的特殊垫圈

采用特殊垫圈的样机完成了6次、累计84 min的振动试验。试验过程中及试验结束后，螺钉的紧固标识均未发生变化。整个振动试验结束后，对屏蔽罩拆解进行了检查，屏蔽罩状态正常，紧固螺栓垫圈压接处有轻微压痕，安装孔未出现裂纹。

4.1 现场工频耐压试验和局放试验

图14 主回路绝缘试验加压程序

结果如表3所示，试验合格，表明改进后的方案可行。运维人员利用在线监测及带电检测手段对该断路器气室定期跟踪，设备运行平稳，安全稳定性有极大提升，能为GIS设备的生产及改造提供参考。

表3 试验过程及结果

5 结语

文章以GIS气室局放异常开展分析，以某特高压换流站T033开关A相为例，对该断路器进行生产过程排查、局放试验、解体等检查，分析异常原因，提出整改方案，提升设备可靠性，得出以下结论。

(1)强化螺栓紧固管理，装配工艺标准化，在螺纹锁固剂涂抹应严格、规范，螺栓表面紧固剂量要使用量适当；

(2)优化屏蔽罩强度，将屏蔽罩紧固螺钉处垫圈更换为外径增大的特殊垫圈，提高静侧屏蔽的紧固效果；

(3)振动模拟试验，验证了断路器静侧屏蔽罩正常装配结构是可靠的，改进后结构通过加压试验，提高了螺钉紧固的可靠性。