一起220 kVGI S设备故障分析与运维策略研究

黄芷寓 魏嘉隆

（广东电网有限责任公司珠海供电局，广东珠海 519000）

0 引言

随着城市的发展与电气设备技术的更新迭代，越来越多的城市变电站采用GIS（Gas Insulated Switchgear）设备作为建站方案。相比于传统的敞开式变电站，GIS变电站设备布局更紧凑，占地面积更小，抗灾能力更强，设备故障率更低。然而，由于GIS设备结构复杂，一旦发生故障其影响范围更大，故障排查难度也更高，因而对设备运维人员的技术技能水平提出了更高的要求[1]。

本文重点研究了某220 kV GIS变电站发生的一起设备故障事件经过，分析了设备故障的排查过程与故障表象背后的原因，最后针对该类故障提出了GIS设备运维策略的改进方案。

1 事件经过

如图1所示，某220 kV GIS变电站采用双母线接线方式，站内共有2个主变间隔、4个线路间隔、1个母联开关间隔。正常运行方式下，母联2012开关合位，220 kV 1M、2M并列运行，#1主变变高2201开关、电厂甲线2988开关、变电站甲线4398开关挂1M母线运行，#2主变变高2202开关、电厂乙线2989开关、变电站乙线4399开关挂2M母线运行，#1主变220 kV侧中性点接地。

图1 220 kV GIS变电站主接线

某日11：51，变电站综自系统报警。运行人员检查发现220 kV母差保护A套设备与B套设备同时出现差流越限告警信号，其中大差电流为0，母线小差电流C相差流二次测量值达0.08 A（0.06 A报警），其余两相差流为0 A。同时母差保护屏出现“C相母联TA断线”告警，如图2所示，在主控室后台监控机母联2012开关间隔图上发现2012开关A相电流为280 A，B相电流为285 A，C相电流为69 A。母差保护未动作，未造成负荷损失。

图2 220 kV母差保护告警报文

2 故障排查

情况上报后，该供电局变电管理所立即组织各专业班组对该220 kV变电站GIS设备进行外观检查、红外测试、局放测试等工作，均未发现明显异常。

根据母差保护屏告警信号与母联2012开关电流的监测数据，为查明母联2012开关间隔有无故障存在，20：02由广东中调断开了2012开关，发现母联2012开关三相电流为0，电厂甲线2988开关、变电站甲线4398开关、电厂乙线2989开关、变电站乙线4399开关三相电流都出现了不平衡现象，并且4条线路间隔C相电流的幅值与A、B两相有明显区别，#1主变变高2201开关、#2主变变高2202开关三相电流基本对称，如表1所示。

表1 主变与线路电流二次测量值

经数据分析发现，电厂甲线CT测量电流+电厂乙线CT测量电流矢量和三相基本对称，变电站甲线CT测量电流+变电站乙线CT测量电流矢量和三相基本对称，如表2所示。

表2 线路电流二次测量值矢量和

另外，在母联2012开关断开的同时，220 kV母差保护A套设备与B套设备仍有告警，且两套保护小差差流C相均有越限。该供电局变电继保班对母差保护涉及的所有间隔电流矢量进行了六角图测试，并将场地GIS刀闸拐臂指示与母线保护装置上的位置指示进行了比对，发现保护装置的采样数据与实测数据吻合，保护装置刀闸指示位置与现场实际吻合，两条220 kV母线均有小差差流，大小相等、方向相反。至此，根据上述现象，初步怀疑两条220 kV GIS母线内部有导体跨接现象，跨接导体上的电流不经过电流互感器，因此造成了母线小差差流大小相等、方向相反的现象。

为进一步求证该变电站两条220 kV GIS母线内部是否存在导体跨接，次日凌晨该变电站经中调许可后陆续将#2主变变高2202开关、变电站乙线4399开关、电厂乙线2989开关断开，将220 kV 2M母线由运行转热备用，断开了220 kV 2M母线222PT低压侧二次空开，同时在222PT低压侧二次空开上端测量发现220 kV 2M母线C相电压仍然存在，至此可以基本判定在两条220 kV GIS母线C相内部有导体跨接。

调取设备运行记录发现，该变电站母联2012开关电流历史上共出现过3次不平衡的情况：第1次出现于电厂甲线2988开关、电厂乙线2989开关在保护更换工作结束后进行启动倒母时，第2次出现于电厂甲线停电期间，第3次出现于电厂乙线停电期间。因此，可将母线内部跨接位置基本锁定在电厂甲线2988开关间隔、电厂乙线2989开关间隔内，而GIS母线筒常年密封，因此该跨接现象极有可能是相关间隔内靠母线侧的两把刀闸同时合上导致的[2-3]。

次日上午，对GIS设备外观进行检查，未发现GIS设备外观明显异常，电厂甲线2988开关间隔、电厂乙线2989开关间隔的母线侧刀闸现场指示均在相应位置。次日下午，该供电局变电管理所组织了专业外委团队对变电站各个间隔母线侧刀闸开展X射线检测工作，发现电厂乙线29891刀闸C相未正常分开，与其外部指示不一致，如图3所示。

图3 GIS刀闸X光射线检查结果

日后对电厂乙线29891刀闸C相开展解体工作时发现，29891刀闸C相绝缘传动杆与内拐臂连接夹件连接处松脱，导致刀闸无法分闸，刀闸绝缘拉杆与内拐臂连接夹件的陷入深度不到位，如图4所示。

图4 GIS刀闸拐臂解体检查结果

3 原因分析

本次故障中刀闸拐臂故障跨接两段母线，造成了母差保护告警、三相电流不平衡等一系列现象。研究分析这些现象产生的原因有助于更全面地把握此类故障特点，为后续做好设备故障预案，改进现有运维策略方案提供理论基础。

3.1 母联开关合位时现象分析

图5所示为包含电厂乙线刀闸拐臂故障跨接时的GIS站原运行方式，其中母联2012开关在合闸位置，设备故障点可以用一个连接两段母线C相的金属导体表示，设其流过电流为I8，参考方向如图所示。其余主变、线路与母联支路的电流参考方向与CT极性也如图标注。以220 kV 1M母线C相为对象，对其列写KCL方程可得：|I1c+I2c+I3c+I8c-I7c|=0。

图5 GIS刀闸拐臂跨接示意图

实际上220 kV 1M小差电流值取的是各线路、主变与母联间隔的电流互感器测量值之和，即Id1M=|I1c+I2c+I3c-I7c|≠0。对于220 kV 2M母线，其小差电流取值为Id2M=|I4c+I5c+I6c+I7c|≠0，因而两套母差保护同时发出差流越限告警，其差流值即为跨接导体分流电流的二次归算值。

从图6可以看出，在母联开关合位的情况下，跨接导体的作用仅是简单对母联开关C相电流进行了分流，两段母线三相仍是等电位情况，因而不会影响母线以外的潮流分布情况，主变、线路间隔的电流分布以及三相不平衡度与无跨接导体时的情况类似。母差保护大差电流值的采样计算量为Id=|I1+I2+I3+I4+I5+I6|=0，不受母线内部跨接情况影响，因而大差电流为0。以南瑞继保PCS-915A型220 kV母差保护装置为例，当大差电流小于CT断线告警定值，两个小差电流均大于CT断线告警定值时，延时5 s报母联CT异常报警，而母差保护动作判据中包括大差比率差动元件、电流突变量启动元件以及复压闭锁母差保护元件等动作条件，因而不会误动[4]。

图6 母联开关分流示意图

3.2 母联开关分位时现象分析

在广东中调断开GIS变电站的母联2012开关后，引发了电厂甲线2988、变电站甲线4398、电厂乙线2989、变电站乙线4399共4条线路电流三相不平衡的情况，且由当时记录的电流幅值与相角数据来看，不平衡电流主要发生在C相，说明刀闸拐臂C相跨接对4条线路的潮流分布都产生了明显影响。另外，GIS变电站内#1主变、#2主变在母联2012开关断开前后三相电流仍能基本保持平衡，电厂甲线2988与电厂乙线2989的电流矢量和基本三相平衡，变电站甲线4398与变电站乙线4399的电流矢量和也基本三相平衡，说明了将电厂甲线2988与电厂乙线2989视为一个整体时，刀闸故障引起的GIS母线内部跨接并未对整体电网结构产生影响，同理对变电站甲线4398与变电站乙线4399组成的整体也是如此。为更好地说明分析其中原因，现将以发电厂、该GIS变电站与另一相连接变电站组成的局部电网结构图重画于图7。

图7 局部电网拓扑结构

由于刀闸拐臂故障主要影响的是电网C相的潮流分布，图中也仅以C相网络为研究对象，另外A、B两相的局部网络图与C相类似，区别仅在于GIS站内分相母线间是否有跨接导体。局部网络左侧的电源端为某火力发电厂，该厂的发电机通过升压变连接到厂内220 kV 1M母线、220 kV 2M母线，正常运行方式下母联开关合位，两段母线并列运行。Z（2988）与Z（2989）分别为电厂甲线、电厂乙线的等效线路阻抗。Z（4398）与Z（4399）分别为变电站甲线、变电站乙线的等效线路阻抗。GIS变电站刀闸C相拐臂双跨以一等效小阻抗Z表示，将GIS站内220 kV 1M母线与2M母线相连，由于电气距离较近，阻抗Z数值远小于线路阻抗数值。与GIS变电站相连的另一侧变电站220 kV 1M母线、220 kV 2M并列运行，对应母联开关在合位。

从图7中可以看出，C相网络在刀闸跨接后成为“H”型局部网络，与没有跨接阻抗Z的A、B两相网络有明显差别。在实际工程中，电厂甲线等效线路阻抗Z（2988）与电厂乙线等效线路阻抗Z（2989）多少有些差别，同样变电站甲线线路阻抗Z（4398）与变电站乙线线路阻抗Z（4398）也不完全相等，GIS变电站内#1主变与#2主变对母线处的等效负荷阻抗也不一致，因此站内220 kV 1M母线C相与220 kV 2M母线C相在母联2012开关断开后形成了一定的电位差，这个电位差加在跨接阻抗Z上就形成了分流电流I跨，I跨电流的分流效应使得I2988、I2989、I4398、I4399这4条线路电流分布发生了变化，因而也就使4条线路产生了三相电流不平衡的现象。对于两段母线上的主变支路电流I#1、I#2而言，其电流幅值与相角主要取决于主变所带负荷。变电站主变基本上都属于降压变压器，从220 kV输电网吸取功率，向变中110 kV电网以及变低10 kV电网输送功率，110 kV电网与10 kV电网作为负荷侧开环运行。因此，只要负荷侧吸收功率不变，主变电流I#1、I#2就基本不变。C相跨接阻抗仅影响主变电流的供给来源，例如在没有跨接故障时，#1主变C相电流由电厂甲线2988与变电站甲线4398两条线路C相电流提供，在出现跨接故障后，#1主变C相电流由电厂甲线2988、变电站甲线4398两条线路C相以及母线C相跨接电流I跨提供，但跨接前后只要#1主变C相负荷基本不变，主变C相电流I#1就基本不变，在电网结构中可视作由负荷决定的等效电流源。

第二个问题，在220 kV GIS站母联2012开关断开后，电厂甲线2988与电厂乙线2989的电流矢量和基本三相平衡，变电站甲线4398与变电站乙线4399的电流矢量和也基本三相平衡，从图7可以看出电厂甲线2988与电厂乙线2989的电流和即为I总，在将GIS站主变视作电流源的条件下，I总的变化取决于整个外部局部网络等效阻抗的变化，I总在刀闸跨接后仍能保持三相平衡，说明刀闸跨接对整个局部网络等效阻抗的影响不大。实际上，由于Z（2988）、Z（2989）、Z（4398）、Z（4399）比跨接阻抗Z要大得多，且由于是同塔架设的双回线路，其阻抗比基本相等，即Z（2988）:Z（4398）≈Z（2989）:Z（4399）。在站内母联开关断开后且没有故障刀闸跨接时，根据电桥理论，220 kV GIS站内两段母线近似于等电位点（其微小电位差仅在分析跨接刀闸对内部的分流作用时考虑），虽然刀闸故障跨接使220 kV C相母线电位进一步趋同，但对于整个局部网络构成的等效阻抗来说，这种作用是不明显的，因此A、B两相局部网络与有刀闸故障的C相局部网络对外等效阻抗基本一致，发电厂甲、乙线电流之和I总三相电流也就基本平衡。

4 运维策略

本起由GIS刀闸拐臂夹件松脱而造成不同母线跨接的故障，引发了保护告警、三相电流不平衡等现象，会对调度监盘造成干扰，也可能影响到保护动作的逻辑与正确性[5]。再者，当一段母线需要停电检修时，故障跨接会使该段母线在所有母线刀闸拉开后仍然带电，存在母线带电合地刀的风险，并由此造成设备损失，同时会导致运行中的母线对应母差保护动作，造成220 kV变电站失压以及负荷损失的严重后果。因此，针对该类型故障特点，有必要提出新的运维策略，以降低电网运行风险，保障设备安全稳定运行。

（1）加强新设备投运前的监造验收管理。在GIS设备出厂监造时，应重点加强对刀闸拐臂绝缘连杆与夹件的检查，确保绝缘连杆六方头试验合格，与夹件配合良好，紧固螺丝力矩合格，外露螺纹在要求范围内，拐臂传动试验合格并现场拍照留作记录。

（2）修编运行规程与典型操作票库。凡是涉及GIS母线倒闸的操作，在操作前应检查母联三相电流相对平衡且大小正常，并且在母差保护屏上检查无差流越限及CT断线信号，将小差电流值记录下来。操作后应检查母联三相电流的变化情况以及三相电流平衡情况，同时在母差屏上检查是否有差流越限及CT断线信号，确认小差电流值正常。在母线停电操作中，断开母联开关将母线转冷备用后，应合上母线PT一次刀闸，并在PT二次空开处测量母线电压是否为0，在确保母线实际无压后才可将母线接地转检修。

（3）修编巡视作业指导书。在GIS变电站巡视作业指导书中加入检查母联三相电流以及检查母差保护屏有无异常告警信号的步骤，确保运维人员能够及时发现设备隐患，降低电网安全风险。

5 结语

本文研究了一起由GIS设备刀闸拐臂故障造成的母线双跨事件，分析了在故障排查过程中出现保护告警与电流不平衡现象的原因，最后根据此类故障的特点，提出了运维策略的相应改进方案，通过加强设备出厂监造管控，检查母联电流与母差保护装置信号能够有效规避此类设备故障风险，提高电网运行的安全性。