GIS 典型故障案例原因分析及可靠性提升

赵 平，李金狮

（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山）

引言

气体绝缘金属封闭开关（GIS）是将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷以及母线等多种元件组合在一起的开关设备[1]，承担着电力系统负荷控制、安全保护的重任，其可靠性关系到电网的安全和供电的质量[2]。随着电网运行管理水平的提升，对GIS 的可靠性要求日益提高，少维护和无维护的呼声与日俱增[3]。本研究对GIS 设备在研发、制造和运行中出现的几起故障进行分析，总结了故障原因和设计经验，希望能够为初学者提供帮助。

1 典型故障原因分析及结构改进

1.1 屏蔽罩设计不良引发的绝缘支撑筒放电闪络

1.1.1 故障情况

2021 年某型号GIS 出厂试验中，共发生三次断路器绝缘支撑筒内壁沿面放电，放电通道贯穿整个绝缘筒，见图1。

图1 绝缘支撑筒沿面放电

1.1.2 原因分析

绝缘支撑筒两端设有金属嵌件，一端与外屏蔽和内屏蔽连接，运行时承受高电压，另一端固定在安装板上，运行时接地，外屏蔽、内屏蔽、绝缘筒高压嵌件、绝缘拉杆嵌件以及绝缘件沿面的电场强度互相影响[4]，设计结构见图2。

图2 产品结构

对放电的断路器进行解体检查，断路器内部洁净，无灰尘、金属屑等异物。绝缘筒表面光滑，无明显制造缺陷，X 射线探伤无异常，绝缘筒端部内、外金属屏蔽无毛刺。内屏蔽固定螺栓表面有轻微放电痕迹，放电原因可能是屏蔽罩处螺栓表面场强较大引起的放电。建立放电部位的电场仿真模型，内外屏蔽、高压侧金属嵌件和螺栓施加1 050 kV 电压，安装板和低压侧金属嵌件施加0 电位[4]。计算结果显示螺栓电场强度为2.7 kV/mm，但螺栓处在高压屏蔽、环氧树脂和SF6 气体形成的三交区内，对表面光洁度要求较为苛刻[5]，用扳手紧固时很容易受挤压局部凸起，造成电场的畸变，导致放电的发生。

1.1.3 结构改进

优化绝缘筒内屏蔽、外屏蔽和绝缘筒金属嵌件的配合尺寸，改进前后尺寸对比见图3。

图3 改进前后尺寸对比

改进前后电场强度对比见表1，螺栓表面场强有明显降低，改进后的产品质量稳定，出厂试验未发生绝缘筒放电现象。

表1 改进前后电场强度对比

1.2 屏蔽罩毛刺引发的断路器开断失败

1.2.1 故障情况

某型号252 kV GIS 断路器在T100a 长燃弧开断试验中，电弧开断6 ms 后出现了对地电流，对地电流持续8 ms 后绝缘恢复，异常波形见图4。

图4 T100a 长燃弧开断录波

1.2.2 原因分析

解体检查发现断路器静端屏蔽罩气流孔和外壳之间有放电痕迹，见图5（a）和图5（b），部分气流孔边缘存在毛刺。

图5 断路器屏蔽罩对地放电痕迹

断路器设计结构见图6，开断短路电流时，电弧在大喷口内部的动弧触头和静弧触头之间燃烧，产生的热量一部分随着气流吹向静弧触头侧，一部分顺着金属拉杆内孔流至屏蔽罩内部，再由屏蔽罩气流孔吹向外壳。T100a 长燃弧开断时产生的热量较多[6]，热气流速度大，气流区域绝缘能力降低，加上气流孔周边毛刺造成的电场畸变[7-8]，导致屏蔽罩与外壳之间绝缘不能承受开断时的恢复电压而发生放电[9]。将屏蔽罩气流孔打磨光滑后试验顺利通过。

图6 断路器结构及放电通道示意

1.3 隔离开关内部悬浮电位造成的放电故障

1.3.1 故障情况

某型号GIS 通过耐压试验，送电运行后，母线隔离开关内部出现“吱吱”的异常响声，随即停电对隔离开关进行解体检查，发现隔离开关传动绝缘子接地侧金属嵌件内部有黑色粉末，见图7，其余部位无异常。

图7 传动绝缘子金属嵌件处黑色粉末

1.3.2 原因分析

隔离开关传动结构见图8，操动机构通过齿轮带动传动轴转动，三个传动绝缘子与传动轴同轴连接，带动三相动触头运动，实现分合闸操作。产品运行时，A、B、C 三相带电，传动绝缘子1 右侧承受63.5 kV 运行电压，左侧接地。

图8 隔离开关传动结构

隔离开关解体后对传动轴、传动绝缘子进行尺寸测量，传动绝缘子金属嵌件方孔图纸要求尺寸为24.2～24.25 mm 之间，实测尺寸为24.95 mm，超出了公差范围，传动轴尺寸合格。因传动绝缘子嵌件方孔超差，导致传动轴与传动绝缘子间的存在较大间隙，传动绝缘子的活动空间增大。带负荷运行后，传动绝缘子在电动力的作用下振动，发出异响。在振动的同时绝缘子嵌件在某一时刻处于悬浮状态，导致嵌件产生感应电压对传动轴放电[10]，在振动摩擦和SF6 分解共同的作用下产生黑色粉末。

1.3.3 结构改进

传动轴与传动绝缘子之间增加弹簧，改进后结构见图9，确保金属嵌件与传动轴可靠接触，消除悬浮电位。

图9 改进后结构

2 预防措施

2.1 设计环节

设计环节应全面梳理电网公司的各种反措条款，结合GIS 各种严苛使用工况，在结构设计上考虑应对措施。建立计算机有限元模型，进行绝缘、机械、热传导、固有频率和其他工况仿真分析，做到既满足设计需求，又无设计冗余[11]。

2.2 验证环节

型式试验是产品得到认可的必要条件，虽然试验条件非常苛刻，但其样本较少。本着对产品进行试验-改进- 再试验的思路，工程应用之前，对产品进行小批量的稳定性验证，充分暴露产品潜在的不可靠因素。

2.3 制造环节

从原材料采购到零件加工、入库检查、装配、调试、出厂试验等全过程加强质量监督，制造过程的每一步必须按照质量体系标准和工艺、技术文件执行，严格把好质量检查的关卡。

结束语

通过对绝缘裕度不足导致绝缘筒沿面放电、屏蔽罩表面质量不良导致T100a 开断失败、零部件尺寸超差导致悬浮放电、母线共振产生异响四起故障现象的原因进行分析，给出了解决措施。提高GIS 设备的可靠性，降低故障风险，应从设计环节提高设计的合理性，在验证环节进行充分的可靠性验证，在制造环节加严质量检查控制。