一起800 kV GIS设备盆式绝缘子闪络故障分析及建议

张济麟，吴文涛，马小林

(国网青海省电力公司检修公司，青海 西宁 810021)

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备(以下简称GIS)在出厂装配和现场安装时，极有可能由于工艺或材质的问题将异物带入设备内部。当GIS设备内部存在异物时其电场分布发生改变，电场较为集中的位置上会产生局部放电，同时长期运行中由于绝缘的累计效应会导致局部放电逐渐发展为击穿或者闪络。本文就一起由异物及VFTO(快速暂态过电压)共同作用的800 kV GIS设备CT气室放电故障进行了原因分析，提出了相应的防范措施。

1 故障经过及检查情况

1.1 故障经过

2018年11月20日,某750 kV变电站750 kV Ⅱ母停电检修完工后供电过程中，在合上75221隔离开关后，7520开关C相动作跳闸，7520开关重合闸动作，重合失败，故障测距0 km。现场检查一次设备外观无明显异常，二次设备动作正确，对故障相别相应位置气室进行SF6气体分解产物测试结果见表1所示。7522断路器靠75221侧C相电流互感器气室分解产物SO2及H2S严重超标，判断放电故障位于该气室，如图1所示。

表1 故障跳闸线路C相各气室气体组分检测数据表

图1 故障气室平面布置图

1.2 检查情况

1.2.1 现场检查

2018年11月21日，故障气室进行气体回收及开盖检查，发现7522断路器靠75221侧隔离开关CT气室壳体内壁附着大量灰白色粉尘，靠7522断路器侧盆式绝缘子表面已被放电黑灰色产物覆盖，盆子压接金属法兰靠导体侧可见大面积烧熔痕迹，见图2。

图2 7522断路器靠75221隔离开关侧CT气室开盖检查

1.2.2 解体检查

2018年12月4日-6日，对7522断路器及两侧CT气室、75221隔离开关气室设备进行返厂解体检查，直观现象与现场检查结果一致，故对盆式绝缘子进行了进一步检查及检测：

(1)分解物取样分析

对故障盆式绝缘子表面及电连接屏蔽罩、CT筒体内及故障盆式绝缘子分解物取样并分析。结果为：无其他引入的金属杂质元素。

(2) 盆式绝缘子检查

故障盆子整体清擦后可确定主放电通道(如图3黑色曲线)及多条电树枝及贯穿放电痕迹(如图3白色虚线)，结合现场情况判断其他电树枝为重合闸时形成的二次放电。

图3 故障盆式绝缘子表面电树枝及导电通道

故障盆式绝缘子进行X射线检查、解体检查、玻璃化温度检测均符合技术要求。

1.2.3 隔离开关解体检查

拆解75211隔离开关高位盆式绝缘子，可见内部触头及底部无放电痕迹及异物，气室底部清洁；更换75211隔离开关高位盆式绝缘子，注气后进行特性试验，测试数据合格。

2 故障原因分析

由盆式绝缘子表面情况判断放电主路径为7522断路器靠75221侧盆式绝缘子(CT气室侧)电连接屏蔽罩至盆子压接金属法兰靠导体侧沿盆式绝缘子表面发展的沿面闪络，根据运行条件、异物来源及放电路径对盆式绝缘子放电原因进行综合分析。

2.1 运行条件改变,VFTO造成放电

在75221隔离开关从断开到闭合的操作过程中，发生故障。故根据当时运行条件对该变电站800 kV GIS设备各节点的VFTO进行了计算，计算时按电源电压与负荷侧残余电荷(1.0 p.u.)极性相反时重燃从严考虑。计算发现75221隔离开关、7522断路器靠75221隔离开关侧CT、7520断路器为计算中相对较大的点，峰值电压最大为1 713 kV，未达到800 kV GIS的雷击耐雷水平2 100 kV，正常绝缘水平下，该VFTO不应造成GIS故障。

2.2 盆式绝缘子表面异物造成放电

2.2.1 检修过程引入异物或金属颗粒

通过对该间隔设备自投运至故障前的运行情况及带电检测情况检查，排除了在运维检修阶段带入异物杂质以及气室底部存在自由金属颗粒的可能。

2.2.2 出厂、施工过程异物的进入

设备在出厂和施工过程中异物的来源有两种途经：

(1)现场对接筒体及导体时带入异物，盆式绝缘子清擦不到位，且对接后无法对对接面盆式绝缘子进行二次清擦及点检，属于安装过程中的盲区，故对接过程中引入的异物无法直观的发现并清理。

(2)设备出厂前盆式绝缘子法兰与压接法兰压接过程中，压接面密封涂抹的密封剂过量，长期运行后密封剂液化逐渐沿紧固螺栓及密封圈溢出。

2.3 放电路径分析

经检查盆式绝缘子表面沿面闪络，且主放电通道的放电路径在盆式绝缘子表面出现“拐弯”的情况，如图4所示。从主放电通道“拐点”处的取样成分分析中可见碳元素含量均超过60 %，可推断在这几个碳沉积部位放电强度大、电场较为集中，疑似存在异物。

图4 主放电通道

结合异物来源进行放电原因分析：

(1)现场气室对接时带入异物，由于盆式绝缘子绝缘裕度足够，在交流耐压过程中并未发生绝缘击穿或闪络，设备投运后经历过多次操作，且该隔离开关未加装并联分合闸电阻，故每次操作时的VFTO都会作用在故障盆式绝缘子上。异物附着在盆式绝缘子表面改变了电场分布，逐渐发展成为电树枝，由于“累积效应”电树枝的发展逐渐恶化，直至恢复供电电操作时的VFTO导致电树枝发展为贯通的导电通道，最终盆式绝缘子沿面闪络。

(2)若在出厂装配时压接法兰与盆式绝缘子法兰间密封剂涂抹过量，在设备交接及初期运行过程中不一定会出现问题，但密封剂在长期运行过程中逐渐液化，体积增大，沿压接法兰紧固螺栓及密封圈流出(图5)，同时在整个压接面向下流动，从压接缝隙中流出(图6)。故障盆式绝缘子对侧隔离开关高位盆式绝缘子对接面拆解后也可见大量密封剂(图7)。

图5 疑似密封剂溢出痕迹

图6 压接缝隙流出密封剂

图7 盆式绝缘子密封面

液化的密封剂可称为“流体异物”，若在无界面压力的情况下会受重力作用沿图8中标出的1号轨迹及2号轨迹下落，流经导体落至垂直对应位置，但因为运行中的设备充有SF6气体，其气室额定压力为0.5 MPa，气体压力和重力的合成力作用在“流体异物”上，极有可能以3号轨迹沿盆子内壁流动，且“流体异物”本身有粘滞系数，与其流过的表面存在摩擦，流速较慢。放电路径上“拐点”均是盆式绝缘子表面曲率半径较小的位置，如图8所标位置，“流体异物”的流速在这些位置会进一步减慢，形成聚集。

图8 溢出密封剂流动、滴落示意图

结合本次母线供电时操作隔离开关产生的过电压，初步判断为“流体异物”在盆式绝缘子表面聚集改变了电场分部，在过电压的作用下引发了沿面放电，主放电路径发生方向改变的位置即为“流体异物”聚集的位置。“流体异物”出现的时间并不短，隔离开关在运行过程中的操作过电压的累计效应作用在盆式绝缘子上，逐渐形成主放电通道电树枝，最终在恢复供电操作时引发通道贯通。

3 结论及建议

3.1 结论

根据返厂设备解体检查发现的痕迹、分解物取样成分分析以及VFTO仿真计算结果初步判断,造成本次盆式绝缘子发生沿面闪络故障的主要原因为：盆式绝缘子表面附着“流体异物”，导致电场分布的改变，在隔离开关操作产生VFTO的作用下，沿盆式绝缘子表面按照异物流动轨迹及聚集点的排列与盆式绝缘子压接法兰之间形成贯通的导电通道，导致发生单相接地短路故障。

异物的来源：设备出厂前，压接法兰与盆式绝缘子法兰压接过程中密封面涂抹的密封剂过量，长期运行后密封剂液化，沿紧固螺栓及密封圈溢出，由于重力及气室压力的作用形成“流体异物”并或沿盆子内壁向6点钟方向流动，在盆子曲率半径较小的位置聚集。

本次放电故障可分为两个阶段：第一阶段，形成贯通导电通道后能量的释放导致气室内部产生大量分解物，气体绝缘降低，分解物附着在CT气室内壁及盆式绝缘子表面，沿面电弧的高温将电连接屏蔽罩表面烧熔，金属熔点沿电场方向飞溅在盆子底部；第二阶段，重合闸时形成，由于发生的是单相接地故障，暂态地电位和GIS壳体暂态电位升高，且该气室及盆式绝缘子整体绝缘强度严重破坏，电场两极电位差降低，二次放电的发展不再是单纯的由导体向地电位发展，而是电极两侧同时发展，除主放电通道外，盆子表面再次出现发展方向不同的多处电树枝和放电通道。

就此次故障来看，单纯的过电压或者盆子表面异物并不能导致CT气室盆式绝缘子的沿面闪络，故障的发生是两方面因素共同作用的结果。

3.2 建议

3.2.1 防止杂质、异物进入GIS设备

提升厂内盆式绝缘子装配质量及现场设备对接工艺质量，加强质量控制，增加点检部位并形成过程资料，真正做到检查无死角，全覆盖。

3.2.2 采取有效措施降低VFTO的危害

目前在限制VFTO的措施中最有效的应用是在隔离开关断口并联分合闸电阻，操作时先串入电阻，利用其阻尼作用使行波上升时间减小，降低过电压的陡度，使重燃减少或不发生，同时吸收VFTO的能量降低过电压幅值。