一起220kv气体绝缘组合电器母线跳闸故障原因分析

0引言

气体绝缘组合电器 (Gas Insulated Switchgear, GIS)具有配置灵活、占地面积小、维护量少和对环境影响小等诸多优点,在电力系统中得到了广泛应用^[1—3], 目前国内新建的110 kv及以上变电站基本都是户外或户内的GIS变电站。但根据近年来的运行情 况分析,组合电器设备的缺陷和故障也不时发生^[4—6]。

为确保后续GIS的安全可靠运行,满足国家对电力保供的要求^[7],对GIS故障诊断工作的要求越来越高。应结合现场运行实际,利用科学诊断方法观察故障现象、分析故障原因,最终采取合理的预防措施避免同类型的故障再次发生。下面就某220 kv变电站一起220kv气体绝缘组合电器母线跳闸故障进行分析。

1 故障概况

某220 kv变电站220 kv六氟化硫封闭式组合电器,设备型号为ZF9C—252,母线三相共箱,于2014年11月投运。2023年4月开展扩建工程,接线方式由双母线改为双母线单分段,扩建后Ⅱ段母线于2023年4月投运,本次故障设备即位于该扩建部分。

故障发生前,220 kvI、Ⅱ、Ⅲ母并列运行,母联212、223开关在合位,261、201开关运行于I段母线,262、264、202开关运行于 Ⅱ段母线,263、265、203开关运行于Ⅲ段母线,一次接线图如图1所示。

2024—01—08T08:39,该变电站内220 kv1、2号母差保护动作,262、264、212、223、202开关动作跳闸,并远跳262、264间隔对侧开关。故障跳闸后该变电站由261、263线路供电,220kvI母、Ⅲ母运行,1号、3号主变运行,无负荷损失,无重要用户及居民供电受影响。

2现场检查诊断

2.1保护动作分析

220 kv母线保护装置为双套配置,通过220 kv 1号母线保护装置故障录波波形,观察和分析故障的发展过程。保护装置启动时,Ⅱ段母线差动电流(即故障电流)B、C相大小相等、方向相反,A相无故障电流,B、C相母线保护电压降低,说明此时故障点发生B、C两相相间短路故障,如图2所示。

保护装置启动约2 ms后,A相差动电流开始出现,随着时间的推移(2、9、17 ms),A相差动电流不断增大,三相差动电流变得越来越接近正序量,故障从B、C两相相间短路发展为三相短路,如图3所示。

由于故障发生时2号主变高压侧中性点零序电流很小,表明没有接地故障。

2.2设备本体检查

故障发生后进行现场检查,故障位于Ⅱ段母线中261间隔与212间隔之间的连接母线,该连接母线由三个母线筒、一个波纹管、三个盆式绝缘子(通盆)组成,气室长度约5 m,母线基础无位移、无沉降发生,如图4所示。

该连接母线构成一个独立的母线气室,即220 kv Ⅱ母1号气室GM21,现场检查时气压接近于零。后台数据显示,该气室故障前气压正常,故障发生1.5 min后,后台报气压低告警,可以排除因气体绝缘降低而导致的短路故障。

现场检查发现母线筒盆式绝缘子存在黑色喷溅物,注胶孔处标识牌被冲开,判定此处为故障点,如图5所示。

2.3设备解体检查

将220 kVⅡ母1号气室GM21气体回收和相邻气室降半压后,进行GM21气室开盖检查。打开故障盆式绝缘子母线筒一侧检修手孔盖,发现筒内和导体上均不同程度附着有一层六氟化硫分解物,筒底存在部分盆式绝缘子碎片,故障盆式绝缘子有黑色的烧伤痕迹,并出现有部分裂纹。在故障盆式绝缘子另一侧,发现筒内不仅有大量六氟化硫分解物,还有大量绝缘子碎片,如图6所示。

取下故障盆式绝缘子深入检查,两侧均存在严重裂纹和严重烧伤,裂纹已经将金属面贯通,绝缘子还出现一定程度的碳化痕迹。各相触头的屏蔽罩也直接烧穿,其中以B相最为严重且有两个烧损面,判定B相为主放电点,如图7所示。

3返厂检查及分析

对220 kV Ⅱ母1号气室GM21三个盆式绝缘子(包含故障盆式绝缘子)返厂检查及分析,开展盆式绝缘子X射线探伤、玻璃化转变温度和密度试验、盆式绝缘子断裂面解体检查。

对故障盆式绝缘子碎片进行拼接复原,发现部分盆式绝缘子碎片外表面无放电烧黑痕迹,说明故障碎片为由内而外的炸裂所致。发生短路故障时短路点先发生放电,再导致环氧树脂浇筑面在急剧高温时炸裂、碎片四溅,这些最先炸飞的碎片外表未遭到高温烧蚀变黑,如图8所示。

对故障盆式绝缘子中心导体区域、断裂面、外沿区域等进行X射线探伤,发现除断裂痕迹外,盆式绝缘子内没有发现气孔、夹渣等缺陷。

从故障盆式绝缘子断裂块处取样进行玻璃化转变温度和密度试验,取样测量值符合要求,盆式绝缘子玻璃化转变温度和密度未见异常,如表1所示。

对故障盆式绝缘子解体进行断裂面检查,发现B、C两相间存在明显的放电通道,中心导体B、C两相金属基座均有严重放电烧蚀痕迹,白色曲线大致标出了放电通道,如图9所示。

对同母线上另外两个盆式绝缘子电性能试验检 测,A、B、C相均无发现异常,电性能检测结果合格。在返厂检查的其他试验中,通过设计环节、盆式绝缘子生产环节、试验环节及放电击穿现象等排查分析,可以排除导体尺寸问题造成的故障。

4故障原因分析

解体发现故障盆式绝缘子放电位置在A—C相左侧,放电击穿位置距A、C相较近,距离B相较远,初步判定在A—C相左侧位置存在缺陷,导致放电击穿。从击穿通道走向分析,圆圈内可能存在缺陷,出现放电击穿后向B、C相扩展,后续扩展到A相,如图10所示。

从盆式绝缘子开裂的断面看,开裂的起始位置均位于击穿通道,属于先放电,击穿的同时因内部气压骤增导致盆式绝缘子破裂。盆式绝缘子放电开裂原因可能有气孔、气隙、内部杂质。通过X射线探伤及 电性能试验合格,排除气孔问题;使用0.01 mm塞尺对该盆式绝缘子三相中心导体处进行测量,无缝隙排除气隙问题。

综上所述,该盆式绝缘子放电原因为:盆式绝缘子制作过程中,装模时可能混入微小“L”形树脂片,存在于A—C相左侧位置,在浇注过程中与环氧树脂料紧密结合,形成内部缺陷。由于微小树脂片与正常环氧浇注原材料密度一致,通过X射线探伤无法明显观察到,厂内绝缘试验未出现异常,故该零件正常流转。装配至产品上后,随着产品的运行,经过长期现场环氧温度冷热循环变化,该微小树脂片与环氧树脂料之间会逐渐出现微小气隙,进而在B、C相间产生放电炸裂,造成B、C相母线故障,最终扩展到三相故障,导致220 kvⅡ段母线跳闸。盆式绝缘子破裂后裂纹迅速扩展到盆式绝缘子密封槽处,从盆式绝缘子浇帽口喷出气体,造成母线气室漏气。

根据对同气室内另外两个盆式绝缘子重新进行 的电性能试验检测结果,结合设计环节、盆式绝缘子生产环节、试验环节及放电击穿现象等排查分析,判断该主母线盆式绝缘子放电破裂为偶发性设备质量事件。

5 总结与建议

综上所述,故障盆式绝缘子制作时混入了微小“L”形树脂片,在浇注过程中与环氧树脂料紧密结合,形成内部缺陷。经过长期现场环氧温度冷热循环变化,该盆式绝缘子中微小树脂片与环氧树脂料之间逐渐出现微小气隙,进而在B、C相间产生放电炸裂,造成B、C相母线故障,最终扩展为三相故障,导致220 kvⅡ段母线跳闸。

这起故障跳闸事件暴露出两点问题:1)厂家设备质量管控不到位,特别是在装模过程中缺乏对零部件的质量管控,让微小杂质钻了空隙;2)厂家对零件电性能试验把控不够严格,X射线探伤装置分辨率不够高,对零部件内部微小气孔、微小杂质存在检漏情况。

该故障跳闸事件也为未来的运维和检修工作带来几点启示:1)储备技术改造项目开展GIS局放在线监测^[8],及时预警、及时处理,防止故障再次发生;2)督促厂家加强设备质量管理,包括生产专业人员能力提升、零部件电性能试验检查加强等方面。

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2024年第14期第2篇