氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas-insulated metal- enclosed switchgear, GIS）作為一種可靠的輸變電設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠性高和檢修周期長的特點(diǎn)，在110kV及以上變電站、電廠中廣泛應(yīng)用。

GIS用支柱絕緣子作為GIS中主要的絕緣部件，對(duì)管型母線等導(dǎo)體起機(jī)械支撐和電氣絕緣的作用，其運(yùn)行環(huán)境惡劣，不僅要承受短路電動(dòng)力的作用，還要承受管母、附屬金具荷載、機(jī)械操作沖擊、熱脹冷縮應(yīng)力等作用，易在運(yùn)行中發(fā)生傾斜、斷裂、放電等問題。

此外，GIS在制造、運(yùn)輸和安裝過程中，其內(nèi)部可能會(huì)因質(zhì)量把控不嚴(yán)留下一些如金屬微粒、絕緣件或內(nèi)部緊固件松動(dòng)和相對(duì)位移等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變電站、輸電線路部分或全部停電，甚至人身傷亡，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

近兩年，國內(nèi)多省份連續(xù)發(fā)生多起220kV GIS運(yùn)行事故。本文介紹了一起220kVGIS母線支柱絕緣子缺陷導(dǎo)致三相短路故障的案例，分析了事故原因并提出了改進(jìn)措施。

1 案例介紹

1.1 故障前情況

天氣晴，故障前運(yùn)行方式為220kV雙母線運(yùn)行；203、204為分段開關(guān)（已鎖定，不可分閘）；2號(hào)主變、出線288在220kV #2母線運(yùn)行，3號(hào)主變、出線291在220kV #1母線運(yùn)行；220kV其他間隔設(shè)備未投運(yùn)，電氣主接線圖如圖1所示。

設(shè)備基本情況：220kVGIS型號(hào)為ZF1-252，西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司2015年5月生產(chǎn)，2015年12月投運(yùn)，自投運(yùn)以來未經(jīng)歷過不良工況。二次保護(hù)設(shè)備220kV母線保護(hù)屏型號(hào)為IBP-2CA，長園深瑞生產(chǎn)；220kV母線保護(hù)屏Ⅱ型號(hào)為PCS- 915A，南瑞繼保生產(chǎn)。

圖1 電氣一次主接線圖（部分）

1.2 故障經(jīng)過

4月2日17:10，220kV #2母線故障，220kV母線差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，201、212、288開關(guān)跳閘。4月26日—29日，對(duì)故障的220kV #2母線GM62氣室解體檢查，發(fā)現(xiàn)291與202間隔之間的過渡母線氣室內(nèi)部C相支柱絕緣子斷裂，C相導(dǎo)體落于母線筒底部，掉落附近的筒體內(nèi)部有嚴(yán)重的燒蝕痕跡。

1.3 繼電保護(hù)動(dòng)作情況

288開關(guān)故障錄波圖如圖2所示。

通過圖2可知，故障首先為B、C相間短路，持續(xù)11ms后轉(zhuǎn)化為A、B、C三相短路故障，在母線發(fā)生故障時(shí)212開關(guān)最大電流有效值為Ia= 11515A、Ib=14666A、Ic=8967A，213開關(guān)最大電流有效值為Ia=11403A、Ib=14687A、Ic=8912A，288開關(guān)最大電流有效值為Ia=17178A、Ib=20975A、Ic=15933A，291開關(guān)最大電流有效值為Ia=7102A、Ib= 7175A、Ic=6955A。母線故障后56ms切除故障，保護(hù)裝置動(dòng)作記錄情況見表1。

圖2 288開關(guān)故障錄波圖

表1 保護(hù)裝置動(dòng)作記錄情況

跳閘后，立即對(duì)故障的220kV #2母線相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常情況，通過檢查保護(hù)裝置及動(dòng)作信息確定本次兩套保護(hù)裝置均正確動(dòng)作，判斷220kV #2母線B、C相間故障，排除誤動(dòng)可能；對(duì)220kV #2母線相關(guān)設(shè)備外觀檢查無異常，懷疑母線氣室內(nèi)部故障。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查及分析

對(duì)220kV #2母線、2號(hào)主進(jìn)212間隔、出線288間隔氣室進(jìn)行微水及氣體組分測(cè)試，結(jié)果見表2，GM62氣室中SO2特征氣體組分含量為160◆L/L，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)≤1◆L/L的要求，且相鄰氣室檢測(cè)結(jié)果均為0，可判斷220kV #2母線最右側(cè)氣室GM62內(nèi)部發(fā)生放電。

表2 #2母線SF6氣體微水、組分測(cè)試結(jié)果

3 解體檢查試驗(yàn)情況

3.1 #2母線GM62氣室解體檢查

1）291與202間隔之間的過渡母線氣室內(nèi)部C相支柱絕緣子斷裂，C相導(dǎo)體落于母線筒底部，掉落附近的筒體內(nèi)部有嚴(yán)重的燒蝕痕跡（如圖3、圖4所示）。

圖3 C相支柱絕緣子斷裂

圖4 斷裂后的支柱絕緣子

2）B相（筒體最下部）支柱絕緣子沿面對(duì)筒體放電（如圖5所示），A相支柱絕緣子無異常。

圖5 B相支柱絕緣子放電痕跡

3）GM62和GM52氣室之間的盆式絕緣子無異常，如圖6所示，GM62氣室也未發(fā)現(xiàn)其他可能引起內(nèi)部故障的異常情況。

4）母線筒內(nèi)壁與導(dǎo)體均有3處明顯放電痕跡，分別如圖7、圖8所示。

母線筒內(nèi)壁的3處明顯放電痕跡，分別對(duì)應(yīng)于母線導(dǎo)體上的3處放電位置。通過檢查母線導(dǎo)體、支柱絕緣子和母線筒的放電痕跡，判斷位置1為C相支柱絕緣子斷裂后過渡導(dǎo)體對(duì)母線筒體放電（有2個(gè)放電點(diǎn)），位置2為B、C相母線導(dǎo)體間及B相沿支柱絕緣子直接對(duì)地放電，位置3為A、B、C相母線導(dǎo)體間放電。

圖6 GM62和GM52間盆式絕緣子

圖7 GM62氣室母線筒內(nèi)壁上的放電位置

圖8 母線導(dǎo)體上的放電位置

3.2 支柱絕緣子檢查

對(duì)故障的GM62氣室6只支柱絕緣子進(jìn)行了外觀檢查、X射線探傷檢測(cè)，均無異常；對(duì)完好的絕緣子進(jìn)行工頻耐壓和局放試驗(yàn)，結(jié)果均合格；選取1支完好絕緣子進(jìn)行抗彎曲試驗(yàn)，力矩達(dá)到5386N?m，滿足不小于4900N?m的要求。

追溯損壞的支柱絕緣子澆筑工藝流程記錄，發(fā)現(xiàn)澆注工未及時(shí)將脫模產(chǎn)品放入烘箱進(jìn)行二次固化，造成后固化時(shí)間縮短，不滿足澆筑固化過程中溫度保持127℃，時(shí)長16h工藝要求。

環(huán)氧樹脂澆筑工藝是保證支柱絕緣子性能的關(guān)鍵，固化時(shí)間不足可導(dǎo)致環(huán)氧樹脂分子交鏈不充分、不均勻，從而使機(jī)械強(qiáng)度降低。固化時(shí)一爐共制作支柱絕緣子3只，進(jìn)一步排查該爐剩余的2只支柱絕緣子，X射線檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異常，但局放試驗(yàn)均不合格，達(dá)到120pC以上，被判廢處理。

檢查斷裂的支柱絕緣子金屬底板與筒體螺栓連接部位，4條螺栓中有2條受力不均痕跡明顯（如圖9所示），說明在廠內(nèi)安裝及運(yùn)行過程中受力不均，導(dǎo)體-支柱絕緣子-金屬底板-母線筒體連接部位存在明顯受力，并在運(yùn)行中的電動(dòng)力作用下最終造成絕緣子斷裂。

圖9 金屬底板與母線筒體連接部位

3.3 故障原因分析

母線筒體內(nèi)重組斷裂后的C相導(dǎo)體絕緣子，B、C相導(dǎo)體之間的放電痕跡位置朝向不完全重合，說明發(fā)生相間放電時(shí)B、C相的導(dǎo)體位置相比原始的安裝位置已發(fā)生變化。檢查斷開的支柱絕緣子，在一側(cè)斷裂縫附近有放電噴濺痕跡，并沿外表面深入斷裂面內(nèi)部，但未覆蓋全部斷裂面，說明發(fā)生放電時(shí)該絕緣子已存在裂縫，但裂縫并不大，因此判斷放電發(fā)生在絕緣子斷裂之后。

綜合考慮以上現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果和解體情況，判斷此次故障主要原因與過程如下：

1）持續(xù)時(shí)間4ms，B、C相間短路，無零序電流。291和202間隔之間的C相母線導(dǎo)體支柱絕緣子因本身質(zhì)量缺陷，在多種力量作用下出現(xiàn)斷裂，C相導(dǎo)體因重力作用向B相移位，B、C相導(dǎo)電桿間絕緣距離不足發(fā)生短路。

2）4ms至15ms，B、C相短路且對(duì)筒體（地電位）放電，零序電流逐漸增大。B、C相間短路發(fā)生4ms后，電弧產(chǎn)生的金屬蒸汽造成該氣室內(nèi)部絕緣下降，離相間短路點(diǎn)最近的（僅20cm）B相支柱絕緣子發(fā)生沿面放電。

該支柱絕緣子在母線筒下部，絕緣子閃絡(luò)面正好面向B、C相間短路點(diǎn)，受金屬蒸汽影響較大，導(dǎo)致絕緣子表面形成貫穿性的對(duì)母線筒體放電通道。另外，在金屬蒸汽作用下，C相導(dǎo)體直接對(duì)母線筒放電。

3）15ms至56ms，發(fā)展為三相短路，56ms后跳開三相開關(guān)。隨著氣室內(nèi)部絕緣持續(xù)下降，A、B、C三相之間逐漸形成穩(wěn)定的放電，并最終形成三相短路。從現(xiàn)場(chǎng)放電痕跡看，A相主要通過導(dǎo)電桿對(duì)B相放電，B相通過導(dǎo)電桿與A相、C相間形成放電，最終發(fā)展為三相短路，C相導(dǎo)體完全跌落于母線筒右側(cè)底部。

4 結(jié)論

1）220kV #2母線支柱絕緣子未嚴(yán)格執(zhí)行澆筑工藝要求，造成機(jī)械強(qiáng)度降低，在運(yùn)行中的電動(dòng)力等多種電磁、機(jī)械振動(dòng)力量作用下出現(xiàn)斷裂，產(chǎn)生位移，致使絕緣距離不足產(chǎn)生放電是此次事故的根本原因。

2）此次事故檢修中須更換220kV #1、#2母線全部支柱絕緣子，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況更換金屬底板，更換后測(cè)量導(dǎo)體與筒壁之間的距離，檢查導(dǎo)體安裝情況，確保導(dǎo)體-絕緣子-金屬底板-筒壁之間的連接無受力情況。

3）基建工程施工過程中，要求廠家加強(qiáng)GIS母線對(duì)接、內(nèi)部安裝環(huán)節(jié)的管理，提高安裝質(zhì)量。

4）生產(chǎn)廠家需進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)品制造質(zhì)量管控，特別是對(duì)小型絕緣件按照要求進(jìn)行全部絕緣試驗(yàn)，保證產(chǎn)品出廠質(zhì)量。