三維電場分析在GIS絕緣事故分析上的應用

陳杰 丁澄 姜波

摘要：本文使用三維電場仿真分析等技術手段，分析出一起GIS發生放電的原因。最后，結合運行工況和放電原因對GIS的現場安裝、試驗和運行維護等方面提出了預防性的措施和建議。

關鍵詞：三維電場；GIS；放電；仿真計算

0引言

SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備（gas insulated switchgear， GIS），由于高的可靠性，經濟的運行維護成本，超過20年的使用壽命得到了用戶的認可和廣泛的使用。與傳統GIS產品相比，小型化GIS具備較好的 經濟性、安裝靈活性以及環保性，是目前GIS設備發展的一個趨勢。但近年來小型化GIS設備產品在電網企業中運行狀況不佳，新投運的GIS設備平均故障率高于平均值。

本文以某220kV變電站一起典型的220kV GIS的放電故障為例，通過現場檢查和解體、三維電場仿真分析及試驗研究，找出GIS發生放電的主要原因，最后，結合運行工況對小型化GIS設備現場安裝、試驗和運行維護等方面的提出了預防性的措施和建議。

1故障概況

1.1故障前變電站的運行方式

某220kV變電站GIS母差保護動作，跳開母聯212斷路器、#1主變201斷路器和264斷路器，造成該220kV變電站Ⅰ母失電。

保護動作前220kV母線并列運行，220kVDG1線264、1#主變201開關運行于Ⅰ母；220kVZ1線268、2#主變202開關運行于Ⅱ母；1#主變中性點直接接地，2#主變中性點經間隙接地。當日無倒閘操作和檢修工作，天氣晴好。

1.2 現場及解體檢查情況

經現場檢查，220kV GIS設備外觀無異常，各氣室SF6壓力正常。解體后檢查發現PT218隔離開關C相氣室內壁有大面積電弧燒灼痕跡，放電痕跡區域主要位于圖1中標注的放電位置相對應的內壁位置，導電桿也有多處金屬熔融痕跡。

2 三維電場分析

根據內壁放電區域、殼體熔融程度和熔融點位置可得到，放電區域分布在水平殼體筒與豎直殼體筒交接連線兩側，本文利用有限元分析軟件建立了三維GIS模型，對放電氣室的電場分布情況進行了仿真計算。施加邊界條件后，對模型進行計算，得到其電場分布情況，圖2為PT218隔離開關C相氣室電場仿真結果。從圖2中可以看出水平殼體筒與豎直殼體筒交接連線對GIS內部電場分布有較大影響，相比其它部位，該處存在明顯電場畸變情況。

3 故障原因分析

結合變電站運行狀況、設備解體檢查和仿真計算結果，表明PT218隔離開關C相氣室的放電是由該氣室內部原因引發，由于該型GIS為小型化產品，導電桿距殼體內表面的最短絕緣距離由常規的200mm減小至130mm，雖然提高了內部SF6壓力，但電場畸變影響的敏感程度也會相應提高。

綜合上所述，其最大誘因和放電過程為，在放電區域靠PT側出現的自由導電微粒，引起電場集中部位與導電桿間的放電，該放電造成上方絕緣下降，加之該區域本身存在電場畸變，進而使放電電弧上移，并產生更嚴重的導電桿對殼放電及燒灼。

由于放電點距PT側為封閉端（PT隔離盆式絕緣子）很近，其空間體積較小，而豎直殼體筒方向有較大的空間體積，放電引起的膨脹氣體會朝豎直殼體筒方向流動，造成交接連線豎直殼體筒側SF6氣體絕緣嚴重下降，驅使放電電弧往豎直殼體筒漂移，形成更大的放電區域和更劇烈的放電燒灼，并在豎直殼體筒內沿筒壁向上發展，直至保護動作后電弧熄滅。

PT218隔離開關C相氣室的放電是由內壁光潔度、內部清潔度及設備小型化等多因素疊加作用造成，但主要誘因是自由導電微粒引發的導電桿與內壁之間的間隙放電。

4防范措施

內部放電擊穿是小型化GIS設備的的易發故障，本文利用三維電場分析等技術手段，詳細分析一起小型化220kV GIS的放電故障，有針對性的提出了相應的防范措施。

由于GIS存在大量的現場組裝和金屬部件安裝緊固工序，受現場裝配條件的限制和影響，已經處于非常不利的狀況，加之小型化設備要求各部件加工工藝更高、安裝工藝更嚴格，所以實施現場作業必須嚴格遵守行業規范，才能最大限度地保障GIS設備正常運行。

電網企業生產運行部門應在加強安裝和驗收質量管控工作，把好設備入網關，同時做好小型化GIS設備的狀態監測，力爭及時發現并消除設備隱患，確保電網設備安全可靠運行。

5 結論

本文利用三維電場分析等技術手段，詳細分析一起小型化220kV GIS的放電故障，指出內部放電擊穿是小型化GIS 設備的的易發故障，并有針對此類故障，在設計、安裝、試驗及運維過程提出了相應的預防性的措施和建議，為電力系統的安全可靠運行提供了有力的技術支撐。

作者簡介：陳杰（1973-）男，四川成都，漢，碩士研究生，工程師，研究方向：開關類設備檢修技術研究、培訓及新技術研究.