一起110kV GIS斷路器缺相故障分析與處理

馬曉琴 劉靜

摘要：缺相運行指設備缺少一相或者二相的運行狀態。缺相運行對系統的負面影響主要表現：一是缺相產生的負序電流可能引起發電機振動，同時增加附加損耗;二是使變壓器三相電流不平衡，可能引起個別繞組過負荷而其余繞組輕負荷;三是引起三相電壓不平衡，對用戶設備產生不利影響;四是使與電力線路同桿架設的通信線路產生危險的過電壓，危及人身、設備安全;五是可能引起繼電保護誤動作;六是對直接接地系統可能產生跨步電壓，危及人身安全;七是系統潮流不能經濟分配，引起損耗增大。目前對缺相運行事故的處理，基本上采用直接切除，這可能造成較大的負荷損失。

關鍵詞：110kV;GIS;斷路器;缺陷故障;處理;分析

1導言

斷路器是指能夠關合、承載和開斷正常回路條件下的電流并能在規定的時間內關合、承載和開斷異常回路條件下的電流的開關裝置。斷路器按其使用范圍分為高壓斷路器與低壓斷路器，高低壓界線劃分比較模糊，一般將3kV以上的稱為高壓電器。斷路器可用來分配電能，不頻繁地啟動異步電動機，對電源線路及電動機等實行保護，當它們發生嚴重的過載或者短路及欠壓等故障時能自動切斷電路，其功能相當于熔斷器式開關與過欠熱繼電器等的組合。而且在分斷故障電流后一般不需要變更零部件。目前，已獲得了廣泛的應用。電的產生、輸送、使用中，配電是一個極其重要的環節。配電系統包括變壓器和各種高低壓電器設備，低壓斷路器則是一種使用量大面廣的電器。

2故障前運行方式

某110kV GIS站的一次接線其為內橋接線，兩條電源進線分別為110kV 151間隔進線及110kV 152間隔進線，10kV為單母分段接線。該變電站事故前正進行解環操作，151斷路器、152斷路器和110kV內橋112斷路器均在合位。此時1#主變壓器中性點接地運行，2#主變壓器中性點不接地運行，901斷路器、902斷路器在合位，10kV分段912斷路器在分位。

3斷路器工作原理

斷路器一般由觸頭系統、滅弧系統、操作機構、脫扣器、外殼等構成。當短路時，大電流（一般10至12倍）產生的磁場克服反力彈簧，脫扣器拉動操作機構動作，開關瞬時跳閘。當過載時，電流變大，發熱量加劇，雙金屬片變形到一定程度推動機構動作（電流越大，動作時間越短）。有電子型的，使用互感器采集各相電流大小，與設定值比較，當電流異常時微處理器發出信號，使電子脫扣器帶動操作機構動作。斷路器的作用是切斷和接通負荷電路，以及切斷故障電路，防止事故擴大，保證安全運行。而高壓斷路器要開斷1500V，電流為1500-2000A的電弧，這些電弧可拉長至2m仍然繼續燃燒不熄滅。故滅弧是高壓斷路器必須解決的問題。吹弧熄弧的原理主要是冷卻電弧減弱熱游離，另一方面通過吹弧拉長電弧加強帶電粒子的復合和擴散，同時把弧隙中的帶電粒子吹散，迅速恢復介質的絕緣強度。低壓斷路器也稱為自動空氣開關，可用來接通和分斷負載電路，也可用來控制不頻繁起動的電動機。它功能相當于閘刀開關、過電流繼電器、失壓繼電器、熱繼電器及漏電保護器等電器部分或全部的功能總和，是低壓配電網中一種重要的保護電器。低壓斷路器具有多種保護功能（過載、短路、欠電壓保護等）、動作值可調、分斷能力高、操作方便、安全等優點，所以被廣泛應用。結構和工作原理低壓斷路器由操作機構、觸點、保護裝置（各種脫扣器）、滅弧系統等組成。低壓斷路器的主觸點是靠手動操作或電動合閘的。主觸點閉合后，自由脫扣機構將主觸點鎖在合閘位置上。過電流脫扣器的線圈和熱脫扣器的熱元件與主電路串聯，欠電壓脫扣器的線圈和電源并聯。當電路發生短路或嚴重過載時，過電流脫扣器的銜鐵吸合，使自由脫扣機構動作，主觸點斷開主電路。

4故障查找

4.1SF6分解產物檢測

故障發生后，對152斷路器氣室（152斷路器和152斷路器TA位于同一氣室）開展SF6氣體診斷試驗，發現152斷路器氣室SF6分解產物含量異常，其SO2含量為138.6μL/L，H2S含量為131.8μL/L，CO含量為735.5μL/L，遠高于H2S、SO2的注意值1μL/L。SO2和H2S是判斷GIS等SF6氣體設備是否存在放電、過熱故障的重要指標，因此從測試結果可以推斷，在152斷路器氣室內發生了嚴重放電。

4.2解體分析

從前文來看，152斷路器缺相是導致此次事故的主要原因，而斷路器缺相很有可能是由于合閘不到位引起的。因此，事故發生后，檢修和廠家人員首先對152斷路器機構箱進行了檢查，發現152斷路器機構底座緊固螺栓一側明顯松動，另一側底座緊固螺栓已經完全脫落。從而導致機構底座松動，且存在明顯間隙。由于整個機構固定不牢，處于晃動狀態，因此，斷路器在分合閘過程中，其操動機構會在外力下搖晃，使傳動連桿不能準確地將行程傳遞給動觸頭，致使斷路器觸頭分合閘行程不夠，合閘時動靜觸頭虛接或接觸不良;分閘時動靜觸頭又不能有效分開，導致持續燃弧。這不僅無法滿足拉開短路電流的運行要求，而且連承載極低負載電流的能力都受到影響。152斷路器解體之后，在內部發現有大量的灰色粉末。152斷路器C相被電弧擊穿導通后，SF6氣體在電弧的作用下分解產生H2S、SO2等故障氣體，同時產生大量銅蒸汽以及碳化燃燒的粉末，銅蒸汽和碳化粉末從C相故障點向四周擴散，形成游離導電介質，使斷路器氣室絕緣逐漸降低，并最終導致A、B兩相也對外殼/地導通，形成放電通道，故障發展為三相對地短路。由于保護死區，152斷路器跳開后并沒有消除接地故障，因此距離保護動作跳開152對側斷路器。

5檢修處理

揭開該站151斷路器機構箱，發現其機構底座螺栓依舊松動，存在分合閘不到位的風險。因此，為安全起見，公司已將其列為家族性缺陷，在公司內部對該廠家生產的該類型GIS設備進行梳理，并安排進行逐一停電排查。未排查的斷路器不能再進行分合閘操作。排查時應先拉開對側站相應間隔的斷路器，然后在不帶負荷的情況下拉開缺陷斷路器，最后依次測試機械特性、低跳特性和回路電阻等。緊固操作機構底座螺栓，并涂覆防松膠，再次復核機械特性、低跳和回路電阻試驗，合格后投運。

6結論

此次事故主要是由于斷路器機構底座螺母松動造成的，暴露了GIS設備在出廠、安裝、驗收和運維等環節中存在的諸多問題，可采取以下措施加以改善。一是該變電站一次部分采用典型的內橋結構，其110kV母線未安裝母線TV，靠兩組110kV線路側TV監視110kV母線電壓，雖節約了投資，但暴露出在斷路器、刀開關合不到位時，無法有效監視母線電壓的弊端。建議對于受端GIS變電站設置獨立的母線TA，以監測線路斷路器、刀開關是否合閘到位，確保線路電壓送到110kV母線上。二是GIS設備免維護是相對的，由于斷路器、刀開關分閘和合閘操作會對從操動機構到罐內導體的一系列連接的傳動部分產生較大沖擊力，經過多次操作，累積效應可能會使螺栓松動，部件發生變形、松動或脫落。應加強日常維護，對操動機構、傳動連桿定期檢查。三是加強GIS設備的出廠、安裝和驗收管理，防止“帶病”設備入網。四是運維人員對GIS設備進行倒閘操作后，必須認真核查斷路器、隔離斷路器在各處的位置指示是否一致，同時，還要核實各相的電壓電流信號是否正常。

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