GIS 設(shè)備常見(jiàn)兩起故障分析*

李大江

(國(guó)投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

GIS(Gas Isolated Switchgare )設(shè)備全稱氣體絕緣、金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，主要將斷路器、母線、電流互感器等設(shè)備組合安裝在金屬外殼密閉的SF6氣體中。由于整體設(shè)備具有檢修維護(hù)周期長(zhǎng)、運(yùn)行可靠性高、占地面積小、維護(hù)簡(jiǎn)便、檢修維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)、因此，目前電力生產(chǎn)輸送將GIS設(shè)備定為主要設(shè)備。但是，隨著運(yùn)行時(shí)間的不斷累積，設(shè)備會(huì)出現(xiàn)一些缺陷，但是這些缺陷不像其他設(shè)備一樣容易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果在運(yùn)行中不能及時(shí)采取有效的處理措施，一旦出現(xiàn)故障，檢修過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，且受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境限制，檢修時(shí)間一般較長(zhǎng)。因此，分析總結(jié)氣體絕緣、金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備在運(yùn)行中的故障原因，并且總結(jié)相關(guān)的防范措施在當(dāng)下是勢(shì)在必行的。

1 GIS設(shè)備簡(jiǎn)介

GIS設(shè)備全稱為氣體絕緣、金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，顧名思義此設(shè)備不只是單一設(shè)備，是由若干電氣設(shè)備組成。主要包括線路斷路器、接地開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)、母線、過(guò)電壓避雷設(shè)備、互感器、出線終端等附件設(shè)備。GIS自誕生以來(lái)，便獲得了廣泛的認(rèn)可和使用。設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，能夠適應(yīng)較為復(fù)雜的環(huán)境，并且有著電壓等級(jí)越高，安裝面積越小的優(yōu)勢(shì)，這極大的減小了占地面積，因此，設(shè)備能較好地適應(yīng)地理環(huán)境因素。并且設(shè)備外殼為金屬結(jié)構(gòu)的全封閉固件，使其擁有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這也使其內(nèi)部的帶電設(shè)備有了一個(gè)良好的防護(hù)，對(duì)于運(yùn)行、檢修人員的人身安全也起到了一定的保護(hù)的作用。氣體絕緣、金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣體絕緣、金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)

圖1中1為GIS的核心元器件斷路器，其主要由開(kāi)斷裝置、導(dǎo)電回路、操作機(jī)構(gòu)以及絕緣結(jié)構(gòu)等部分組成，斷路器在開(kāi)斷電路時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，但迅速會(huì)被密閉空間充滿的SF6氣體熄滅，在滅弧的同時(shí)，SF6氣體會(huì)被分解為二氧化硫、四氟化硫等對(duì)人體有害的氣體，這就需要在斷路器里放置吸附劑，吸附相關(guān)毒性氣體；圖1中2為電流互感器；3、4、5分別為接地開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)； 6、7則分別為主母線及出線套管；8為設(shè)備接地處；9為設(shè)備外殼。GIS設(shè)備的每一個(gè)氣體間隔，均是使用不通氣的盆式絕緣子，將設(shè)備劃分為若干個(gè)獨(dú)立的密閉空間，以便應(yīng)對(duì)不同的氣體壓力及方便日后的檢查檢修工作。

2 GIS設(shè)備常見(jiàn)的故障分析

GIS設(shè)備在長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中，整體運(yùn)行狀態(tài)良好。但在收集的部分案例中，也出現(xiàn)了較為典型的故障現(xiàn)象。如氣密性故障、導(dǎo)電部件故障、絕緣部件故障、短路放電故障等等。此類故障的頻繁出現(xiàn)，直接造成了電力系統(tǒng)的運(yùn)行故障，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成了一定的不良影響。

2.1 GIS設(shè)備的氣密性故障

2.1.1 故障原因

GIS設(shè)備最主要的兩個(gè)要素就是氣體絕緣和全封閉。在運(yùn)行中對(duì)設(shè)備氣密性要求非常高。但是，在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，往往會(huì)遇到密封失效的問(wèn)題，從而造成設(shè)備滅弧能力下降及絕緣失效，影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至引發(fā)嚴(yán)重事故。

黃河上游某電站的GIS設(shè)備，2號(hào)發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)1102斷路器氣室，在運(yùn)行巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)該氣室壓力較往常略有降低，隨即用檢漏儀檢漏，發(fā)現(xiàn)該氣室的一個(gè)法蘭面有一處氣體泄漏點(diǎn)。由于該電站僅投產(chǎn)僅四年時(shí)間，密封老化可能性較小，便緊固漏氣法蘭螺栓。后經(jīng)檢測(cè)，漏氣點(diǎn)仍存在，于是由檢修人員打開(kāi)法蘭面，如圖2所示。

圖2 法蘭面的密封膠

由圖2可以明顯看出法蘭面的密封膠涂抹不均勻。由此判斷漏氣原因：①按照密封圈在金屬法蘭面壓縮量25%的要求，密封墊壓縮量不足，未能全面填充注膠槽；②由于施工工藝不良，注膠作業(yè)存在瑕疵。總結(jié)以上兩點(diǎn)原因綜合分析得出，由于在施工過(guò)程中法蘭面密封膠涂抹不均勻，部分地方涂抹較少甚至缺失，法蘭密封圈壓縮量較小，未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行時(shí)間久后，密封面形成細(xì)小凹坑，密封圈不能密切貼合，從而發(fā)生氣體泄漏。因此分析此次故障的原因?yàn)槭┕ぐ惭b工藝引發(fā)的設(shè)備故障。

2.1.2 應(yīng)對(duì)措施

在法蘭安裝之前，要避免法蘭的密封槽有較明顯的劃傷傷痕，或者銹蝕痕跡，必要時(shí)可用800號(hào)及以上水砂紙或金相砂紙打磨拋光。然后使用無(wú)水酒精配合無(wú)毛紙反復(fù)清潔密封面，保證密封面光滑干凈，表面無(wú)雜質(zhì)。所有之前拆解下的密封圈無(wú)論好壞，都必須更換，新安裝的密封墊外觀檢查應(yīng)無(wú)氣泡和劃痕，安裝之前用無(wú)水酒精配合無(wú)毛紙輕擦。在之前處理好的密封槽內(nèi)均勻涂抹適量的密封脂，含硅的密封脂避免涂抹在與SF6能夠接觸到的地方。在密封墊外側(cè)的法蘭面上薄涂2號(hào)低溫潤(rùn)滑脂或者中性凡士林。法蘭連接或封蓋時(shí)，使用力矩扳手均勻緊固封蓋面的對(duì)腳螺栓，所選力矩應(yīng)遵循廠家規(guī)定。

處理完畢后，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行設(shè)備氣密性故障的檢查檢測(cè)。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)已處理氣室的壓力變化情況，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣壓不足時(shí)，運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)匯報(bào)、處理，以防設(shè)備閉鎖，從而引發(fā)安全生產(chǎn)事故，同時(shí)對(duì)日常監(jiān)測(cè)的異常部位結(jié)合設(shè)備停電計(jì)劃進(jìn)行重點(diǎn)檢查，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行維護(hù)。

2.2 GIS盆式絕緣子故障

2.2.1 故障原因

GIS 設(shè)備中頻繁使用的盆式絕緣子，是由環(huán)氧樹(shù)脂澆注而成，而在澆注過(guò)程中由于施工工藝、原材料純度等問(wèn)題造成的表面不平滑、粗糙有劃傷等缺陷，安裝運(yùn)行后在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，絕緣子的表面電場(chǎng)分布就會(huì)發(fā)生畸變，這種變化會(huì)使絕緣子表面的閃絡(luò)電壓大大降低，逐漸降低至額定電壓，從而在正常運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生閃絡(luò)放電。此時(shí)，當(dāng)GIS設(shè)備某部分發(fā)生故障或局部過(guò)電壓時(shí)，就會(huì)沿著絕緣子表面對(duì)外殼進(jìn)行放電，造成絕緣子損傷。

2015年，某變電站GIS設(shè)備3號(hào)出線間隔的母線B相氣室內(nèi)發(fā)生放電故障，后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，故障發(fā)

生后該站保護(hù)未收到任何動(dòng)作及報(bào)警信號(hào)，對(duì)故障部位進(jìn)行解體檢查，拆解后發(fā)現(xiàn)氣室內(nèi)有大量粉塵， B相母線氣室絕緣子根部有明顯的放電及電弧灼傷痕跡，如圖3所示，除此無(wú)其他異常。盆式絕緣子斷面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 發(fā)生放電的盆式絕緣子

圖4 盆式絕緣子結(jié)構(gòu)

最中部為中心嵌件，外側(cè)圓弧為環(huán)氧樹(shù)脂，在兩者之間有一層薄薄的導(dǎo)電橡膠，將環(huán)氧樹(shù)脂與中心嵌件緊密連接。該導(dǎo)電橡膠是以硅橡膠為基礎(chǔ)材料，均勻摻入銀粉、鋁鍍銀等導(dǎo)電顆粒，在起到應(yīng)力的過(guò)渡的同時(shí)，又具有粘接效果。但是導(dǎo)電橡膠的加入，又增加了生產(chǎn)工藝的難度，一旦生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生忽略，極易在導(dǎo)電橡膠面上引入氣泡、雜質(zhì)等。導(dǎo)電橡膠面的邊緣又恰好是導(dǎo)電金屬以及絕緣材料的結(jié)合處，是整個(gè)盆式絕緣子上電場(chǎng)強(qiáng)度最集中的區(qū)域，而之前引入的氣泡、雜質(zhì)等又會(huì)使內(nèi)部高壓電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生畸變，這樣便會(huì)使絕緣件在很低的電壓下產(chǎn)生局部放電，發(fā)生設(shè)備故障。

再者，GIS設(shè)備在施工安裝時(shí)，由于工藝質(zhì)量參差不齊，使盆式絕緣子上極易附著過(guò)量污染物，在后期運(yùn)行過(guò)程中，GIS內(nèi)的各動(dòng)作設(shè)備的操作又會(huì)使動(dòng)作機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑劑、觸頭等物件發(fā)生摩擦后產(chǎn)生的雜質(zhì)微粒，在電場(chǎng)作用下，吸附在盆式絕緣子上，當(dāng)這些吸附雜質(zhì)達(dá)到一定量，便會(huì)形成小橋，導(dǎo)致絕緣子表面發(fā)生閃絡(luò)，從而瞬間改變氣室內(nèi)的空間電場(chǎng)強(qiáng)度分布，引發(fā)局部的電場(chǎng)畸變，最終發(fā)生局部放電。

其他諸如絕緣子自身品質(zhì)、雷擊過(guò)電壓等原因，也是可以引起盆式絕緣子發(fā)生擊穿放電，此處不再具體闡述。

2.2.2 應(yīng)對(duì)措施

由于空氣中存在著導(dǎo)電顆粒和微小灰塵，就算嚴(yán)格執(zhí)行安裝工藝標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)法避免進(jìn)入氣室，另外，前文所述，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一些細(xì)小微粒，這些導(dǎo)電微粒都是不斷積累，不可避免的。雖然不可避免微粒的存在，但是可以對(duì)導(dǎo)電微粒進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)處理，避免事故發(fā)生。另外，由于盆式絕緣子的故障率占GIS設(shè)備故障率的主導(dǎo)，由此大膽猜想盆式絕緣子本身可能存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷，或長(zhǎng)期潛伏一些未能發(fā)現(xiàn)缺陷，從而導(dǎo)致其遭受較大過(guò)電壓或積累過(guò)多雜質(zhì)微粒后發(fā)生故障。因而，積極探索盆式絕緣子的結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及加強(qiáng)對(duì)盆式絕緣子的出廠檢測(cè)力度，在今后工作中顯得尤為重要。另外，在事故處理過(guò)程中氣室內(nèi)的各類粉末進(jìn)行分析，更有助于查找到切實(shí)的故障原因和故障點(diǎn)，以便更準(zhǔn)確的分析事故，以防止類似事故發(fā)生。此外，還需加強(qiáng)GIS設(shè)備的過(guò)電壓保護(hù)工作，最大限度保護(hù)盆式絕緣子。

3 結(jié) 語(yǔ)

以兩起電力生產(chǎn)實(shí)際故障為例，通過(guò)對(duì)故障分析和處理過(guò)程的細(xì)致描述發(fā)現(xiàn)， GIS設(shè)備故障發(fā)生的原因包括生產(chǎn)安裝工藝、運(yùn)行方式、客觀環(huán)境等等，是多方面的。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，還需加強(qiáng)GIS現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝流程，確保在安裝中的任何環(huán)節(jié)均處于良好的可控可測(cè)狀態(tài)。加強(qiáng)GIS設(shè)備的日常運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警研究，探索研究GIS設(shè)備帶電預(yù)防性試驗(yàn)的新方法，是相關(guān)人員今后工作的新方向。