500 kV GIS隔離開關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)缺陷分析及處理

杜金枝，翟 翔，熊中浩

（1.四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川 甘孜626700；2.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司水電科學(xué)技術(shù)研究院，廣西 南寧610031）

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）通常由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成[1]。據(jù)某電網(wǎng)公司關(guān)于GIS 設(shè)備典型缺陷與事故分析的結(jié)果，由于觸頭接觸不良造成的故障占了29%，其中因主觸頭接觸不良造成的故障占了11%，由于屏蔽罩接觸不良造成的故障占了18%[2]。可以看出，針對GIS設(shè)備的隔離開關(guān)的觸頭進(jìn)行精確檢查和研究對GIS 設(shè)備的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行是十分有必要的。

1 事件經(jīng)過及故障分析

某大型水電站處于中國西電東送的重要節(jié)點(diǎn)。該電站采用國外某品牌500 kV GIS 開關(guān)站。500 kV側(cè)為3/2接線方式，有4臺變壓器和2回出線，其中隔離開關(guān)與接地開關(guān)均采用三相共用一個電動機(jī)操作機(jī)構(gòu)，該操作機(jī)構(gòu)安裝于C 相，B、C 相之間和A、B相之間各設(shè)置一根傳動連桿，由傳動連桿將C相動作傳動至B、C相以實(shí)現(xiàn)三相聯(lián)動。

2019 年4 月，在進(jìn)行倒閘操作時，#3 機(jī)組事故停機(jī)，發(fā)變組縱差保護(hù)動作，A相動作電流6900 A。根據(jù)保護(hù)動作范圍，檢修人員到現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)50016開關(guān)A相氣室SF6氣體的氣味異常，初步判定為該氣室發(fā)生對地短路。為進(jìn)一步確定故障氣室，次日特邀科研院技術(shù)人員對該氣室進(jìn)行SF6氣體成分分析，SO2采樣瓶通氣15 s，完全變色；HF 采樣瓶通氣2 s，完全變色。以上結(jié)果基本確定了50016開關(guān)A 相氣室內(nèi)發(fā)生閃絡(luò)，于當(dāng)晚對50016 隔離開關(guān)進(jìn)行了解體檢查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其動觸頭燒毀，動觸頭屏蔽罩約1/3被燒黑，其中有一處顏色較深，明顯是由對地放電造成。

通過對隔離開關(guān)解題檢查的結(jié)果、事故錄波分析、SF6成分分析，經(jīng)過廠家、科研院綜合分析基本確認(rèn)事故原因?yàn)椋河捎趧印㈧o觸頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，安裝階段作業(yè)環(huán)境整體不佳，加上現(xiàn)場由于工期較緊，在安裝工藝方面還存在清理不到位的情況，從而導(dǎo)致殼體對地閃絡(luò)事件的發(fā)生。

2 仿真計(jì)算及處理結(jié)果

針對隔離開關(guān)動、靜觸頭存在結(jié)構(gòu)缺陷的問題，科研院與廠家立即編制解決方案。原動觸頭為空心結(jié)構(gòu)，原靜觸頭為通過花形觸指結(jié)構(gòu)，實(shí)物圖如圖1、2所示。

圖1 原靜觸頭實(shí)物圖

圖2 原動觸頭實(shí)物圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，原動觸頭端部設(shè)計(jì)空心很容易在動觸頭電弧對靜觸頭時電弧飄移到屏蔽罩上面，從而對殼體閃絡(luò)接地。原靜觸頭的開口設(shè)計(jì)也加劇了產(chǎn)生電弧時的漂移現(xiàn)象。所以擬計(jì)劃將動觸頭改為實(shí)心結(jié)構(gòu)，靜觸頭改為Z 型觸指結(jié)構(gòu)。更改設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 動、靜觸頭重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

為了驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的動、靜觸頭對電弧漂移抑制的有效性。本文通過ANSYS Maxwell v15 軟件進(jìn)行仿真分析，圖4 展示了原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的電場計(jì)算對比。

圖4 原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)電場計(jì)算

電場改善：原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)隔離開關(guān)在分閘至80 mm時才能有效切斷重燃弧，重新設(shè)計(jì)的隔離開關(guān)在分

閘至50 mm時就完全切斷重燃弧。

圖5 原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)電弧電場值計(jì)算

圖5 展示了原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電弧電場值的計(jì)算。電弧改善：原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生的最大電弧電場值為20.1 kV/mm，重新設(shè)計(jì)的隔離開關(guān)產(chǎn)生的最大電弧電場值為4.2 kV/mm，降低電弧電場值80%左右，有效地限制了電弧的飄移。

綜合分析，原設(shè)計(jì)DS 在分閘時觸頭端部拉弧時，由于端部設(shè)計(jì)空心很容易在動觸頭電弧對靜觸頭時電弧飄移到屏蔽罩上面，從而對殼體閃絡(luò)接地。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)后，DS分閘時電弧僅在動觸頭端部與靜觸頭端部之間，很好地限制了電弧，不會發(fā)生飄移，由此徹底避免了對殼體閃絡(luò)接地。

3 結(jié)束語

大型GIS 設(shè)備隔離開關(guān)的動靜觸頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對設(shè)備的整體安全穩(wěn)定運(yùn)行尤為關(guān)鍵。根據(jù)此次事故處理的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該加強(qiáng)GIS 隔離開關(guān)仿真計(jì)算分析和預(yù)防性試驗(yàn)。通過出廠時相關(guān)調(diào)試試驗(yàn)，預(yù)防杜絕GIS隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)缺陷。

由上述分析可見GIS 采購時，須經(jīng)過嚴(yán)格的出廠試驗(yàn)，現(xiàn)場安裝完畢，移交前也要也要經(jīng)過嚴(yán)格的交接試驗(yàn)，模擬實(shí)際情況，才能保證日后電站的安全可靠運(yùn)行，避免了因?yàn)楣收显斐傻慕?jīng)濟(jì)損失。