隔離開關合閘不到位引起GIS放電故障的原因分析

張丕沛，李 杰，汪 鵬

（國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

相對于敞開式隔離開關，用于GIS 設備的隔離開關具有的絕緣性能強、維護工作少、檢修周期長等優點［1-3］。然而GIS 隔離開關的拐臂、連桿等傳動機構長期暴露在空氣中，可能由于銹蝕、卡澀等原因導致隔離開關分合閘不到位，且隔離開關動、靜觸頭密封在GIS 殼體內部，難以直接判斷觸頭的真實接觸情況，若繼續帶電運行則極有可能發展為跳閘事故［4-6］。

文獻［7-9］介紹了幾起GIS 故障案例，通過解體檢查判斷故障原因為傳動機構卡澀引起的隔離開關分合閘不到位，帶電后動、靜觸頭間接觸不良、發熱燒熔，進而導致放電擊穿，但都缺少對故障過程的還原及驗證過程；文獻［10-12］建立了梅花觸頭的仿真模型，通過增大觸頭觸指間接觸電阻的方式來模擬發熱過程，但整個仿真分析過程偏向于定性研究，接觸電阻的取值缺少理論及試驗支撐。

本文介紹了一起隔離開關合閘不到位引起的GIS 放電故障，通過現場測試與解體檢查，對故障過程及原因進行了分析，并進一步結合理論分析及仿真計算，對故障過程進行還原，驗證分析結果的正確性。

1 故障概況

2019 年11 月8 日，220 kV 某變電站220 kV 211間隔在送電合環6 s后，線路差動保護動作，C相接地短路。經現場檢查，211-3 隔離開關C 相氣室內部存在放電分解物，判斷為故障氣室。211 間隔外觀如圖1所示。

圖1 211間隔外觀

該站220 kV組合電器為2007年2月投運。211-3隔離開關為電動彈簧機構，傳動方式為單機構三相聯動拐臂連接，機構在C 相側，分合閘指示在A、B 相間。211-3隔離開關結構如圖2所示。

圖2 211-3隔離開關結構

2 現場檢查情況

現場檢查211-3 隔離開關外觀，發現隔離開關三相連桿傳動部分有明顯銹蝕，如圖3所示。

圖3 隔離開關三相連桿銹蝕

檢查隔離開關齒輪軸中心距及連桿長度，檢查結果如圖4 所示?，F場A、B 相之間連桿長度為699 mm、軸中心距為698 mm，B、C 相之間連桿長度為706 mm、軸中心距為707 mm，滿足“軸的中心距離與連桿長度的誤差應控制在±2 mm 范圍內”的出廠要求。

圖4 隔離開關齒輪軸中心距及連桿長度

利用隔離開關機械特性測試儀，對211-3 隔離開關合閘角度、合閘超程測量10次。結果見表1。

表1 211-3隔離開關機械特性測試數據

根據合閘機械特性試驗數據可以看出，211-3隔離開關的合閘角度及三相合閘超程均未達到標準值（合閘角度（80±2）°，合閘超程25.5 mm）要求，且數據波動性較大，第2 次試驗數據值最??；同時C 相超程明顯小于另外兩相，最小僅為8.66 mm。

3 解體檢查情況

對故障相C 相進行解體檢查，發現殼體內部存在大量粉塵，靜觸頭屏蔽罩及罐體底部對應位置存在明顯放電燒蝕痕跡，觸頭及觸指燒蝕嚴重，如圖5所示，初步判斷靜觸頭屏蔽罩對殼體放電。

圖5 放電位置燒蝕情況

內部絕緣拉桿、盆式絕緣子表面有粉塵，經擦拭后，表面光滑，沒有表面爬電和擊穿情況。絕緣件檢查情況如圖6所示。

圖6 絕緣件檢查情況

4 原因分析

綜合檢查情況，211-3 隔離開關機構輸出軸、拐臂、連桿等存在嚴重銹蝕，10次機械特性試驗中合閘超程均不滿足要求，且C 相超程明顯低于另外兩相，最小僅為8.66 mm。結合觸頭與觸指具體尺寸，此時C相動觸頭位于剛合點位置附近，如圖7 所示。此時動靜觸頭處于虛接狀態。且211-3隔離開關已運行超過10 年，超過3 年沒有進行分合閘操作，因此故障前合閘操作時的阻力更大，C相的超程甚至小于8.66 mm。

圖7 剛合點位置

因此，判斷故障原因為：211-3 隔離開關傳動部分銹蝕卡澀，輸出軸、連桿、拐臂之間摩擦阻力增大，機械特性已不滿足要求，且C 相合閘超程下降最嚴重。合閘操作后三相均未到位，其中C 相動、靜觸頭處于虛接狀態，合環后在負載電流的作用下，C 相動、靜觸頭虛接燒蝕滴熔，滴落在屏蔽罩內部并熔出缺口，熔融物由缺口處滴落至殼體上。由于滴落過程縮短了屏蔽罩與殼體間的絕緣距離，因此進一步導致了屏蔽罩底部與殼體間發生擊穿。

5 仿真驗證

為進一步驗證C 相合閘超程不足是否會導致燒熔、放電，繼續對合閘超程不足時的接觸電阻大小、以及由此引起的發熱情況進行理論分析。

根據Holm 接觸電阻表述，單個梅花觸頭結構的接觸電阻Rj計算式為

式中：ρ1、ρ2分別為觸頭和觸指的電阻率，Ω·m；ar為等效觸點的接觸半徑，m，其表達式為

式中：R*為梅花觸頭結構的等效視在半徑，m；E*為梅花觸頭結構的等效彈性模量，N/m2；Fj為觸頭與觸指接觸點的壓力，N。以上3 個參數可以通過式（3）—式（5）計算［13-16］。

式中：R1、R2分別為觸頭、觸指的幾何半徑，m；E1、E2分別為觸頭、觸指的彈性模量，N/m2；K為抱緊彈簧的剛度系數，N/m；n為觸指數量；D0、D1分別為觸頭插入前和插入后的彈簧中心線直徑，m。

以表1 中合閘超程試驗結果數值最小值8.66 mm 為例，結合式（1）—式（5）以及梅花觸頭結構的實際尺寸，計算得到相應的接觸電阻為585 Ω，已遠大于出廠值14 Ω。

為進一步研究接觸電阻增大后，觸頭發熱的嚴重程度，根據隔離開關的實際結構尺寸建立三維溫度場仿真模型，如圖8 所示。觸頭觸指接觸面附加一層寬度、厚度均為3 mm 的電阻膜，來模擬接觸電阻，如圖9 所示，通過調整電阻膜的電阻率使其電阻值與接觸電阻相等。仿真得到故障瞬間的梅花觸頭結構的溫度分布如圖10 所示。觸頭觸指接觸位置的溫度已達到1 141 ℃，遠超過銅材質觸頭觸指的熔點（約1 000 ℃）［17-20］?？梢姡谟|頭觸指接觸位置的溫度足以導致觸頭觸指的燒熔滴落，驗證了對故障原因的分析。

圖8 隔離開關仿真模型

圖9 模擬接觸電阻的電阻膜

圖10 梅花觸頭結構的溫度分布結果

6 結語

介紹了一起隔離開關合閘不到位引起的GIS 放電故障，解體發現觸頭觸指燒蝕嚴重，放電通道為靜觸頭屏蔽罩對殼體放電，現場機械特性試驗發現隔離開關合閘超程不滿足要求，且C 相明顯低于其他兩相，從而判斷故障原因為隔離開關機構嚴重銹蝕導致合閘后動靜觸頭虛接、燒熔、滴落，最終發展為屏蔽罩對殼體放電。

進一步以合閘超程試驗結果最小值8.66 mm 為例，對合閘不到位時觸頭觸指接觸電阻大小及發熱程度進行理論分析和仿真計算。結果顯示，觸頭觸指接觸位置的溫度已達到1 141℃，遠超過銅材質觸頭觸指的熔點，從而還原了故障過程，驗證了故障原因分析的正確性。