一起550 kV斷路器放電案例分析

和曉輝，邱鵬鋒，毛興，何順，胡廣富，譚向宇，彭兆裕

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650127；2. 云南電網有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000；）

0 前言

近年來，隨著國民經濟的快速發(fā)展，全社會對電力供應的需求量越來越大，因此電網的建設規(guī)模也越來越大，系統(tǒng)的負荷電流和短路電流也隨著增大，對斷路器的開斷能力提出了更高的要求。一定壓力下的SF6氣體具有極高的電氣強度和良好的物理化學性能，是目前人類找到的最理想的絕緣和滅弧介質，其在均勻電場下的擊穿場強約為空氣擊穿場強的2.5 倍，其滅弧能力則為空氣的100 倍以上[1]。因此，SF6氣體斷路器廣泛應用于35 kV 及以上的電力系統(tǒng)中[2]。

SF6氣體罐式斷路器采用金屬材料作為外殼，將動、靜態(tài)觸頭和滅弧室等元器件封裝在金屬外殼內，采用一定壓力的SF6氣體作為絕緣和滅弧介質，正常運行條件下具有不受外界環(huán)境干擾、運行維護工作量少、滅弧性能穩(wěn)定等優(yōu)點[3-5]。但當斷路器本體內部發(fā)生放電故障時，其全密封結構導致故障位置難以發(fā)現和修復，搶修工作量大，涉及事故范圍廣，嚴重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[6-13]。因此有必要深入研究SF6氣體斷路器內部放電故障的機理并提出對應的防范措施。

本文主要介紹了一起550 kV 罐式斷路器氣隙放電案例，通過對放電部位進行解體檢查及電場計算分析明確了放電產生的原因和基本過程，并提出了相對應的防范措施。

1 故障概況

該500 kV 變電站為敞開式AIS 站， 其500 kV 側的主接線形式為二分之三接線，如圖1 所示。500 kV 側第四串靠近Ⅱ母側的5743 斷路器為罐式SF6氣體斷路器，其運行的額定壓力為0.56 MPa。2012 年生產，2015 年1 月23日投入運行。

圖1 500 kV側主接線示意圖

2022 年11 月22 日該500 kV 站500 kV Ⅱ母側B 線定檢工作結束后開展線路復電工作。21 時34 分23 秒, 合上500 kV B 線5743 斷路器靠Ⅱ母側57432 隔離開關時，動觸頭與靜觸頭接觸前發(fā)出明亮弧光并伴隨異響，對57432隔離開關進行外觀檢查，隔離開關導電部分、絕緣子、傳動部分未發(fā)現異常，動觸頭均壓環(huán)掉落。500 kV Ⅱ母第一套、第二套母差保護、500 kV 多平甲線主一、主二保護動作，跳開500 kV Ⅱ母5713、5722、5753、5703 斷路器，跳閘未造成變電站失壓和負荷損失。圖2 為500 kVⅡ母第一套母線保護裝置故障錄波波形圖。

圖2 故障錄波圖

由圖可知，B 相產生差流，二次幅值高達14.8 A，遠大于差動保護動作定值，故障電流由5713、5722、5753 三臺斷路器提供。綜合可知在斷路器內部、斷路器斷口靠近500 kV Ⅱ母側發(fā)生B 相接地故障。

對5743 斷路器進行氣體成分檢測，檢測結果發(fā)現5743 斷路器B 相SF6氣體成分中SO2試驗檢測值為51.2 μL/L，超過規(guī)程規(guī)定的注意值3 L/L，H2S、CO、HF、CF4的試驗檢測值滿足規(guī)程要求，檢測結果見圖3，因此判斷5743 斷路器B 相內部存在高能量的放電故障。5743 斷路器A、C 相氣體成分檢測值均在規(guī)程規(guī)定的注意值之內。根據測試結果可得初步的事故結論為：5473 斷路器B 相內部發(fā)生嚴重放電故障。后續(xù)需將斷路器進行解體進一步明確放電類型及放電原因。

圖3 氣體檢測結果

2 斷路器檢查

2.1 X射線檢測

2022 年11 月23 日晚，對5743 斷路器B相（故障相）關鍵部位開展了X 射線檢查，具體結果如圖4 所示，通過檢查，未發(fā)現明顯異常，具體情況待5743 斷路器B 相氣體回收后，開蓋利用內窺鏡進一步檢查。

圖4 X射線檢測結果

2.2 開蓋檢查

2022 年11 月25 日，對5743 斷路器B 相（故障相）進行開蓋，開蓋位置為左右兩邊的下蓋板，如圖5 所示。用內窺鏡對兩側的內部構件進行檢查，從開蓋位置1 處結果無明顯異常，開蓋位置2 處的檢查結果發(fā)現明顯的異常，結果如圖6 所示。

圖5 開蓋位置示意圖

圖6 5743斷路器B相開蓋檢查圖

圖7 5743斷路器B相內部粉末及異物圖

由圖不難發(fā)現，套管內導電桿與套管內壁屏蔽罩上均有明顯的燒蝕痕跡，此外在氣室內發(fā)現白色粉末，成分檢測發(fā)現為鋁和氟的化合物，判斷為放電時SF6氣體分解的產物，斷路器氣室內底部分布熔點印記，為上部放電時熔融物掉落所致；并在5743 斷路器B 相底部發(fā)現兩段長約3 cm 的異物，后經化學成分檢測證實為鋁材質。根據廠家提供資料，調整塊和導電桿的材質為6082 鋁合金，屏蔽罩的材質為1060鋁合金，過渡板的材質為5083 鋁合金。對異物進行能譜分析金屬元素只檢測到鋁元素，推斷異物可能來源于屏蔽罩（1060 鋁合金）。

從上述的檢查結果可初步判定，本次放電事故為金屬異物引起的套管內部導桿到屏蔽罩內壁之間的SF6氣隙放電，具體的放電位置如圖8 所示。

圖8 放電位置示意圖

3 原因分析

3.1 電場仿真分析

根據上述的解體分析和異物粉末的材質檢測結果，可以判定本次短路事故是由金屬異物導致的母線側套管內中心導桿與套管內壁屏蔽罩之間的SF6氣體間隙放電。為了更好地分析放電過程，得到故障位置處的電場分布情況，建立了圖9 中右部的幾何模型，由于只關注故障位置處的電場分布情況，對幾何模型進行了簡化處理，忽略了屏蔽罩內壁上圓形微孔等細節(jié)部件的影響。

圖9 仿真幾何模型示意圖

利用COMSOL 多物理場仿真軟件靜電部分中的AC/DC 模塊進行電場仿真分析，由于屏蔽罩為金屬材料，金屬材料在處于靜電平衡時內部電場處處為零，因此模型中只考慮了屏蔽罩內壁的邊界。中心導桿為金屬材料，導桿施加幅值為408.2 kV 正弦變化的運行電壓，將屏蔽罩內壁接地，電勢為零；其余空間填充SF6氣體，其相對介電常數設置為1.002。

首先進行了正常運行條件下的電場分布計算，截取某平面上的電場分布和電勢分布，結果如圖10 所示。由圖可知正常運行時中心導桿附近場強較為集中，但最大場強不超過6.65 kV/mm-1，而查閱相關文獻得到不同壓力下SF6氣體的臨界擊穿場強如下表1 所示[13]，該斷路器的額定壓力為0.56 MPa，因此其擊穿場強在50 kV/mm 附近，所以正常運行的情況下不會發(fā)生放電現象。

表1 SF6氣體擊穿的臨界場強

圖10 正常情況下的電場與電勢分布圖

現考慮套管內存在金屬異物的情況，由于現場發(fā)現了長3 cm，寬3 mm，厚度1 mm 的金屬薄片，故仿真模型中設置的金屬異物為長3 cm，寬3 mm，厚度1 mm 的長方形金屬異物。首先考慮金屬異物由于某種原因從上到下掉落的狀態(tài)，異物與導桿和屏蔽罩內壁均不接觸，即異物處于懸浮電位的狀態(tài)。將異物的位置設置在放電通道上，考慮異物的兩種狀態(tài)：長端豎直和水平，異物與屏蔽罩內壁的距離由近及遠。對上述狀態(tài)進行仿真分析，結果如圖11 和12 所示。

圖11 異物處于豎直懸浮狀態(tài)電場分布

由圖不難發(fā)現以下兩點：

1）相同位置，異物處于水平位置時的電場畸變要大于豎直位置，異物處于其它角度時的電場畸變值在二者之間；

2）相同狀態(tài)時，異物越靠近導桿位置處，場強畸變越嚴重，圖11 中的d、e、f 和圖12中的c、d、e、f 的電場最大畸變值均超過了50 kV/mm。

圖12 異物處于水平懸浮狀態(tài)電場分布

現考慮金該屬異物附著在屏蔽罩內壁上，即金屬異物與屏蔽罩接觸且同為地電位，圖13 是金屬異物處于豎直狀態(tài)并附著在屏蔽罩內壁時的電場分布。不難發(fā)現金屬異物朝導桿的一端尖端處電場發(fā)生了畸變，最大畸變值為13.7 kV/mm，遠小于50 kV/mm。

圖13 金屬異物豎直附著狀態(tài)電場分布

考慮金該屬異物處于水平狀態(tài)并附著在屏蔽罩內壁時，由于屏蔽罩內壁上有圓形孔，異物可能部分在內壁朝導桿的氣隙里，部分在內壁朝外部瓷套的氣隙里，因此考慮了異物處于內壁朝導桿氣隙里不同長度時的電場分布，結果見圖14。不難發(fā)現金屬異物朝導桿的一端尖端處電場發(fā)生了畸變，長度越長畸變越嚴重，f中場強最大畸變值達到了49.5 kV/mm。

圖14 金屬異物水平附著狀態(tài)電場分布

3.2 放電過程分析

根據斷路器解體分析結果可知，本次放電為金屬異物導致的斷路器套管內中心導桿對屏蔽罩內壁的SF6氣體間隙放電。根據3.1 小節(jié)的電場仿真結果分析可知，金屬異物不管以何種方式附著在屏蔽罩內壁上，其引起的電場畸變最大值均未超過SF6氣體的臨界擊穿場強值，不會導致放電現象的發(fā)生，而異物在導桿與屏蔽罩內壁空間內處于懸浮狀態(tài)時，異物離導桿較近時電場畸變值超過了臨界場強，會導致異物尖端產生放電。

在斷路器處于冷備用狀態(tài)時，金屬異物附著在屏蔽罩內壁上，當其相鄰的隔離開關合上時，斷路器靠近隔離開關部分的導桿帶電，對附著于內壁上的金屬異物產生電場力，金屬異物在突然施加的電場力與重力的共同作用下朝著導桿方向斜向下運動，引起電場畸變導致放電事故的發(fā)生。因此，可以得出本次放電事故的詳細過程：

1）引入異物。在斷路器組裝過程中引入外來金屬異物或者斷路器在動作過程中產生金屬碎屑；

2）異物運動。斷路器未帶電時金屬異物附著于屏蔽罩內壁，當合上隔離開關使中心導桿帶電時，瞬間的電場力與重力作用下，異物朝著導桿方向斜向下運動；

3）懸浮放電。當異物運動到離中心導桿某一距離時，異物尖端的電場畸變值超過SF6氣體放電的臨界擊穿場強值，異物尖端處首先產生電暈懸浮放電；

4）流注放電。異物尖端的懸浮放電朝著導桿方向發(fā)展，由于放電距離遠，氣體壓力大，放電從異物尖端的懸浮放電發(fā)展為流注放電，放電通道連接異物與導桿后，金屬異物與導桿均為運行電位，其對屏蔽罩內壁為極不均勻電場，放電朝屏蔽罩內壁方向發(fā)展；

5）對地放電。當朝著屏蔽罩內壁的流注達到內壁時，中心導桿直接對屏蔽罩內壁放電，即對地放電，產生極大的故障電流，燒蝕導桿和屏蔽罩內壁，繼電保護動作斷開故障電流。

圖15 放電過程示意圖

4 結束語

本文主要針對一起550 kV 罐式斷路器放電案例進行了介紹分析，通過對故障斷路器進行解體分析，同時結合有限元仿真分析結果，判定是由金屬異物引起的放電，并通過電場仿真計算，驗證了異物附著于屏蔽罩內壁時可能不會導致擊穿，而在中心導桿帶電瞬間，異物受到電場力和重力的作用發(fā)生運動，在導桿與屏蔽罩內壁之間形成懸浮電位引起電場畸變，才是擊穿放電的直接誘因。

為避免此類型放電故障的發(fā)生，結合本次放電故障案例，提出以下的防范措施：

1）施工單位在設備安裝、改造等施工過程中應按相關規(guī)程要求采取對應的防塵防護措施。嚴禁在防塵等級不符合要求的環(huán)境中安裝氣體封閉設備。工作結束后，應徹底清洗罐體內部；

2）在進行耐壓試驗過程中，應嚴格按照規(guī)程中規(guī)定的增壓程序進行老練和耐壓，耐壓通過后進行相應的局部放電試驗，在試驗階段就將罐體內的金屬異物排查處理，防止帶金屬異物進入運行階段，對其正常運行帶來隱患；

3）針對在運的該型號SF6氣體罐式斷路器進行排查，加強運維監(jiān)督，做到隱患及早發(fā)現及早消除。