一起220 kV氣體絕緣組合電器母線跳閘故障原因分析

摘 要：近年來，氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）在電力系統中得到了廣泛應用，但在現場實際運行過程中也暴露出一些缺陷和故障。在國家電力保供的背景下，對GIS故障診斷工作的要求越來越高。鑒于此，就某220 kV變電站一起220 kV氣體絕緣組合電器母線跳閘故障進行分析，結合現場運行實際觀察故障現象、分析故障原因，得出故障原因為盆式絕緣子在制作過程中混入了微小樹脂片，在運行過程中逐漸發展成氣隙后導致故障發生。最后，結合故障暴露的問題，對下一步采取的措施給出了合理建議，以避免同類型的故障再次發生。

關鍵詞：組合電器；母線跳閘；故障分析

中圖分類號：TM862" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）14-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.002

0" " 引言

氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）具有配置靈活、占地面積小、維護量少和對環境影響小等諸多優點，在電力系統中得到了廣泛應用[1-3]，目前國內新建的110 kV及以上變電站基本都是戶外或戶內的GIS變電站。但根據近年來的運行情況分析，組合電器設備的缺陷和故障也不時發生[4-6]。

為確保后續GIS的安全可靠運行，滿足國家對電力保供的要求[7]，對GIS故障診斷工作的要求越來越高。應結合現場運行實際，利用科學診斷方法觀察故障現象、分析故障原因，最終采取合理的預防措施避免同類型的故障再次發生。下面就某220 kV變電站一起220 kV氣體絕緣組合電器母線跳閘故障進行分析。

1" " 故障概況

某220 kV變電站220 kV六氟化硫封閉式組合電器，設備型號為ZF9C-252，母線三相共箱，于2014年11月投運。2023年4月開展擴建工程，接線方式由雙母線改為雙母線單分段，擴建后Ⅱ段母線于2023年4月投運，本次故障設備即位于該擴建部分。

故障發生前，220 kV Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ母并列運行，母聯212、223開關在合位，261、201開關運行于Ⅰ段母線，262、264、202開關運行于Ⅱ段母線，263、265、203開關運行于Ⅲ段母線，一次接線圖如圖1所示。

2024-01-08T08：39，該變電站內220 kV 1、2號母差保護動作，262、264、212、223、202開關動作跳閘，并遠跳262、264間隔對側開關。故障跳閘后該變電站由261、263線路供電，220 kV Ⅰ母、Ⅲ母運行，1號、3號主變運行，無負荷損失，無重要用戶及居民供電受影響。

2" " 現場檢查診斷

2.1" " 保護動作分析

220 kV母線保護裝置為雙套配置，通過220 kV 1號母線保護裝置故障錄波波形，觀察和分析故障的發展過程。保護裝置啟動時，Ⅱ段母線差動電流（即故障電流）B、C相大小相等、方向相反，A相無故障電流，B、C相母線保護電壓降低，說明此時故障點發生B、C兩相相間短路故障，如圖2所示。

保護裝置啟動約2 ms后，A相差動電流開始出現，隨著時間的推移（2、9、17 ms），A相差動電流不斷增大，三相差動電流變得越來越接近正序量，故障從B、C兩相相間短路發展為三相短路，如圖3所示。

由于故障發生時2號主變高壓側中性點零序電流很小，表明沒有接地故障。

2.2" " 設備本體檢查

故障發生后進行現場檢查，故障位于Ⅱ段母線中261間隔與212間隔之間的連接母線，該連接母線由三個母線筒、一個波紋管、三個盆式絕緣子（通盆）組成，氣室長度約5 m，母線基礎無位移、無沉降發生，如圖4所示。

該連接母線構成一個獨立的母線氣室，即220 kV Ⅱ母1號氣室GM21，現場檢查時氣壓接近于零。后臺數據顯示，該氣室故障前氣壓正常，故障發生1.5 min后，后臺報氣壓低告警，可以排除因氣體絕緣降低而導致的短路故障。

現場檢查發現母線筒盆式絕緣子存在黑色噴濺物，注膠孔處標識牌被沖開，判定此處為故障點，如圖5所示。

2.3" " 設備解體檢查

將220 kV Ⅱ母1號氣室GM21氣體回收和相鄰氣室降半壓后，進行GM21氣室開蓋檢查。打開故障盆式絕緣子母線筒一側檢修手孔蓋，發現筒內和導體上均不同程度附著有一層六氟化硫分解物，筒底存在部分盆式絕緣子碎片，故障盆式絕緣子有黑色的燒傷痕跡，并出現有部分裂紋。在故障盆式絕緣子另一側，發現筒內不僅有大量六氟化硫分解物，還有大量絕緣子碎片，如圖6所示。

取下故障盆式絕緣子深入檢查，兩側均存在嚴重裂紋和嚴重燒傷，裂紋已經將金屬面貫通，絕緣子還出現一定程度的碳化痕跡。各相觸頭的屏蔽罩也直接燒穿，其中以B相最為嚴重且有兩個燒損面，判定B相為主放電點，如圖7所示。

3" " 返廠檢查及分析

對220 kV Ⅱ母1號氣室GM21三個盆式絕緣子（包含故障盆式絕緣子）返廠檢查及分析，開展盆式絕緣子X射線探傷、玻璃化轉變溫度和密度試驗、盆式絕緣子斷裂面解體檢查。

對故障盆式絕緣子碎片進行拼接復原，發現部分盆式絕緣子碎片外表面無放電燒黑痕跡，說明故障碎片為由內而外的炸裂所致。發生短路故障時短路點先發生放電，再導致環氧樹脂澆筑面在急劇高溫時炸裂、碎片四濺，這些最先炸飛的碎片外表未遭到高溫燒蝕變黑，如圖8所示。

對故障盆式絕緣子中心導體區域、斷裂面、外沿區域等進行X射線探傷，發現除斷裂痕跡外，盆式絕緣子內沒有發現氣孔、夾渣等缺陷。

從故障盆式絕緣子斷裂塊處取樣進行玻璃化轉變溫度和密度試驗，取樣測量值符合要求，盆式絕緣子玻璃化轉變溫度和密度未見異常，如表1所示。

對故障盆式絕緣子解體進行斷裂面檢查，發現B、C兩相間存在明顯的放電通道，中心導體B、C兩相金屬基座均有嚴重放電燒蝕痕跡，白色曲線大致標出了放電通道，如圖9所示。

對同母線上另外兩個盆式絕緣子電性能試驗檢測，A、B、C相均無發現異常，電性能檢測結果合格。在返廠檢查的其他試驗中，通過設計環節、盆式絕緣子生產環節、試驗環節及放電擊穿現象等排查分析，可以排除導體尺寸問題造成的故障。

4" " 故障原因分析

解體發現故障盆式絕緣子放電位置在A-C相左側，放電擊穿位置距A、C相較近，距離B相較遠，初步判定在A-C相左側位置存在缺陷，導致放電擊穿。從擊穿通道走向分析，圓圈內可能存在缺陷，出現放電擊穿后向B、C相擴展，后續擴展到A相，如圖10所示。

從盆式絕緣子開裂的斷面看，開裂的起始位置均位于擊穿通道，屬于先放電，擊穿的同時因內部氣壓驟增導致盆式絕緣子破裂。盆式絕緣子放電開裂原因可能有氣孔、氣隙、內部雜質。通過X射線探傷及電性能試驗合格，排除氣孔問題；使用0.01 mm塞尺對該盆式絕緣子三相中心導體處進行測量，無縫隙排除氣隙問題。

綜上所述，該盆式絕緣子放電原因為：盆式絕緣子制作過程中，裝模時可能混入微小“L”形樹脂片，存在于A-C相左側位置，在澆注過程中與環氧樹脂料緊密結合，形成內部缺陷。由于微小樹脂片與正常環氧澆注原材料密度一致，通過X射線探傷無法明顯觀察到，廠內絕緣試驗未出現異常，故該零件正常流轉。裝配至產品上后，隨著產品的運行，經過長期現場環氧溫度冷熱循環變化，該微小樹脂片與環氧樹脂料之間會逐漸出現微小氣隙，進而在B、C相間產生放電炸裂，造成B、C相母線故障，最終擴展到三相故障，導致220 kV Ⅱ段母線跳閘。盆式絕緣子破裂后裂紋迅速擴展到盆式絕緣子密封槽處，從盆式絕緣子澆帽口噴出氣體，造成母線氣室漏氣。

根據對同氣室內另外兩個盆式絕緣子重新進行的電性能試驗檢測結果，結合設計環節、盆式絕緣子生產環節、試驗環節及放電擊穿現象等排查分析，判斷該主母線盆式絕緣子放電破裂為偶發性設備質量事件。

5" " 總結與建議

綜上所述，故障盆式絕緣子制作時混入了微小“L”形樹脂片，在澆注過程中與環氧樹脂料緊密結合，形成內部缺陷。經過長期現場環氧溫度冷熱循環變化，該盆式絕緣子中微小樹脂片與環氧樹脂料之間逐漸出現微小氣隙，進而在B、C相間產生放電炸裂，造成B、C相母線故障，最終擴展為三相故障，導致220 kV Ⅱ段母線跳閘。

這起故障跳閘事件暴露出兩點問題：1）廠家設備質量管控不到位，特別是在裝模過程中缺乏對零部件的質量管控，讓微小雜質鉆了空隙；2）廠家對零件電性能試驗把控不夠嚴格，X射線探傷裝置分辨率不夠高，對零部件內部微小氣孔、微小雜質存在檢漏情況。

該故障跳閘事件也為未來的運維和檢修工作帶來幾點啟示：1）儲備技術改造項目開展GIS局放在線監測[8]，及時預警、及時處理，防止故障再次發生；2）督促廠家加強設備質量管理，包括生產專業人員能力提升、零部件電性能試驗檢查加強等方面。

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收稿日期：2024-03-29

作者簡介：田新和（1993—），男，四川瀘州人，碩士，工程師，主要從事變電設備檢修、安裝等工作。