GIS典型故障案例原因分析及可靠性提升.pdf

2023.21 科学技术创新GIS 典型故障案例原因分析及可靠性提升赵平，李金狮（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山）引言气体绝缘金属封闭开关（GIS）是将断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷以及母线等多种元件组合在一起的开关设备1，承担着电力系统负荷控制、安全保护的重任，其可靠性关系到电网的安全和供电的质量2。随着电网运行管理水平的提升，对 GIS 的可靠性要求日益提高，少维护和无维护的呼声与日俱增3。本研究对 GIS 设备在研发、制造和运行中出现的几起故障进行分析，总结了故障原因和设计经验，希望能够为初学者提供帮助。1典型故障原因分析及结构改进1.1屏蔽罩设计不良引发的绝缘支撑筒放电闪络1.1.1故障情况2021 年某型号 GIS 出厂试验中，共发生三次断路器绝缘支撑筒内壁沿面放电，放电通道贯穿整个绝缘筒，见图 1。1.1.2原因分析绝缘支撑筒两端设有金属嵌件，一端与外屏蔽和内屏蔽连接，运行时承受高电压，另一端固定在安装板上，运行时接地，外屏蔽、内屏蔽、绝缘筒高压嵌件、绝缘拉杆嵌件以及绝缘件沿面的电场强度互相影响4，设计结构见图 2。图 2产品结构对放电的断路器进行解体检查，断路器内部洁净，无灰尘、金属屑等异物。绝缘筒表面光滑，无明显制造缺陷，X 射线探伤无异常，绝缘筒端部内、外金属屏蔽无毛刺。内屏蔽固定螺栓表面有轻微放电痕迹，放电原因可能是屏蔽罩处螺栓表面场强较大引起的放电。建立放电部位的电场仿真模型，内外屏蔽、高压侧金属嵌件和螺栓施加 1 050 kV 电压，安装板和低压摘要：气体绝缘金属封闭开关（GIS）是高压输变电系统的重要组成部分，进一步提高其可靠性是提升电网运行质量的迫切需求。文章列举了 GIS 设备试验、制造、运行过程中出现的绝缘击穿、开断失败、悬浮电位三起典型故障，分析了引起故障的原因及对应的有效改进措施，并提出了设计环节、验证环节和制造环节的质量控制措施，提升 GIS 运行阶段的可靠性。关键词：GIS 故障案例；原因分析；可靠性中图分类号院TM564文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤21-0043-04图 1绝缘支撑筒沿面放电作者简介：赵平（1983-），女，本科，中级工程师，从事高压封闭组合电器设计开发工作。43-科学技术创新 2023.21侧金属嵌件施加 0 电位4。计算结果显示螺栓电场强度为 2.7 kV/mm，但螺栓处在高压屏蔽、环氧树脂和SF6 气体形成的三交区内，对表面光洁度要求较为苛刻5，用扳手紧固时很容易受挤压局部凸起，造成电场的畸变，导致放电的发生。1.1.3结构改进优化绝缘筒内屏蔽、外屏蔽和绝缘筒金属嵌件的配合尺寸，改进前后尺寸对比见图 3。（改进前）（改进后）图 3改进前后尺寸对比改进前后电场强度对比见表 1，螺栓表面场强有明显降低，改进后的产品质量稳定，出厂试验未发生绝缘筒放电现象。表 1改进前后电场强度对比1.2屏蔽罩毛刺引发的断路器开断失败1.2.1故障情况某型号 252 kV GIS 断路器在 T100a 长燃弧开断试验中，电弧开断 6 ms 后出现了对地电流，对地电流持续 8 ms 后绝缘恢复，异常波形见图 4。1.2.2原因分析解体检查发现断路器静端屏蔽罩气流孔和外壳之间有放电痕迹，见图 5（a）和图 5（b），部分气流孔边缘存在毛刺。（a）（b）图 5断路器屏蔽罩对地放电痕迹断路器设计结构见图 6，开断短路电流时，电弧在大喷口内部的动弧触头和静弧触头之间燃烧，产生的热量一部分随着气流吹向静弧触头侧，一部分顺着金属拉杆内孔流至屏蔽罩内部，再由屏蔽罩气流孔吹向外壳。T100a 长燃弧开断时产生的热量较多6，热气流速度大，气流区域绝缘能力降低，加上气流孔周边毛刺造成的电场畸变7-8，导致屏蔽罩与外壳之间绝缘不能承受开断时的恢复电压而发生放电9。将屏蔽罩气流孔打磨光滑后试验顺利通过。1.3隔离开关内部悬浮电位造成的放电故障1.3.1故障情况某型号 GIS 通过耐压试验，送电运行后，母线隔离开关内部出现“吱吱”的异常响声，随即停电对隔离开关进行解体检查，发现隔离开关传动绝缘子接地侧金属嵌件内部有黑色粉末，见图 7，其余部位无异常。改进前电场 改进后电场 判据 考核位置 kV/mm kV/mm kV/mm 外屏蔽 23.5 23.5 29 内屏蔽 27.7 28.6 29 螺栓 2.7 0.11 6 绝缘筒沿面 6.5 6.9 14.5 绝缘筒嵌件 20.2 15.3 21.6 绝缘拉杆嵌件 18.7 16.6 21.6 图 4T100a 长燃弧开断录波44-2023.21 科学技术创新1.3.2原因分析隔离开关传动结构见图 8，操动机构通过齿轮带动传动轴转动，三个传动绝缘子与传动轴同轴连接，带动三相动触头运动，实现分合闸操作。产品运行时，A、B、C 三相带电，传动绝缘子 1 右侧承受 63.5 kV 运行电压，左侧接地。图 8隔离开关传动结构隔离开关解体后对传动轴、传动绝缘子进行尺寸测量，传动绝缘子金属嵌件方孔图纸要求尺寸为24.224.25 mm 之间，实测尺寸为 24.95 mm，超出了公差范围，传动轴尺寸合格。因传动绝缘子嵌件方孔超差，导致传动轴与传动绝缘子间的存在较大间隙，传动绝缘子的活动空间增大。带负荷运行后，传动绝缘子在电动力的作用下振动，发出异响。在振动的同时绝缘子嵌件在某一时刻处于悬浮状态，导致嵌件产生感应电压对传动轴放电10，在振动摩擦和 SF6 分解共同的作用下产生黑色粉末。1.3.3结构改进传动轴与传动绝缘子之间增加弹簧，改进后结构见图 9，确保金属嵌件与传动轴可靠接触，消除悬浮电位。图 9改进后结构2预防措施2.1设计环节设计环节应全面梳理电网公司的各种反措条款，结合 GIS 各种严苛使用工况，在结构设计上考虑应对措施。建立计算机有限元模型，进行绝缘、机械、热传导、固有频率和其他工况仿真分析，做到既满足设计需求，又无设计冗余11。2.2验证环节型式试验是产品得到认可的必要条件，虽然试验条件非常苛刻，但其样本较少。本着对产品进行试验-改进-再试验的思路，工程应用之前，对产品进行小批量的稳定性验证，充分暴露产品潜在的不可靠因素。2.3制造环节从原材料采购到零件加工、入库检查、装配、调试、出厂试验等全过程加强质量监督，制造过程的每一步必须按照质量体系标准和工艺、技术文件执行，严格把好质量检查的关卡。结束语通过对绝缘裕度不足导致绝缘筒沿面放电、屏蔽罩表面质量不良导致 T100a 开断失败、零部件尺寸超差导致悬浮放电、母线共振产生异响四起故障现象的图 7传动绝缘子金属嵌件处黑色粉末图 6断路器结构及放电通道示意45-科学技术创新 2023.21Analysis of Typical GIS Fault Cases andReliability ImprovementZhao Ping,Li Jinshi（Henan Pinggao Electric Co.,Ltd.，Pingdingshan,China）Abstract:Gasinsulatedmetalenclosedswitch(GIS)areimportantcomponentsofhigh-voltagetransformation systems,improving their reliability is an urgent need to improve the quality of power gridoperation.Thearticleliststhreetypicalfaults,insulationbreakdown、disconnectionfailureandfloatingpotential that occurred in the testing,manufacturing,and operation of GIS.The reasons for the faults andcorrespondingeffectiveimprovementmeasuresareanalyzed,qualitycontrolmeasuresforthedesign,verification and manufacturing stages are proposed to improve the reliability of GIS operation stage.Key words:GIS fault cases;cause analysis;reliability原因进行分析，给出了解决措施。提高 GIS 设备的可靠性，降低故障风险，应从设计环节提高设计的合理性，在验证环节进行充分的可靠性验证，在制造环节加严质量检查控制。参考文献1钟建英，陈刚，谭盛武，等援高压开关设备关键技术及发展趋势J援高电压技术，2021，47(8):2769-2782援2崔洪舰，陈国顺，刘涛援一种新型小型化 252 kV GIS设备的研制J援高压电器，2014，50(2):105-108援3林莘援现代高压电器技术M援北京：机械工业出版社，2011援4黎斌.SF6 高压电器设计M援北京：机械工业出版社，2003援5王飞鸣，赵义松，史可鉴，等援高压 SF6 断路器开断零区电弧特性仿真分析 J援 高电压技术，2019，45(5)：1420-1428.6王春艳，巫世晶，王亚鸽，等援紧凑型 252 kV GIS 产品研发及单元化设计J援高压电器，2018，54(10):215-220援7陈志彬，刘景波，骆虎援紧凑而可靠的新型 126kV 三相共筒型 GISJ援高压电器，2009，45(3):113-116援8胡辉援新型 252 kV GIS 产品设计理念及关键技术J援电气技术：2013(5):103-117.9林莘，王飞鸣，冯凯，等援高压 SF6 断路器介质绝缘强度恢复机理研究J援中国电机工程学报，2017，37(20)：6118-6125援10徐国政，张节容.高压断路器原理和应用M援北京：清华大学出版社，2006援11艾华强.高压电器 GIS 设计研究D援苏州：苏州大学，2015援46-