500 kV GIS断路器灭弧室放电分析与处理.pdf

500 kV GIS断路器灭弧室放电分析与处理可翀，刘星伟，李威，焦海龙，赵胜男（国网河南省电力公司超高压公司，郑州450000）摘要：文中介绍一起500 kV GIS断路器故障分析案例，经现场检查、设备解体发现灭弧室内部动侧屏蔽罩与正下方壳体间形成放电通道，壳体内表面碳化部位存在烧蚀颗粒，通过开展壳体内壁附着金属颗粒情况下的电场仿真，判断断路器内部存在异物导致本次放电。为探究放电异物来源，对烧蚀物进行电镜扫描（SEM）并结合断路器分闸时断口位置的流体仿真，判定放电异物来源为动主触头镀银层脱落的可能性较小，在断路器分合操作和电磁场的作用下，厂内装配及机械试验过程中存留金属碎片移动至绝缘薄弱位置是导致放电的主要原因。针对设备结构、出厂试验、例行检测提出相应的预防措施，为相关设备的运行维护提供经验借鉴。关键词：解体检查；屏蔽罩；电镜扫描；流体仿真；金属碎片Analysis and Treatment of Discharge in Interrupter of 500 kV GIS Circuit BreakerKE Chong，LIU Xingwei，LI Wei，JIAO Hailong，ZHAO Shengnan（State Grid Henan Extra High Voltage Company，Zhengzhou 450000，China）Abstract:This paper introduces a fault analysis case of 500 kV GIS circuit breaker.Through onsite inspection andequipment disassembly，it was discovered that a discharge channel formed between the moving side shield inside thearc extinguishing chamber and the casing directly below it.The inner surface of the casing was carbonized，with signsof ablated particles.By conducting electric field simulations with metal particles attached to the inner wall of the casing，it was determined that a foreign object within the circuit breaker caused the discharge.To investigate the sourceof the dischargecausing foreign object，a scanning electron microscopy（SEM）examination of the ablated materialwas carried out.Combined with the fluid simulation of the breaker s disconnection position when it trips，it was determined that the possibility of the dischargecausing foreign object originating from the detachment of the silverplatedlayer on the moving main contact is relatively low.The main cause of the discharge was determined to be metal fragments leftover from factory assembly and mechanical testing，which moved to a position of weak insulation under theeffect of circuit breaker operation and the electromagnetic field.Preventive measures are proposed for equipmentstructure，factory tests，and routine inspections，providing valuable experience for the operation and maintenance ofrelated equipment.Key words:disassembly inspection；shield；electron microscopy scanning；fluid simulation；metal fragments0引言GIS(gas insulated switchgear)是一种采用 SF6气体作为绝缘介质，并将高压电器元件(断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线和终端构成)密封在金属筒中的全封闭组合电器，其具有体积小、占地面积少、不易受外界环境影响等优点，近年来在电力系统中得了广泛的应用1-4。由第59卷第8期：017301792023年 8月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.8：01730179Aug.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.08.020_收稿日期：20230306；修回日期：202305122023年8月第59卷第8期于GIS设备的密封性，其内部状态的不可见性，在生产、运输、现场安装和带电运行中极易产生某些缺陷，从而引发局部放电导致绝缘劣化或失效5-16。1故障简况2020年8月9日500 kV HD变电站，H 500kV母双套差动保护动作，5012、5022、5052 断路器跳闸，造成H 500 kV II母跳闸，未造成负荷损失。当日，站内无操作，无设备异常信号，所在地天气晴，微风，气温2433。500kV GIS设备采用3/2接线方式，5012、5022、5052断路器运行于母，一次设备接线见图1。图1500 kV一次设备接线图Fig.1500 kV primary equipment wiring diagram2现场检查检修人员调取设备保护动作及故障录波数据见图2，发现故障点在H5012 A相断路器两侧CT之间，故障电流为20.1 kA。之后对组合电器设备进行SF6气体组分检测，发现H5012断路器A相气室SO2体积分数为 293.3 L/L，远超注意值(1 L/L)，而5011、5012间隔内其他气室检测数据均未见异常，见表1。现场对H5012断路器A相手孔盖板进行开盖检查，发现机构侧灭弧室动触头屏蔽罩有烧蚀痕迹，粒子捕捉器表面附着有白色放电分解物，见图3。3解体检查综合现场一、二次设备检查情况，初步判断H5012 A相断路器存在导体接触不良或尖端性电晕放电。为进一步查找设备异常失压原因，对设备进行返厂解体检查。3.1关键位置检查打开断路器顶部盆式绝缘子，表面无沿面放电痕迹，状态正常，但附着有少量白色放电分解物，见图4。接着，对灭弧室进行解体发现其表面附着有大 174量的白色放电分解物，机构侧屏蔽环六点钟方向表面位置有放电烧蚀痕迹，附近的绝缘台和框架有放电喷溅的痕迹，喷口处有正常的烧蚀痕迹。静侧表面附着有大量的白色放电分解物，屏蔽、触头、绝缘支撑等零部件正常，未发现放电痕迹见图5。动触头表面十点钟方向，有一处与触指接触后挤压导致触头变形约2 mm的痕迹，脱落部位大小约(45)mm2，静主触头对应位置1片触指有变形情况见图6。通过精测发现，该片触指向内变形，变形量约1.5 mm。对主触头镀银层结合力进行测试，结果表明触头表面镀层结合力合格。3.2放电位置检查高压侧放电点为机构侧屏蔽罩下方六点钟方向，附近的绝缘台和框架有放电喷溅的痕迹。放电屏蔽罩正下方壳体内表面有一处直径约40 mm，深度约5 mm的烧蚀坑，烧蚀坑附近壳体表面油漆在电弧高温下，有直径约260 mm的碳化痕迹，壳体表面存在烧蚀颗粒，详见图7。4试验仿真分析4.1电场仿真根据放电位置检查情况，发现在壳体碳化部位出现烧蚀颗粒，对断路器筒体内壁附着颗粒物的情况进行有限元仿真计算。ZHW8-550型HGIS单断口断路器内部未安装均压电容，内部框架及屏蔽结构尺寸较西开双断口断路器有所减小，其壳体内径800 mm，壳体距屏蔽最短距离为160 mm(西开双断口断路器壳体内径1 000 mm，壳体距屏蔽最短距离图2500 kV II母双套差动保护录波数据Fig.2Recorded waveform data of 500 kV busbardifferential protection in bay表1SF6气体分解物检测Table 1SF6gas decomposition detection测试气室5011A5011B5011C50111A5011CT1A50112A5011CT2A5012A5012B5012C50121A5012CT1A50122A5012CT2A湿度(20 C)/(LL-1)120.8123.5122.7110.6123.8120.7111.9197.1147.6151.3109.9123.1130.4128.3纯度/%99.999.999.999.999.999.999.999.999.999.999.999.999.999.9SF6分解产物/(LL-1)SO20.00.00.00.00.00.00.0293.30.00.00.00.00.00.0H2S00000000000000注：Q/GDW 18962013 SF6气体分解产物检测技术现场应用导则 要求，湿度500 L/L；纯度97%；SO2、H2S1 L/L。图3H5012断路器A相机构现场检查Fig.3Onsite inspection of H5012 circuitbreaker mechanism A phase图4断路器与CT间盆式绝缘子Fig.4Disassembly inspection of arcextinguishing chamber开关设备可 翀，刘星伟，李 威，等.500 kV GIS断路器灭弧室放电分析与处理 1752023年8月第59卷第8期为200 mm)。断路器内部额定气压为0.6 MPa，根据厂家设计标准，电场场强应满足在27 kV/mm以下。当动侧屏蔽下方存在长度5 mm的圆锥形金属颗粒时，将会引发电场畸变，如图8所示，额定电压运行时金属颗粒周围场强最大可达54.3 kV/mm超出厂家所要求的标准，增加筒体内壁与动侧屏蔽间发生间隙放电的风险。图8颗粒物电场仿真Fig.8Electric field simulation of particles4.2放电异物来源分析断路器在开合摩擦过程中会产生金属颗粒17-19，为进一步探明放电异物来源，对断路器分闸时断口位置的流体仿真。ZHW8-550型HGIS断路器采用压气室灭弧原理，分闸时，如果动、静主触头因碰撞接触及摩擦产生金属异物掉落，在重力及气吹的作用下，其轨迹如图9中箭头所示，异物将大概率随气流吹至静侧框架及静侧屏蔽。在强气吹的作用下，其轨迹如图10中箭头所示，异物将大概率通过活塞杆落入动侧的框架中，以及随喷口气流吹至静侧的框架中。图9动静主触头处存在金属微粒的运动轨迹Fig.9Movement trajectory of metal particles at themain contacts图10动静弧触头处存在金属微粒的运动轨迹Fig.10Movement trajectory of metal particles at thearcing contacts图5灭弧室组件检查Fig.5Component inspection of arc quenching chamber图6断路器动、静主触头照片Fig.6Photograph of circuit breaker moving and fixedmain contacts图7屏蔽罩下方放电点及罐体上放电点Fig.7Photograph of circuit breaker moving and fixedmain contacts 176根据灭弧室内部气体流动仿真模拟，判断磨损金属微粒在分闸时大概率会向静侧方向移动，受重力作用落到静侧屏蔽内部。若金属微粒从动静触头之间漂移，也会集中在断口正下方的粒子陷阱中。接着对H5012 A相壳体内部放电烧蚀坑附近的放电烧蚀物进行取样采集，经SEM能谱分析确认放电残留物主要成分为F、AL，未发现Cu、Ag质量分数，见图11。图11放电烧蚀物分析结果Fig.11Analysis results of discharge ablation5故障原因分析根据HD变H5012 A相断路器故障后返厂解体情况以及有限元仿真结果，H5012 A相GIS断路器内部存在异物，引起电场畸变，导致电场强度增大，致使壳体与机构侧屏蔽罩间发生间隙放电，造成本次故障。分析H5012 A相断路器放电异物来源可能有以下两个方面：1)因静主触头变形，动、静主触头在操作过程中异常摩擦，造成动主触头镀银层脱落。动触头为铍青铜材质，表面镀50 m的银层。从H5012 A相断路器动主触头镀银层挤压痕迹和静主触头变形位置可判断，动触头镀银面损坏是由于静触头触指向内变形，造成断路器合闸冲击过大，导致动触头表面镀银层挤压。通过对断路器内部气流进行仿真，分析即使动触头磨损有异物脱落，将大概率被吹向静侧屏蔽内部或受重力作用掉入下方的粒子捕捉器中，掉落在机构侧壳体上的可能性较小。因此，判断放电异物来源为动主触头镀银层脱落的可能性较小。2)厂内装配及机械试验过程中存留金属碎屑，如果清理不彻底，将会导致金属异物留存在屏蔽罩内、螺钉缝隙等处20，而在厂内绝缘试验和现场交接试验时无法有效发现。此类留存的金属异物在设备运行过程中，在断路器分合操作和电磁场的作用下，位置发生改变，移动至屏蔽罩与壳体之间绝缘薄弱位置，最终导致屏蔽罩对壳体放电。因此，判断放电异物来源为厂内装配及试验过程中存留金属碎屑的可能性较大。6结语6.1处理措施更换HD变H5012 A相组合电器断路器，设备出厂前工频耐压、雷电冲击、局部放电、机械特性试验数据均合格，并在厂内准备一相同型号组合电器，作为应急处置专用备件。针对HD变在运4个间隔ZHW8-550型HGIS断路器内部异物放电隐患，在首检前组织厂家完成专项排查工作，重点对所有气室开展SF6气体成份、特高频及超声波局部放电检测。6.2预防措施针对故障原因分析结果，结合运行经验对文中同类型断路器提出以下预防措施：1)加强对入网组合电器的质量管控，在厂内监造环节重点做好机械操作200次试验、开盖清理及出厂试验的见证和技术把关。2)优化对断路器动侧屏蔽罩位置，增加其与壳体间的绝缘距离，改善断路器内部场强分布。3)定期对同型号设备气室开展SF6气体成份、特高频及超声波局部放电检测，并建立试验数据库，进行对比跟踪检测。参考文献：1黎斌.SF6高压电器设计M.北京：机械工业出版社，2003LI Bin.Design of SF6high voltage electrical appliancesM.Beijing：China Machine Press，2003.2米尔萨德 卡普塔诺维克.高压断路器理论、设计与试验方法M.王建华，闫 静，译.北京：机械工业出版社，2015.KAPETANOVIC M.High voltage circuit breakerstheory，design，and test methodsM.WANG 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