一起110 kV氣體絕緣電流互感器放電事故分析

馬永福，包正紅，張紅強(qiáng)，王理麗，陳 堯，林萬德，王生杰，李子彬，王尚斌

(1. 國網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810008；2. 國網(wǎng)青海省電力公司海東供電公司，青海 海東 810600；3. 青海電研科技有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008)

0 引言

電流互感器是電力系統(tǒng)保護(hù)及測量裝置中電流參量的來源，其可靠性與穩(wěn)定性對電網(wǎng)安全運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。因SF6氣體具有良好的絕緣性能，由SF6氣體作為主絕緣介質(zhì)制造的電流互感器以其優(yōu)越的絕緣、抗震、防爆性能以及維護(hù)周期長等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，并已開始逐步取代油浸式結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。但是由于氣體絕緣電氣設(shè)備對內(nèi)部電場、密封性能、氣體質(zhì)量等有著較高要求，局部小缺陷可能會引起設(shè)備整體故障，進(jìn)而引發(fā)電網(wǎng)事故，因此需要從設(shè)備設(shè)計(jì)制造、安裝驗(yàn)收、運(yùn)行維護(hù)等各環(huán)節(jié)進(jìn)行差異化對待。

本文針對一起持續(xù)運(yùn)行近20年的110 kV氣體絕緣電流互感器放電事故，通過外觀檢查、電氣試驗(yàn)、氣體檢測、解體分析、相間比對等方法，結(jié)合故障時運(yùn)行工況、站內(nèi)操作、天氣情況等因素，綜合判斷了事故原因并提出了相應(yīng)建議措施。

1 事故概況

2021年1月9日13時47分，某110 kV變電站1號主變110 kV側(cè)81號開關(guān)C相電流互感器發(fā)生單相接地故障，造成81號開關(guān)跳閘，如圖1所示?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)C相電流互感器氣體密度繼電器表顯氣壓接近為0，靠近P2側(cè)外殼表面有一處放電痕跡，放電點(diǎn)漆皮已脫落，臨近放電點(diǎn)周圍的漆皮被燒成褐色并有多點(diǎn)鼓包現(xiàn)象，人手觸摸放電點(diǎn)時明顯感覺到有小凸起，如圖2所示。故障前站內(nèi)無操作，電網(wǎng)電壓、電流等參數(shù)正常。

2 電流互感器結(jié)構(gòu)

故障電流互感器型號為LVQB-110W2，出廠日期為2000年5月，投運(yùn)日期為2000年11月，絕緣介質(zhì)為SF6氣體。

該型號電流互感器為倒立式結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示；為了便于故障原因分析，繪制其俯視結(jié)構(gòu)示意圖和端面截面示意圖如圖4和圖5所示。氣室內(nèi)主要部件從內(nèi)到外分別為一次繞組的兩匝線圈(兩匝線圈為同軸結(jié)構(gòu)，線圈間通過絕緣材料隔離)、屏蔽筒(屏蔽筒內(nèi)包含鐵芯及二次線圈)和外殼，運(yùn)行狀態(tài)下屏蔽筒通過二次線屏蔽管接地，外殼通過外部連接板和金屬支撐件與中心高壓導(dǎo)體保持等電位，中心高壓導(dǎo)體與屏蔽筒間、外殼與屏蔽筒間依靠SF6氣體絕緣。

3 試驗(yàn)檢測

故障發(fā)生后，運(yùn)維單位第一時間將故障所在整組電流互感器進(jìn)行了更換，并將故障相C相電流互感器和非故障相B相電流互感器在試驗(yàn)大廳內(nèi)進(jìn)行了一系列診斷試驗(yàn)和解體檢查比對工作，具體情況如下。

3.1 絕緣電阻測量

對B、C兩相電流互感器開展了絕緣電阻測量，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

絕緣電阻測量結(jié)果表明，正常相B相和故障相C相電流互感器各繞組間絕緣電阻均合格，表明C相主絕緣絕緣未受到損傷或在故障后恢復(fù)。

3.2 氣體組份檢測

C相電流互感器在故障后氣室表壓接近為0，內(nèi)部氣體已全部泄漏完畢，無法開展氣體組份采樣，故未對該氣室進(jìn)行氣體組份檢測工作。

B相電流互感器內(nèi)部氣室表壓為0.41 MPa，略大于設(shè)備額定壓力值0.40 MPa，經(jīng)檢測SF6氣體純度為99.97%，CO含量為6.6 ppm，無其它特征氣體，微水含量約為12 ppm。檢測結(jié)果表明B相電流互感器氣室內(nèi)SF6氣體性能符合運(yùn)行要求。

3.3 充氣檢查

C相電流互感器在故障后氣室表壓接近為0，說明氣室密封出現(xiàn)破壞情況，為查找密封破壞點(diǎn)，對該電流互感器通過充氣口進(jìn)行充氣，在氣室內(nèi)高壓情況下使用紅外測漏儀檢測其漏氣點(diǎn)。

在充氣到電流互感器氣室表壓顯示約為0.3 MPa時，人耳聽到底部密度繼電器附近出現(xiàn)“嘶嘶”漏氣聲，現(xiàn)場人員聞聲向漏氣點(diǎn)尋去并用手拍打了一下密度繼電器，密度繼電器底部氣回路連接管與接頭密封螺母處出現(xiàn)大規(guī)模漏氣，并不斷從漏氣點(diǎn)吹出白色絮狀物質(zhì)，白色絮狀物質(zhì)在落地后消失，漏出的高壓氣體將箱體下表面灰塵吹凈，如圖6所示。

繼續(xù)充氣至表壓值為0.35 MPa以上，將密度繼電器氣回路閥門關(guān)閉后螺母接頭處不再漏氣，使用紅外檢漏儀對本體其它位置進(jìn)行檢查時未發(fā)現(xiàn)新的漏氣點(diǎn)，表明螺母接頭處為氣室唯一漏氣點(diǎn)。

4 解體檢查

4.1 C相電流互感器解體檢查情況

C相電流互感器外表面有明顯高溫灼燒痕跡，被灼燒處有輕微鼓包現(xiàn)象。在試驗(yàn)大廳內(nèi)對電流互感器進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)故障放電點(diǎn)為外殼高電位對屏蔽筒地電位放電，其中屏蔽筒表面放電位置為內(nèi)、外鋁制屏蔽層拼接處，故障電流將外殼內(nèi)壁燒蝕出深度約為5 mm的凹坑，并將兩層厚度約為3 mm的鋁制屏蔽筒燒穿，其中靠近外殼的燒穿孔面積更大，氣室內(nèi)有大量分解物，中心高壓導(dǎo)體和外殼端蓋等位置有大量金屬噴濺物，離故障點(diǎn)最近的二次線圈表面絕緣材料有被高溫融化的痕跡但無放電痕跡，如圖7—圖10所示。

拆解密度繼電器及氣回路連接管時，發(fā)現(xiàn)氣回路連接管與接頭密封螺母處有松動現(xiàn)象，但密封螺母、繼電器支撐板和緊固螺母間整體緊固狀況良好，如圖11所示。旋出密封螺母，發(fā)現(xiàn)接頭處橡膠密封圈狀況良好，仍呈圓環(huán)狀并且有彈性，未發(fā)現(xiàn)有破損和變形跡象，連接管密封頭內(nèi)部有銅銹現(xiàn)象，如圖12所示，其余金屬部件表面和螺紋等均未發(fā)現(xiàn)異常。

4.2 B相電流互感器解體檢查情況

為進(jìn)行比對分析，將B相電流互感器按照C相拆解順序和拆解方式進(jìn)行解體，B相電流互感器整體密封良好，密度繼電器氣回路連接管與密封螺母間緊固可靠、無松動現(xiàn)象；氣室內(nèi)部清潔狀況良好，如圖13所示，其中心高壓導(dǎo)體、二次線圈屏蔽筒和外殼表面均未發(fā)現(xiàn)明顯放電等異常情況，屏蔽筒內(nèi)外屏蔽層拼接處發(fā)現(xiàn)有拼接錯位和緊固螺絲未擰到位的現(xiàn)象，如圖14所示。

4.3 兩相電流互感器密度繼電器檢查

4.3.1 C相電流互感器密度繼電器

為判斷C相電流互感器密封圈及其密封螺絲、密封頭等整個密封系統(tǒng)的密封性能，在實(shí)驗(yàn)室開展了充氣檢查工作。使用SF6密度繼電器校驗(yàn)儀和專用工裝，從密度繼電器氣回路連接板處向繼電器充氣，如圖15所示，在以下兩種情況下控制氣壓到0.4 MPa后用紅外檢漏儀檢查其附近漏氣情況：

(1)按要求放置密封頭和密封圈，在不使用扳手等任何工具情況下用手?jǐn)Q緊密封螺母，觀察約25 min未在校驗(yàn)儀到密度繼電器的整個回路中發(fā)現(xiàn)漏氣情況，如圖16所示。表明該密封系統(tǒng)的密封性能良好，在密封螺母緊固適當(dāng)時仍可以起到密封作用。

(2)逐漸將密封螺母旋松，模擬解體時密度繼電器氣回路連接管與接頭密封螺母處松動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)松動處逐漸開始大規(guī)模漏氣，與解體時充氣檢查情況一致，如圖17所示。

4.3.2 B相電流互感器密度繼電器

B相電流互感器在解體過程中密度繼電器及氣回路連接管保護(hù)較好，其初始狀態(tài)未發(fā)生改變，在充氣壓力達(dá)到0.4 MPa時整個回路未發(fā)現(xiàn)有漏氣現(xiàn)象。

5 原因分析

1)絕緣電阻測量結(jié)合解體檢查結(jié)果表明，C相電流互感器在發(fā)生氣隙擊穿時內(nèi)部主絕緣被破壞，電弧消失后恢復(fù)到正常合格狀態(tài)；B相氣室內(nèi)氣體微水及組份檢測合格，排除氣體絕緣性能造成故障的因素。

2)在C相電流互感器解體前充氣檢查過程中，發(fā)現(xiàn)密度繼電器底部氣回路連接管與接頭密封螺母處大規(guī)模漏氣，經(jīng)手拍打后漏氣現(xiàn)象加劇，判斷氣回路連接管與接頭密封螺母處本身密封不良，在外力作用下有進(jìn)一步裂化情況，造成密封不良的原因可能為密封系統(tǒng)(密封圈及金屬部件等)異常失效或密封螺母未擰緊。

3)C相電流互感器密度繼電器實(shí)驗(yàn)室檢測情況表明密封系統(tǒng)并無異常失效情況，解體發(fā)現(xiàn)氣回路連接管與接頭密封螺母處有松動現(xiàn)象，但密封螺母、繼電器支撐板和緊固螺母間整體緊固狀況良好，判斷密度繼電器和氣回路管密封螺母未擰緊，3個緊固體裝配尺寸不合格，密封圈未被壓緊、密封可靠性差，在1月8日～9日極寒天氣情況下密封圈、金屬部件體積縮小，且由于不同材料膨脹系數(shù)不一致造成體積形變量不一致，密封間隙增大，進(jìn)而導(dǎo)致漏氣。

4)電流互感器氣室內(nèi)充氣量相對較少，并且氣室壓力值未上傳至監(jiān)控后臺，當(dāng)漏氣持續(xù)時氣室內(nèi)氣體壓力迅速下降，造成中心高壓導(dǎo)體與屏蔽筒、外殼與屏蔽筒之間的絕緣水平不斷下降，在某一臨界狀態(tài)下發(fā)生氣隙擊穿，進(jìn)而導(dǎo)致故障發(fā)生。從解體情況可以看出，內(nèi)、外鋁制屏蔽層拼接處有金屬邊沿突出或錯位情況，表明此處為氣室內(nèi)部電場較為集中的位置，在絕緣不滿足要求時大概率將率先擊穿，這與屏蔽筒表面放電點(diǎn)在屏蔽層拼接處相印證。

6 結(jié)論

綜合上述分析，造成本次故障的原因是：C相電流互感器密度繼電器氣回路連接管接頭密封螺母未擰緊，導(dǎo)致內(nèi)部密封圈未被壓緊、密封可靠性差，在極寒天氣等外部因素影響下密封圈及金屬部件發(fā)生形變出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，因氣室充氣量少，內(nèi)部氣壓在短時間內(nèi)下降進(jìn)而導(dǎo)致氣隙絕緣擊穿，擊穿位置為電場相對集中位置。

7 建議及措施

提高對戶外布置的氣體絕緣電流互感器的重視程度，在全省范圍內(nèi)排查該類型電流互感器使用情況，并采取針對性運(yùn)維措施：一是將所有氣體密度繼電器報(bào)警信號、閉鎖信號等全部接入監(jiān)控后臺，實(shí)現(xiàn)氣體壓力遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證設(shè)備漏氣時運(yùn)維人員能夠及時發(fā)現(xiàn)并處置；二是縮短巡視周期，定期檢查電流互感器外觀并記錄氣體壓力值，如遇極寒天氣等外界環(huán)境劇烈變化時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注；二是開展帶電檢測工作，檢測項(xiàng)目包括紅外測溫、紅外檢漏和氣體組份檢測，檢測項(xiàng)目可結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際靈活選??；三是結(jié)合停電周期開展電氣試驗(yàn)，項(xiàng)目包括絕緣電阻測試、角差比測試和氣體組份檢測等；四是做好備品備件儲備。

在氣體絕緣設(shè)備到貨驗(yàn)收時，注意檢查氣管連接等隱蔽部位，確保各部位連接可靠，無松動、變形、密封失效等問題，做好充入氣體的組份和微水檢測工作，嚴(yán)格按照規(guī)程要求完成現(xiàn)場交接試驗(yàn)，把關(guān)設(shè)備入網(wǎng)質(zhì)量。

做好設(shè)備選型工作，在高原地區(qū)選用氣體絕緣電流互感器時應(yīng)經(jīng)充分論證，所用設(shè)備的結(jié)構(gòu)、材料、工藝等均應(yīng)滿足高海拔大溫差環(huán)境下的安全運(yùn)行要求。同時，應(yīng)對設(shè)備運(yùn)輸、吊裝等環(huán)節(jié)進(jìn)行管控，避免設(shè)備結(jié)構(gòu)或零部件損壞。