【摘要】由于结构小型占地少，可靠性高，安全性好等优点，在现代的电力系统中，GIS设备已经得到广泛地运用。但GIS设备一旦发生故障，很难通过在短时间内查出并进行消缺。本文从GIS设备的简要特点出发，详细分析两起GIS故障的发现和处理情况，并对220kVGIS设备的运行维护提出新的建议和要求。
【关键词】GIS设备 故障分析 运维建议
【引言】近年来深圳变电站数量增长迅速，截止目前，深圳供电局以东西部电网供电区域划分为变电管理一所和变电管理二所。目前变电管理一所共管辖变电站122座，其中GIS设备变电站93座。按电压等级区别变电管理一所共有220kV以上变电站26座，其中有21座为GIS设备变电站，由此可见，在深圳电网中，GIS设备已经得到广泛运行。GIS设备有其占地面积及体积小、可靠性高、安全性好、受环境影响小、安装周期短、运行维护方便的优点，但也由于其内部结构复杂，发生故障后，恢复困难维护间隔长。本文从GIS设备简要特性出发，从两个220kVGIS设备故障案例分析，浅析220kVGIS设备运行维护在目前应关注的事项。
一、GIS设备的特点。
GIS设备全称为SF6全封闭组合电器或六氟化硫封闭式组合电器。它将一座变电站中，除变压器以外的一次设备包括由断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、接地开关、出线终端等，经过优化设计有机地组合成一整体，内部充有一定压力的SF6气体，SF6气体也是它的绝缘和断路器消弧介质。相对于敞开式变电站，GIS设备有以下优点：（一）结构小型化，占地面积及体积小。据统计110kV等级GIS变电站占地积为敞开式的7.6%，体积为敞开式的6.1%；而220KV等级GIS变电站的占地面积为敞开式的4.0%，体积为敞开式的2.1%。（二）可靠性高。防误闭锁功能较为完善：带电部分全部密封于惰性气体SF6中，与盐雾、积尘等外部影响隔离，大大提高了运行的可靠性，还具有优良的抗地震能力。（三）安全性好。带电部分密封于接地的金属壳内，因而无触电危险；SF6气体为惰性气体，无火灾危险。（四）受环境影响小。可用于湿热、污秽、高寒等严酷环境条件。其带电部分全封闭在金属壳体内，对电磁和静电实现屏蔽，不会产生噪音和无线电干扰等问题。（五）安装周期短。可以在制造厂实现整机装配，试验合格后，以单元或整个间隔的形式运达现场，缩短现场安装的工期。（六）运行维护方便。检修周期长，主要部件的维修间隔不小于20年。尽管GIS设备具有很高的可靠性，但由于厂家材料、施工工艺等方面容易出问题，GIS设备同样会出现故障。
二、两起220kVGIS设备故障分析。
（一）刀闸分合闸不到位案例。
2017年3月15日，通过GIS设备母线侧刀闸X射线数字成像检测技术，专业人员在220kV丽晶站发现母联20122刀闸“合闸不到位”严重现象，其中20122A相刀闸的触头插入深度仅为7.8mm（标准：40±2mm）。该设备属于北京北开电气股份有限公司2010年01月生产的ZF19-252型GIS设备，于2011年投运。经带电检查，20122刀闸指示牌、拐臂观察孔与合闸位置对位孔明显不正，而传动连杆备紧螺母、六方轴紧固未发现有松脱情况；220kVGIS设备局放检测正常无明显局放信号，2012开关间隔微水测试均合格；红外测试中，20122A相刀闸外壳温度20.5℃，BC相19.6 ℃ （负荷电流63A），温度不平衡为0.9℃（X射线成像显示A相触头插入深度最短）。虽然局放测试、化学测试正常，且温差未超过2K(负荷电流较小)，但从对位孔及X光射线成像可确认20122刀闸插入深度严重不足，怀疑触头在高负荷下已有烧损。
4月22日变电管理一所对220kV丽晶站20122刀闸“合闸不到位”重大隐患进行内窥镜检查和修复处理。开盖检查发现： 三相刀闸动触头、静触头触指镀银层均存在不同程度的过热烧蚀发黑的问题，与之前X射线检查判断一致，分析判断为该刀闸限位行程开关运行中震动偏位，导致机构合闸行程减小，引起导致合闸不到位接触面不足。经现场技术分析，立即制定方案对烧损触指和触头进行有效修复或更换处理，成功避免了一起因刀闸过热引起的GIS内部故障和220KV母线关键设备跳闸事件的发生。
（二）选材不合理导致内部局放性故障案例。
2018年1月29日，变电管理一所运行人员按计划对220kV水贝变电站220kV深水甲线2421开关开展特巡时发现深水甲线2421开关6M侧24216刀闸B相气室里发出疑似轻微放电声音。通过与相邻正常运行间隔设备反复对比后，怀疑该刀闸气室可能存在放电现象。该隔离开关设备属于现代重工（中国）电气有限公司2012年4月生产的300DSM2型GIS设备，于2013年投运。
为消除疑问，运行人员迅速将现场情况通知相应专业班组。经试验专业对24216刀闸各相气室进行超高频、超声局部放电检测及气体组分测试后，确认24216刀闸B相气室存在局放现象。2018年1月30日凌晨紧急停电，经检修专业开盖检查，发现24216刀闸B相传动拉杆绝缘杆连接处存在大量金属粉尘，且刀闸动触头靠绝缘拉杆处有明显过热烧黑现象。检查过程如下：
1、外观检查。发现缺陷隐患后，对220kV深水甲线GIS设备外观进行检查，无明显异常，外壳红外测温正常。现场使用X射线成像仪对局放点进行检查，未发现明显异常。
2、超声波模式检测。
对24216刀闸A、B、C三相相同位置进行超声测试，测试结果如下：
对24216刀闸B相靠24215刀闸侧、24216刀闸B相、24216刀闸靠开关CT侧、24216刀闸靠6M侧、24216刀闸绝缘拉杆尾端五个位置进行超声测试，测试结果如下：
通过相间对比可见，24216刀闸筒壁B相超声波100Hz分量幅值最大，为7mV，C相次之，为1.5mV，A相幅值最小，为0.5mV，因此初步判断故障点位于24216刀闸B相。对24216刀闸B相进行纵向比较，24216刀闸B相绝缘拉杆尾端筒壁超声波100Hz分量最大，为30mV；24216刀闸筒壁超声波信号次之，为7mV；24215刀闸、24216刀闸靠6M侧、2421开关CT的筒壁超声波幅值均小于5，初步判断超声波的声源位于24216刀闸内部靠绝缘拉杆的位置。
3、特高频模式测试。
进行空气中背景信号测试，发现空气中弥漫有明显电磁波信号
图-4 远离2421间隔空气中背景信号图-5 靠近2421间隔空气中背景信号
20kV深水甲线间隔及其邻近间隔均有明显电磁波信号
图6 深水甲线间隔特高频测试典型图谱
过对比可见，GIS设备内部电磁波幅值明显大于外部，且信号相似度较高，具有悬浮电位放电的特征，初步判断信号应从220kV深水甲线2421间隔内部传出，因信号幅值较高，距离衰减不明显，因此附近区域测得信号无显著差异。
4、精确定位。
通过上述测试可初步判断局放源位于24216刀闸绝缘拉杆位置附近，随后用示波器连接两个特高频传感器通过放电脉冲到达传感器的先后对局放源进行精确定位。通过3组测试进行定位分析后，可以初步判定局放源位于24216刀闸靠24215刀闸侧盆式绝缘子与24216刀闸靠2421开关CT侧盆式绝缘子之间，即24216刀闸纵向的中间位置，此处为绝缘拉杆位置，与超声波模式定位位置一致。
5、气体组分检测。
停电后，发现疑似局放位置，化学专业对24216刀闸气室进行了气体现场分解产物测试，测试结果如下表。
气体分解产物测试A、B、C三相测试SO2含量均超标准值，其中B相超标值明显高于A、C两相，与特高频、超声测试结果基本一致。
6、开盖检查。开盖后将刀闸动触头拔出，检查发现了明显的粉尘及烧蚀痕迹。
7、新旧零部件对比。将拆下来旧的磨损部件与厂家发来的新部件进行了尺寸和结构、成分对比，其中圆柱销无论从结构上还是材质上均发生了变化。新圆柱销材质为不锈钢304，并且有定位槽；旧圆柱销：主要成分Fe，表面镀锌。
综合以上分析，可判断本次深水甲线24216刀闸气室局放异常故障原因是：刀闸绝缘拉杆的嵌件与动触头金属连接部位圆柱销部位严重磨损，产生金属粉未和放电间隙，造成严重金属颗粒悬浮放电、间隙放电。同时，根据三相刀闸开盖检查情况及220kVGIS局放检测情况，判断全部220kV刀闸均存在该隐患，该型GIS设备存在产品设计、选材不合理，初步判断为家族性批次缺陷。该家庭缺陷于2018年5月才全面在220kV水贝被消除。
三、以上两种220kVGIS设备运行注意事项
（一）针对案例1刀闸分合闸不到位现象，由于该型号刀闸因分合不到引起设备事故已有案例，因此该站GIS设备运维需注意：1、该站刀闸操作时，应检查拐臂孔与对位孔是否正对，若不正时应及时通知专业班组现场检查；2、对本体其他间隔刀闸分合状态均开展X光探伤，若发现合不到，应及时通知专业班组开展红外测温；每年迎峰度夏前对本站的GIS设备进行全面的红外测温，在环境温度较高的天气下进行红外成像留档，对外壳温差达到1K以上的设备进行关注并分析；3、后续若有扩建工程，对于本型号新设备，专业验收要求开展刀闸特性、回路电阻、转角角度行程测试，以便运行后作为数据对比依据。
（二）针对案例2产品设计、选材不合理导致局放现象，由于定义为家庭缺陷，因此需纳入公司了年度反措计划，按轻重缓急分一至两年内完成批量更换，并优先恢复220kV深水甲线正常运行方式。其他同厂家GIS变电站在巡视过程应重点关注类型异响，同时应在有条件的GIS变电站投入使用在线局放监测装置运行进行辅助监测。
四、探讨220kVGIS设备新运维的想法
从以上第一个案例可以看出，GIS设备巡视仅通过“望、闻、听、摸”已无法面面俱到，即使第二个案例是由运行人员通过声音初步判断，但声音的辨识度因人而异。因此，从自身12年的运行经验出发，我有了探讨220kVGIS设备新运维方法的想法。
（一）GIS新运维管理思路对运行人员有了更高的技术要求。运行人员不仅需要掌握普通传统的巡视方法，如检查环境巡视、外观巡视、表计巡视、压力表记录等，还要利用好各种辅助巡视工具，比如可以引入轨道巡视机器人辅助巡视；定点长时间用红外测温仪持续录像测温；在线自动局放监测等等。在目前日益成熟的物联网、大数据时代，随着变电站数量的增加以及人员相对短缺，运行人员需要渐渐将数据收集端交由机器人或自动监测装置完成，而转换为数据分析员，掌握从机器端获取的数据，并从运维数据中发现设备异常或缺陷。
（二）提前介入设备监造，提出设备运维需求。长期以来，运行人员是“被动”巡视或操作使用设备，在变电站GIS设备安装前，由于专业分工，运行人员对GIS设备的参数性能及操作习惯大多是不了解的，只有在投产前才掌握其操作特点及维护要求。在目前GIS设备广泛运用的情况，运行人员应该提前介入GIS设备型号审查工作、设备监造工作，调研厂家关于气室内部使用相关配件、导体等材质，同时将变电站日常对GIS的运维信息传递给生产厂家，促进厂家长期进行技术更新。例如进口GIS设备的人机工效，表计方向统一性等等普遍都做得比较好，这肯定与其长期的技术改进分不开的。
【结束语】
近年来，深圳电网变电站数量增长迅速，GIS变电站已占绝大部分数量。通过详细分析两起GIS故障事例，说明220kVGIS设备缺陷发现的过程的不易及确认分析故障的原因，并由两起案例引发对运行人员运行管理思路的新想法和对设备监造的新建议。
论文作者:朱县盛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
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