GIS设备技术发展及典型事故分析.ppt
2004-12-14,1,GIS设备技术发展及典型事故分析 中国电力科学研究院,主要内容,前言装用基本情况技术经济性分析产品的技术进步 几起典型的GIS设备故障结语,第一部分 前言,第一部分 前言,我国变电站主要有三大类 一类是采用常规敞开式开关设备(Air Insulated Switchgear)另一类是气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear）第三类是复合式气体绝缘金属封闭开关设备（Hybrid Gas Insulated Switchgear,即HGIS）还有一种敞开式组合电器,第二部分 装用基本情况,GIS设备的研究和开发始于上世纪50年代的欧洲和日本，我国在七十年代初开始使用GIS设备，八十年代中后期开始应用在500kV电网中，第一套550kV GIS应用在广东江门500kV变电站，由ABB公司制造生产，型号为ELKSL3。第一套国内自主生产的550kV GIS设备为原沈阳高压开关厂生产，型号为ZFW，于1992年应用在东北电网500kV辽阳站，已于2007年彻底退役。,第二部分 装用基本情况,1.装用情况,第二部分 装用基本情况,随着用电负荷需求的不断增长，电网建设规模逐年扩大，尤其是近两年国家电网公司提出建设坚强电网的要求以来，电网建设投资呈倍增长。截至2008年底，敞开式断路器和GIS设备（断路器间隔）的装用情况见表1。,CB:台 GIS：间隔,第二部分 装用基本情况,表1 敞开式断路器及GIS设备装用情况,第二部分 装用基本情况,图1 GIS和断路器同比增长趋势图,2.装用情况趋势分析,从表1可以看出，至2008年底，组合电器装用量的年平均增长率依次为：363kV550kV252kV126kV72.5kV。敞开式断路器各电压等级依次为：550kV72.5kV126kV363kV252kV;数据表明，GIS装用量大幅增长，均在30以上，同比，GIS的增长率远远超过了敞开式断路器。以上数据与国家电网公司集中规模采购招标相一致。,第二部分 装用基本情况,表2 近两年招标采购数量,据统计，2006年集中招标采购主设备和材料总价值200亿元，其中，开关设备共52亿元，占集中招标的总数四分之一多。2007年集中招标采购主设备和材料总价值438亿元，其中，开关设备共77亿元，占集中招标的总数六分之一多。,第二部分 装用基本情况,3.按区域分布的装用情况,从单位装用情况看，装用量最大的省份依次是山东、江苏、北京、上海和河南，合计约占总量的52.8。从分布区域看，华北和华东地区的装用量所占比例最高，其中，华北地区最多，占总数的41.1%，华东占27.7%。72.5kV及以上组合电器按照区域分类统计情况详见表3。,表3 72.5kV及以上组合电器按区域分类统计表,第二部分 装用基本情况,第三部分 技术经济性分析,1.设备特点及优势,1）可靠性高（1）由于GIS全部采用SF6气体绝缘技术，除进出线套管外其它元件均组合在封闭的金属壳体内，大大减少外露的带电部分，外露套管可采用高强瓷、大爬距瓷瓶，故障率低，因此GIS设备具备了运行可靠性高、环境适应能力强，耐地震能力强的特点。（2）由于在SF6气室内,设备相间及对地绝缘距离大为减少,加之设备的多种方案组合,真正实现设备的小型化、紧凑化,显著地减少占地。,第三部分 技术经济性分析,2）实用性强（1）接线方式灵活。GIS采用模块化设计，布置方便灵活，可用于各种主接线。（2）现场安装工期短。GIS在厂内按现场情况完整装配，并进行出厂试验，整块运输或按运输单元运输，使现场安装调试工作量减少。（3）日常维护工作量少。（4）扩建灵活方便。,第三部分 技术经济性分析,3）综合成本低，经济性好（1）GIS设备价格约为常规敞开式AIS设备价格的1.62.3倍之间，HGIS设备价格约为常规敞开式AIS设备价格的1.41.7倍之间。GIS占地面积仅为AIS设备的35左右，HGIS设备占地面积约为60左右。（2）GIS和HGIS设备的架台构件大幅减少，GIS设备约为常规敞开式AIS的1/5，HGIS的架台构件约为常规敞开式AIS的80%。（3）GIS和HGIS设备现场作业量约为常规敞开式AIS的50%60%，减少了安装工期，安装费用降低。,第三部分 技术经济性分析,2.经济性能指标,GIS和HGIS设备由多个功能单元组成，全封闭结构，产品设计难度大，制造工艺复杂、加工工艺要求高，这就注定了GIS和HGIS设备较常规敞开式设备造价昂贵，表4为近年来AIS、GIS、HGIS设备的采购市场中间价。表5为AIS、GIS、HGIS主要经济性能指标比较。,第三部分 技术经济性分析,表4 AIS、GIS、HGIS设备价格比较 单位：万元/间隔,第三部分 技术经济性分析,（1）如果将国产AIS设备的价格定为1，则国产AIS、合资AIS、国产GIS、合资GIS的比例依次为(比值为各电压等级算术平均值)：1：1.3：1.7:2.6。（2）GIS设备价格是AIS设备价格的1.62.3倍。（3）HGIS设备价格是AIS设备价格的1.41.7倍。（4）合资厂GIS设备价格是国产GIS设备的1.41.7倍。（5）合资厂AIS设备价格基本是国产AIS设备的1.3倍。,第三部分 技术经济性分析,表5 AIS、GIS、HGIS主要经济技术性能比较,第三部分 技术经济性分析,第四部分 产品的技术进步,1.GIS元件的标准化和模块化 GIS标准化是将GCB，主母线、DS/ES、电缆头等进行模块化设计，大大减少了组件数量，较少了安装面积，装配连接标准化。2.轻型铝合金外壳 外壳采用铝合金材质，较钢外壳轻约2/3，减轻了外壳重量和功率损耗，同时提高了机械强度和密封性。3.紧凑布置的三相共箱 紧凑型和小型化主要体现在全三相共箱和母线共箱式结构。,第四部分 产品的技术进步,4.智能式GIS 同步开断装置、选相合闸装置，状态检测诊断技术以及新型传感器的应用，使GIS向智能化迈进了一步。5.插接式电缆终端 使用插接式电缆终端可将GIS安装和电缆系统安装完全分开，在电缆试验、检修时可直接将电缆终端头拔出，而不需要打开GIS气室。,第四部分 产品的技术进步,第五部分 几起典型的GIS设备故障,一、北京电网220kV草桥变电站GIS故障情况,1.电气主接线情况 220kV草桥变电站位于北京市丰台区，为220kV负荷变电站，设计规模为4回进线，4台主变，本期投产2台250MVA变压器。正常情况下两台主变分列运行，变压器220kV侧中性点不接地。全站共4路220kV电源，分别为苑桥一、二（南苑站至草桥站）、安桥一、二线（安定站至草桥站）。如图4-1。正常方式下草桥变电站4号和5号母线分别由南苑和安定方向供电，草桥站母线联络开关2245处于断开状态。由220kV安桥二线（2212）、苑桥一线（2213）供电，苑桥二线（2211）、安桥一线（2214）为备用状态，母联2245开关断开自投运行。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,图4-1 220kV草桥变电站电气接线示意图,第五部分 几起典型的GIS设备故障,2.事故前变电站运行方式 检修操作：草桥变电站开始3号变和220kV安桥二线检修工作。过程如下：3号变转检修，开关操作顺序：1）合上220kV母联2245开关;2）合上110kV分段145开关、合上10kV分段245开关，断开3号变低压203开关、断开3号变中压103开关;3）断开220kV母联2245开关、断开3号变高压2203开关。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,安桥二线转检修，开关操作顺序：（接前操作顺序）1）合上安桥一线2214开关；2）断开苑桥一线2213开关；3）合上苑桥二线2211开关，带150MW负荷；4）断开安桥二线2212开关。至此，该站改由220kV安桥一、苑桥二线供电，苑桥一线备用，安桥二线检修。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,检修恢复操作:1）3号变检修结束，开始恢复送电；2）合上3号变高压侧2203开关，空充变压器；3）合上母联2245开关1979ms后发生2214开关故障跳闸（根据故障录波器的记录，当母联2245开关合闸后，从波形图看出流过进线2214开关、母联2245开关电流约440A，三相电流幅值基本相等，说明2245开关合闸成功）。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,3.2214间隔事故分析 外观检查：发生事故的是上海西门子高压开关有限公司生产的8DN9型252kV GIS 开关设备。事故间隔运行编号为2214，事故发生时处于运行状态。,经对事故现场初步检查，安桥一线2214间隔A相线路“隔离开关-电缆终端”气室防爆膜破裂，见图4-2。电缆终端外壳上侧有明显烧灼变色痕迹，见图4-3。初步判断该气室发生对外壳闪络。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,图4-2 防爆膜破裂 图4-3 电缆终端外壳灼烧变色,第五部分 几起典型的GIS设备故障,技术组检查的资料与试验：出厂试验记录、现场安装及试验记录、运行巡检记录等。安装日期：2214间隔于2007年3月24日29日完成安装。试验内容：6月11日完成GIS交接试验。9月30日完成电缆终端绝缘 试验。10月1日完成水分测量及检漏。投运日期：10月4日投运。出厂试验报告，试验项目齐全，试验结果合格。设备运行期间，各项记录值正常。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,解体检查：解体步骤：2214间隔故障相（A相）解体检查分为四个步骤，见图4-4：步骤1 打开电缆终端罐体手孔盖板；步骤2 打开带电显示装置处法兰盖板；步骤3 移开电缆终端罐体；步骤4 解体隔离开关罐体及装配；解体后对故障相（A相）气室内残留物进行了收集、检查。在解体过程中，因需要了解电缆终端相关零部件结构，对2214间隔的B相也进行了局部解体。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,图4-4 解体检查步骤,第五部分 几起典型的GIS设备故障,解体现象 解体后的电缆终端罐体手孔盖板见图4-4所示。观察发现：（1）手孔盖板内侧有显著电弧烧灼痕迹，所装吸附剂盖板烧化，内部吸附剂散落，见图4-5。图4-6是B相（正常相）盖板结构。,图4-5 A相盖板(故障相)图4-6 B相盖板(正常相),第五部分 几起典型的GIS设备故障,（2）打开带电显示装置法兰盖板，该盖板内侧有电弧喷溅痕迹，见图4-7。,图4-7 带电显示器装置盖板内侧,第五部分 几起典型的GIS设备故障,（3）在移开上述两个盖板之后，发现电缆终端罐体内部放电现象严重，主要表现为：a)电缆终端与GIS连接部位的滑动触头已经被烧掉，形成一个可见断口，见图4-8所示。对此部位简称为“A部位”，见图4-11示意图。图4-9显示的是B相（正常相）同一部位结构。,图4-8 A相(故障相)图4-9 B相(正常相),第五部分 几起典型的GIS设备故障,与滑动触头对应部位的罐体内壁上也有大面积烧灼痕迹，见图4-10。,图4-10 罐体内壁大面积烧灼 图4-11 A、B部位示意图,第五部分 几起典型的GIS设备故障,b)吸附剂盖板上方罐体内壁与电缆终端导体屏蔽罩对应部位烧损严重。图4-12显示电缆终端导体屏蔽罩烧损情况，图4-13显示对应罐体内壁烧损情况。此部位简称为“B部位”，见图4-11示意图。,图4-12 电缆终端导体屏蔽罩 图4-13 吸附剂盖板上方罐体,第五部分 几起典型的GIS设备故障,(4)移开电缆终端罐体（见图4-14）电缆终端罐体吊开后，发现罐体下部法兰上积存大量电弧烧蚀残留物，判断其中一块较大的是“A部位”滑动触头外壳残留物，见图4-15。其它残留物多为触指及电弧熔烧后滴落下来形成的无规则块状物。罐体下部边缘也散落着金属铝融化物、吸附剂颗粒和SF6电弧分解物粉末。,图4-14 电缆终端罐体 图4-15 滑动触头外罩及触指残留物,第五部分 几起典型的GIS设备故障,(5)解体隔离开关单元 隔离开关解体后检查，动静触头基本良好，外表面覆盖一层SF6电弧分解物粉末。对图4-16所示的两个盆式绝缘子检查，表面有熏黑现象，也有局部碳化现象，对应外壳上未发现电弧烧痕，见图4-17、图4-18。,图4-16 隔离开关装配图,第五部分 几起典型的GIS设备故障,图4-17 盆式绝缘子1图4-18 盆式绝缘子2,第五部分 几起典型的GIS设备故障,事故分析：通过对解体现象分析，2214间隔A相线路“隔离开关-电缆终端”气室比较明显的放电部位有2处，即“A部位”和“B部位”。见图4-10。（1）对“A部位”分析如下：“A部位”烧损现象如图4-19所示。该部位导体连接结构见图4-20，图中涉及相关零部件分别为：导体1、滑动触头、导体2。,图4-19“A部位”烧损现象,第五部分 几起典型的GIS设备故障,图4-20“A部位”示意图,现场观察到导体1端部烧损呈斜角状，滑动触头外壳几乎完全烧毁，其内部装配的触指大部掉落。导体2未见明显烧损。分析表明，电弧首先从导体1端部与滑动触头的接触面烧起，电弧扩散，引发“A部位”对外壳放电。起弧的原因是导体1端部与滑动触头接触不良，产生局部放电，在长期（约5个月）带电过程中，造成接触进一步劣化，当2245开关合闸后有电流流过时，产生电弧导致对外壳放电。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,（2）对“B部位”分析如下：此处带电部位无运动部件，对外壳距离实测值为105mm，一般不会引起放电。但“A部位”起弧后，随着电弧运动到该部位，即造成“B部位”对外壳严重烧损。分析认为，在完成母联2245开关合闸操作后1979ms，“A部位”首先起弧，电弧持续时间546ms，短路电流约25kA，造成气室内压力升高，防爆膜破裂。220kV安桥一线、苑桥二线保护动作跳闸，切除故障。1s后重合动作导致再次起弧，后加速保护动作，61ms切除故障。综合分析，事故的可能起因一是制造问题，二是安装不当。技术组核查了制造商提供的相关设计图纸，对现场完好相的同类零部件进行了实地测量，测量结果与图纸标注尺寸基本相符，未发现明显制造问题。因此事故起因判断为安装不当所致。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,4.小结:2008年3月21日，220kV草桥变电站2214间隔A相“隔离开关电缆终端”气室发生故障。故障的直接原因是该气室内导体连接处所用滑动触头与导体接触不良，当本次电流流过时放电，引发绝缘破坏。接触不良系安装不当所致，原因如下：（1）按本设备买卖合同及IEC/TS 60859标准规定，电缆终端气室内导体及滑动触头连接属GIS制造商质量保证范围，制造商本次未提供有效质量保证；（2）制造商未按本设备买卖合同派出专业人员到达草桥变电站进行2214间隔设备的安装或指导安装；（3）制造商未按国家及电力行业标准GB/T 11022-1999、DL/T 593-2006及买卖双方技术协议要求提供相关安装检验文件。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,5.建议:有条件时对电缆与GIS 的连接处进行局部放电测量；严格GIS与电缆终端连接的装配工艺，进行有效质量保证，确保滑动触头装配接触可靠。在安装阶段，对电缆与GIS 的连接处进行回路电阻测量；,第五部分 几起典型的GIS设备故障,二、湖北光谷变220kVGIS4母线事故,1.事故经过 2008年07月26日07:52:02，500kV光谷变220kV#4母线第一、二套母差保护同时动作，根据录波图数据：B相故障后 A、C相相继故障动作（第二套母差保护启动3ms后跳母B相，稳态量差动保护20ms后跳母三相）。故障持续时间为60ms，故障电流峰值为57kA。220kV光左线、光花二回线、#4主变中压侧以及母联开关三相跳闸，220kV保护小室故障录波器动作。由于220kV为全GIS设备，接于#4、6母线上的光左线、光花二回线、#4主变中压侧跳闸是由#4、6母线内部故障引起。以上线路所有保护、故障录波、开关动作均正确。事故原因初步判断为GIS内部母线故障引起。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,2.事故后GIS解体前检查及解体情况 GIS内部故障部位定位和确认：1）SF6分解物的测试：4母线13气室内SO2含量超过3000ppm，其余气室S02含量均小于2ppm；2）绝缘试验：500V兆欧表测量4母线三相对地绝缘和相间绝缘电阻偏低；3）直流电阻原始记录核对：数据合格。初步判定故障点为#4母线13气室。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,GIS解体检查情况：26日晚19：00点，施工单位在厂家监督下打开第六号气室检修孔，发现在靠近第五号和第六号气室对接处第六号气室内B相母线导体脱落。现场照片如下：,第五部分 几起典型的GIS设备故障,27日下午13：00，拆开GIS进入气室内进行检查，外观检查发现：13间隔B相导体脱落，导体前端与盆式绝缘子上梅花触头连接处接头已被电弧烧熔。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,220kV 4母线第6气室侧绝缘盆子B相梅花触头下方均压罩已被电弧烧熔了约为100100mm的缺口，触指被烧损2片。梅花触头内部的导向杆也遭到了严重烧蚀。现场发现B相梅花触头箍紧弹簧只残留内侧一根（正常为三根），下部熔渣中未发现肉眼可见的残留弹簧。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,第五部分 几起典型的GIS设备故障,检查发现B相导体未装限位止钉。,上图为B相的静触头磨损印迹，可以清楚的看到动触头磨损印迹已经超过了限位止钉孔的内沿，若装了限位止钉，磨损印迹只会到达限位止钉孔的外沿，由此可以明确的判断，B相筒壁内动静触头装配时静触头座没有加装限位止钉。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,上图是正常的加装了限位止钉的触头磨损印迹，可以清楚的看到静触头磨损印迹没有超过限位止钉处。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,3.故障原因分析 事故调查组首先排除了以下几类可能造成事故的原因：1）外部过电压的影响：天气晴，方圆10公里以内无雷电活动。2）内部过电压的影响：事故发生无任何倒闸操作。3）构架、基础沉降的影响：GIS构架，地基完好，无沉降。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,本次GIS母线事故是由于母线动静触头现场装配的限位止钉缺失，从而导致母线装配尺寸发生变化造成GIS内局部场强畸变，最终导致母线单相接地并发展为母线三相接地短路的绝缘事故。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,GIS内母线位移的原因：B相导体连接触头座的限位止钉缺失，GIS运行带电后，在电动力作用下，使B相主母线导体发生串动，发生相对位移，最终导致盆式绝缘子静触头触指会与导电杆松脱，从而造成导电杆与屏蔽罩、筒壁的几何尺寸发生改变。由于内部充有SF6气体，GIS绝缘距离非常紧凑。为保障良好的电气绝缘水平，GIS内部导体一般都采用同轴电场的绝缘结构设计，一旦外形结构遭到破坏，局部场强会急剧增加，超过设计的许用场强后，SF6气隙将不能承受运行电压发生击穿，从而造成单相接地故障。发生单相接地故障后，在高温电弧的作用，SF6气体快速分解，SF6气体绝缘特性快速下降，单相接地短路故障迅速发展为三相相间短路并接地故障。,第五部分 几起典型的GIS设备故障,第五部分 几起典型的GIS设备故障,第六部分 结语,第六部分 结语,GIS设备的现场安装质量是保证设备安全、按期投运的最后环节。目前现场安装主要存在以下问题：一是户外安装环境无法满足设备安装条件的要求。二是安装程序和安装工艺未严格按照厂家安装规范进行。三是对安装过程中的死点盲点未采取有效措施进行观察确认。GIS安装应严格按照制造厂安装规范进行。,THE END谢 谢 大 家,
