学术简报︱表面异物对252kV气体绝缘组合电器盆式绝缘子绝缘性能的影响

摘要

厦门理工学院电气工程与自动化学院、许继（厦门）智能电力设备股份有限公司的研究人员庄丞、曾建斌、袁传镇，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文，针对252kV气体绝缘组合电器（GIS）盆式绝缘子表面常见的五类异物（金属屑、毛发、纸屑、硅脂和沙粒）对其局部电场的影响建立模型，并利用三维有限元分析软件对其进行仿真计算。

为验证理论计算的有效性，搭建一个盆式绝缘子绝缘试验平台。在此平台上，对异物附着在盆式绝缘子表面不同位置（高、中、低电位区）和不同排列方式（线性、片状）下进行雷电冲击、工频耐压及局部放大试验。

试验结果表明：当体积很小的单一金属屑附着在绝缘子凸面高电位区时，未引起击穿现象；当金属屑位于绝缘子凸面低电位区时，片状排列较线性排列更容易引起击穿；四类非金属异物则对绝缘子的绝缘性能影响较小；试验中测得沙粒的局部放电量明显高于其他三类非金属异物，表明沙粒类异物长久积累后诱发绝缘故障的可能性会显著提高。

气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS），因其小型化、智能化、无污染、运行成本低等特点随着城市电网的快速发展而备受欢迎。盆式绝缘子作为GIS开关设备的重要组成部分，有着机械固定、电气绝缘以及隔离气室等作用。根据现场运行经验表明，盆式绝缘子与SF6气体界面的绝缘性能在很大程度上决定了GIS设备的可靠性。

根据国家电网公司近十年设备故障的统计，投运时间与故障率存在较大的关联性，在GIS设备故障中，投运不足5年的占89.0%，不足1年的更是高达50.8%，是平均故障率的3.3倍，设备运行初期故障率偏高，按投运时间统计故障数及比例分布情况如图1所示。

在电网运行中252kV GIS故障103起，占故障总数的56.3%，而异物导致的放电故障发生次数最多，故障影响最大，占29.0%。因此，GIS设备运行状态评估方法是该领域的热点问题。

图1  按投运时间统计故障数及比例分布情况

目前，国内外对由于GIS盆式绝缘子表面存在金属异物而引起的绝缘故障做了大量研究并取得了一定成果。

• 有学者主要集中研究金属异物，采用金属丝或体积稍大的金属颗粒来模拟绝缘缺陷，探讨了表面金属异物对盆式绝缘子沿面放电的影响程度，为盆式绝缘子的状态监测提供了重要参考和依据。

• 有学者在研究了金属异物的基础上又分析了四种非金属异物对GIS壳体、导体和绝缘子的电场影响，但没有对绝缘子表面位置及异物排列方式进行细分。

• 有学者主要对GIS实际运行状态进行了评估研究，并根据具体的绝缘故障提出相应的检测诊断方法。

因为在设备装配、运输或者运行过程中金属屑落在绝缘子表面的位置和形式具有随机性，所以除了金属异物单一存在的情况，还需了解其排列方式对绝缘子沿面绝缘性能的影响。此外，装配过程中容易遗留在绝缘子表面的毛发或纤维材质对其沿面绝缘性能的影响，在前人研究中未见提及。

本文针对五类异物对绝缘子局部电场的影响建立数值模型，并利用三维有限元分析方法对其进行仿真计算。

图2  绝缘子凹凸面仿真计算简化模型剖视图

图7  绝缘试验工装

异物防范处理措施

根据试验结果，作者提出金属/非金属异物的防范措施。

1）金属异物防范措施

• （1）GIS设计方面。制造厂应杜绝一味追求“小型化”而导致GIS壳体内部绝缘裕度降低，即使在设计时的理论电场强度可通过安全标准，但在绝缘裕度相对较小的空间只要存在金属异物就极易造成放电。另外，可以在容易产生金属屑的部位安装金属微粒测量装置。盆式绝缘子应尽量不采用水平布置方式等。

• （2）装配方面。制造厂应杜绝装配后检查清扫不完善或螺栓漏装，紧固不到位而使GIS装配或对接不够紧密，最终因晃动摩擦而导致盆式绝缘子表面存在金属异物的问题。

• （3）现场安装方面。加强现场安装的工艺管控，安装过程严格按照工艺流程和相关文件执行。加强安装人员管理和培训，提高安装队伍的专业化程度。加强设备安装过程的监督和管理，防止因操作不规范造成内部清理不到位等安装质量问题。

• （4）运行维护方面。应加强对GIS的外观及环境巡视，保证设备的清洁度符合要求；带电检测发现异常情况后，为了能对故障进行准确定位并判断其故障类型，应对多种措施进行综合比较再择优选择；对存在风险的缺陷必须及时停电检修。 

2）非金属异物防范措施

• （1）现场安装应采取有效防尘、防潮措施，安装工作必须采用防尘棚，禁止露天对接安装。对于特别重要的变电站，为了确保安装环境的洁净度可采用移动厂房等技术手段。

• （2）GIS的孔、盖等打开时，必须使用防尘罩进行封盖。应避免在现场环境太差、尘土较多或邻近区域正在进行土建施工等情况下进行工作。

• （3）对密封圈的硅脂涂抹应单件进行。涂抹硅脂的密封圈应尽快装入密封槽内，以避免沾上异物，吸附灰尘，影响密封效果。最后用不掉纤维的白绸布将密封槽以外的硅脂擦洗干净。

• （4）应避免涂抹过量，只要达到能轻轻留下指纹的程度即可。如果涂抹过量，就会因为脂预热融化而影响绝缘效果。

结论

本文对影响252kV GIS盆式绝缘子绝缘性能的五类表面异物对其局部电场强度的影响进行了数值仿真和试验分析，得出结论如下：

1）当金属屑体积很小（底面半径为1mm，高为2.5mm的锥体）且单一附着在盆式绝缘子表面时，不一定会诱发绝缘故障，但局部放电量变化较大，长久积累后很有可能导致沿面闪络放电。而当金属屑位于盆式绝缘子凸面低电位区时，片状较线性更容易形成贯穿性放电通道而引起击穿。

2）非金属异物中，沙粒、毛发和硅脂的局部放电量都有一定程度上的变化，但由于沙粒的外形和成分等原因导致其局部放电最为明显，即沙粒一类的无机物是一种潜在的容易诱发绝缘故障的非金属异物，不容忽视。

3）毛发所属一类的蛋白质或近似于纤维材质的有机物局部放电量较小，一般不会影响盆式绝缘子的绝缘性能。

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