氣體絕緣組合電器設(shè)備(Gas Insulated Switchgear),簡稱GIS高壓開關(guān)柜，主要為母線、斷路器、電流互感器(簡稱TA或CT)、電壓互感器(簡稱TV或PT)、隔離開關(guān)、避雷器和電纜接頭插座等設(shè)備的組合體，這些設(shè)備全部或絕大部分封閉在金屬外殼內(nèi)，并在其內(nèi)部充有絕緣性能和滅弧性能都極其優(yōu)異的六氟化硫(SF6)氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，故也稱為SF6全封閉組合高壓開關(guān)柜。GIS高壓開關(guān)柜自上世紀60年代研發(fā)成功并應(yīng)用以來，已廣泛運行于世界各地和各個領(lǐng)域。與常規(guī)變電站的設(shè)備相比，GIS高壓開關(guān)柜的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約空間、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強、環(huán)境適應(yīng)能力強和后期維護量小，設(shè)計壽命一般來說主要部件的維修周期大于20年，因此現(xiàn)已廣泛地使用在中國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中的10 kv 、27.5 kv或2x27.5 kv供電制式中，下圖為某GIS高壓開關(guān)柜附件連接示意圖。
本文分析對象即某高鐵線路全部采用GIS高壓開關(guān)柜模式，自2011年開通運營以來，GIS高壓開關(guān)柜總體故障率不高，但于2018年底發(fā)生了兩起因電壓互感器燒毀造成GIS高壓開關(guān)柜損傷的事件，筆者在下文中對此兩起故障進行詳細分析并給出相應(yīng)的預(yù)防建議。
1故障案例
案例一、2018年12月7日，某AT所271斷路器電調(diào)端遠動操作，開關(guān)拒動。經(jīng)檢修車間人員檢查后發(fā)現(xiàn)電壓互感器與GIS高壓開關(guān)柜連接插座部位處有放電燒傷痕跡，現(xiàn)場測量271斷路器氣室壓力為0.009 bar，遠低于正常值的0.06 bar。后續(xù)檢查發(fā)現(xiàn)電壓互感器內(nèi)錐絕緣橡膠體處燒損嚴重，同時GIS高壓開關(guān)柜電壓互感器插座損傷嚴重，此損傷破壞了斷路器氣室的密封，最終導(dǎo)致斷路器氣室漏氣，使得壓力低于標準值，詳見下圖故障現(xiàn)場示意圖的案例一。另外對電壓互感器本體進行電氣預(yù)防性試驗發(fā)現(xiàn)，其絕緣電阻、繞組直流電阻、交流耐壓和勵磁特性等試驗項口符合國家和鐵路總公司相關(guān)要求。但因GIS高壓開關(guān)柜本體設(shè)備損壞程度較大，現(xiàn)場不具備修復(fù)條件，返廠維修后該所設(shè)備已恢復(fù)正常運行。
案例二(實物見下圖),2018年12月22日3時30分，某牽引所饋線開關(guān)213斷路器在天窗點結(jié)束后送電失敗，距離I段保護動作，故障公里標指向其供電臂上的某分區(qū)所。經(jīng)檢修車間人員檢查，發(fā)現(xiàn)此分區(qū)所271 GIS高壓開關(guān)柜的電壓互感器與開關(guān)柜連接插座部位處有顯著放電燒傷痕跡，GIS高壓開關(guān)柜氣室壓力正常。后續(xù)拆解檢查發(fā)現(xiàn)電壓互感器內(nèi)錐絕緣橡膠體處和GIS高壓開關(guān)柜電壓互感器插座燒損嚴重，但電壓互感器本體電氣預(yù)防性試驗符合相關(guān)要求，詳見下圖故障現(xiàn)場示意圖的案例二。由設(shè)備廠家現(xiàn)場對此GIS高壓開關(guān)柜進行處置后，設(shè)備恢復(fù)正常運行。此故障非正常供電狀況時間持續(xù)45個小時。
2案例分析
結(jié)合故障案例中的案例一和案例二可以得出以下幾個特點:
1）故障的起因并非由于電壓互感器和GIS高壓開關(guān)柜本身的電氣參數(shù)不符合技術(shù)條件，或現(xiàn)場電氣環(huán)境參數(shù)超過設(shè)備允許值而造成的設(shè)備損壞，故障發(fā)生后單體設(shè)備的電氣參數(shù)仍然符合國家相關(guān)標準和鐵總要求;
2）故障的主要原因都是由于電壓互感器高壓接頭處的橡膠絕緣體與高壓開關(guān)柜插座處的連接部位發(fā)生了絕緣擊穿導(dǎo)致了故障的發(fā)生;
3）此故障有可能會造成設(shè)備事故擴大化，從而造成更加惡劣的影響。
綜上所述，可以判斷導(dǎo)致故障的起因應(yīng)該為電壓互感器與GIS高壓柜連接部位存在長期的電樹枝現(xiàn)象。電樹枝是指任何固體類介質(zhì)在高強度電場作用下，其絕緣部位的某一區(qū)域會形成樹枝狀的局部損壞，在此電場的長時間作用下，此樹枝通道會順著電場的方向貫穿于整個絕緣，最終形成絕緣擊穿破壞。
故障發(fā)生的大致經(jīng)過如下:電壓互感器在與GIS高壓開關(guān)柜插座安裝時會形成氣體的壓縮，此壓縮氣體不會因施工中采取任何限制措施或改進施工工藝而消失;由于施工工藝和設(shè)備廠家作業(yè)指導(dǎo)書的要求，電壓互感器橡膠絕緣體部位會涂抹一定量的絕緣硅脂油，以保證安裝的順暢，并起到填補二者之間空隙的作用，并起到盡量減少電樹枝現(xiàn)象發(fā)生的可能性;但在施工中，絕緣硅脂油的均勻涂抹以完全避免電樹枝現(xiàn)象的操作根本無法達成，因此電樹技現(xiàn)象的存在具有必然性，但發(fā)展的速度是有明顯區(qū)別的，且在施工中如果不對壓縮氣體進
行限制，即在安裝過程中沒有采取放氣的措施，大的壓縮空氣壓力，會促進電樹技現(xiàn)象的發(fā)展，最終的結(jié)果就是加速導(dǎo)致絕緣部分的擊穿;擊穿過程會產(chǎn)生大的短路電流，同時產(chǎn)生較大的熱量釋放，會促進壓縮空氣的壓力快速發(fā)展，當超過柜體允許限定值，有可能會破壞GIS高壓開關(guān)柜的柜體，造成故障擴大;短路電流隨著對應(yīng)斷路器的跳閘而結(jié)束，整個故障結(jié)束。
3 GIS組合電器現(xiàn)行維修規(guī)則
對于GIS高壓開關(guān)柜，中國鐵路總公司《高速鐵路牽引變電所運行檢修規(guī)則》(鐵總運〔2015]50號)有明確的規(guī)定:第一七十一七條GIS開關(guān)柜及組合電器小修范圍及標準要求:
1）外觀檢查，應(yīng)清潔無銹蝕。
2）檢查密度表的指示應(yīng)在正常范圍內(nèi)，必要時使用精確的壓力表檢查充氣壓力。
3）檢查輔助回路的接線端子無松動。
4）檢查開關(guān)柜表計及指示燈顯示應(yīng)正確。
5）必要時打開電纜室檢查高壓電纜及護層保護器狀態(tài)應(yīng)良好。周期為1年1次。
某GIS高壓開關(guān)柜廠家對于此設(shè)備的維修建議見下表某GIS高壓開關(guān)柜廠家維修手冊。
從以上規(guī)定可以看出對于GIS高壓開關(guān)柜相關(guān)附件設(shè)備，包括電壓互感器、電流互感器、避雷器等電氣設(shè)備并沒有單獨規(guī)定維修周期和檢修標準，因此默認為屬于免維護設(shè)備，只作日常外觀檢查和一般保養(yǎng)的項目。
4針對現(xiàn)行維修規(guī)則的一些建議
局部放電檢測是一種比較尖端且可靠的檢測技術(shù)，近年來已為越來越多的有關(guān)維修部門和人員所運用。該技術(shù)一般分為在線式和離線式兩種。原理為利用當測試體導(dǎo)電部分產(chǎn)生局部放電時，在其兩端就會產(chǎn)生一個瞬時的電壓變化，此時檢測回路中會產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖電流，脈沖電流經(jīng)過檢測設(shè)備會產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖電壓，將此脈沖電壓進行采集、放大、顯示等處理，就可采集到局部放電的一些基本量，通過對此基本量進行分析，即可得出相應(yīng)的結(jié)論。
因此我們可以利用在線局部放電測試儀對運行中的GIS高壓開關(guān)柜進行檢測，通過對高壓柜帶電顯示器處的核相口采集電量信號，對此電量信號進行放大和分析，可以有效避免外界環(huán)境中的干擾信號，提高測試精度。通過對相同類型高壓柜的測試數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ?，或?qū)v年同一測試柜的數(shù)據(jù)進行縱向分析，對那些數(shù)據(jù)偏差明顯或數(shù)據(jù)發(fā)展異常的柜體，利用天窗點時間進行柜體附件(電壓互感器和避雷器)解列拆除檢查，以消除事故隱患。
綜上所述，在實際線路運營中，檢修工作應(yīng)針對GIS高壓開關(guān)柜的特點，建議以5年作為一個檢查周期，以局部放電試驗數(shù)據(jù)作為依據(jù)，并積極利用和探索檢測新技術(shù)、新手段，對柜體各附件進行有口的的重點抽查。
5結(jié)束語
隨著中國高速鐵路的快速發(fā)展和對外開放的大門越來越寬廣，世界上最先進的技術(shù)和設(shè)備廣泛的使用在中國高鐵的方方面面，推動了中國高鐵技術(shù)的快速發(fā)展。但我們也應(yīng)該清醒地認識到任何引進的成熟技術(shù)和設(shè)備都有其限制條件和水土不服的一面，如GIS高壓開關(guān)柜在國外已經(jīng)是非常成熟的產(chǎn)品，且在中國電力行業(yè)的使用，故障率也明顯不高，但將此設(shè)備照搬在高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中，故障率就升高顯著，究其原因，最主要就在于其使用條件發(fā)生了明顯的變化。因此鐵路行業(yè)中的各項規(guī)章制度和標準還需要技術(shù)人員長期的數(shù)據(jù)積累，針對實際運營條件給出相應(yīng)的修改建議。