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。
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
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
2)非金属异物防范措施
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。