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针对高速铁路的GIS高压设备维保方式的研究

气体绝缘组合电器设备(Gas Insulated Switchgear),简称GIS高压开关柜，主要为母线、断路器、电流互感器(简称TA或CT)、电压互感器(简称TV或PT)、隔离开关、避雷器和电缆接头插座等设备的组合体，这些设备全部或绝大部分封闭在金属外壳内，并在其内部充有绝缘性能和灭弧性能都极其优异的六氟化硫(SF6)气体作为绝缘和灭弧介质，故也称为SF6全封闭组合高压开关柜。GIS高压开关柜自上世纪60年代研发成功并应用以来，已广泛运行于世界各地和各个领域。与常规变电站的设备相比，GIS高压开关柜的优点在于结构紧凑、节约空间、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强和后期维护量小，设计寿命一般来说主要部件的维修周期大于20年，因此现已广泛地使用在中国高速铁路牵引供电系统中的10 kv 、27.5 kv或2x27.5 kv供电制式中，下图为某GIS高压开关柜附件连接示意图。本文分析对象即某高铁线路全部采用GIS高压开关柜模式，自2011年开通运营以来，GIS高压开关柜总体故障率不高，但于2018年底发生了两起因电压互感器烧毁造成GIS高压开关柜损伤的事件，笔者在下文中对此两起故障进行详细分析并给出相应的预防建议。

故障案例

案例一、2018年12月7日，某AT所271断路器电调端远动操作，开关拒动。经检修车间人员检查后发现电压互感器与GIS高压开关柜连接插座部位处有放电烧伤痕迹，现场测量271断路器气室压力为0.009 bar，远低于正常值的0.06 bar。后续检查发现电压互感器内锥绝缘橡胶体处烧损严重，同时GIS高压开关柜电压互感器插座损伤严重，此损伤破坏了断路器气室的密封，最终导致断路器气室漏气，使得压力低于标准值，详见下图故障现场示意图的案例一。另外对电压互感器本体进行电气预防性试验发现，其绝缘电阻、绕组直流电阻、交流耐压和励磁特性等试验项口符合国家和铁路总公司相关要求。但因GIS高压开关柜本体设备损坏程度较大，现场不具备修复条件，返厂维修后该所设备已恢复正常运行。

案例二(实物见下图),2018年12月22日3时30分，某牵引所馈线开关213断路器在天窗点结束后送电失败，距离I段保护动作，故障公里标指向其供电臂上的某分区所。经检修车间人员检查，发现此分区所271 GIS高压开关柜的电压互感器与开关柜连接插座部位处有显著放电烧伤痕迹，GIS高压开关柜气室压力正常。后续拆解检查发现电压互感器内锥绝缘橡胶体处和GIS高压开关柜电压互感器插座烧损严重，但电压互感器本体电气预防性试验符合相关要求，详见下图故障现场示意图的案例二。由设备厂家现场对此GIS高压开关柜进行处置后，设备恢复正常运行。此故障非正常供电状况时间持续45个小时。

案例分析

结合故障案例中的案例一和案例二可以得出以下几个特点:

1）故障的起因并非由于电压互感器和GIS高压开关柜本身的电气参数不符合技术条件，或现场电气环境参数超过设备允许值而造成的设备损坏，故障发生后单体设备的电气参数仍然符合国家相关标准和铁总要求;

2）故障的主要原因都是由于电压互感器高压接头处的橡胶绝缘体与高压开关柜插座处的连接部位发生了绝缘击穿导致了故障的发生;

3）此故障有可能会造成设备事故扩大化，从而造成更加恶劣的影响。

综上所述，可以判断导致故障的起因应该为电压互感器与GIS高压柜连接部位存在长期的电树枝现象。电树枝是指任何固体类介质在高强度电场作用下，其绝缘部位的某一区域会形成树枝状的局部损坏，在此电场的长时间作用下，此树枝通道会顺着电场的方向贯穿于整个绝缘，最终形成绝缘击穿破坏。

故障发生的大致经过如下:电压互感器在与GIS高压开关柜插座安装时会形成气体的压缩，此压缩气体不会因施工中采取任何限制措施或改进施工工艺而消失;由于施工工艺和设备厂家作业指导书的要求，电压互感器橡胶绝缘体部位会涂抹一定量的绝缘硅脂油，以保证安装的顺畅，并起到填补二者之间空隙的作用，并起到尽量减少电树枝现象发生的可能性;但在施工中，绝缘硅脂油的均匀涂抹以完全避免电树枝现象的操作根本无法达成，因此电树技现象的存在具有必然性，但发展的速度是有明显区别的，且在施工中如果不对压缩气体进

行限制，即在安装过程中没有采取放气的措施，大的压缩空气压力，会促进电树技现象的发展，最终的结果就是加速导致绝缘部分的击穿;击穿过程会产生大的短路电流，同时产生较大的热量释放，会促进压缩空气的压力快速发展，当超过柜体允许限定值，有可能会破坏GIS高压开关柜的柜体，造成故障扩大;短路电流随着对应断路器的跳闸而结束，整个故障结束。