GIS组合电器防爆膜异常爆破原因分析及典型案例
2022-04-26
一、GIS防爆膜作用及常见故障
组合电器（GIS）内部元件多、气室多、绝缘件多，存在接地故障的可能性。GIS内部接地故障电弧持续时间较长，电弧能量使GIS故障间隔SF6升温增压，有可能使GIS外壳烧穿或某些强度薄弱的环节爆破。为了防止GIS的损坏，常在GIS内部故障相对多发处设置防爆膜，一旦发生接地故障而引起气压骤增时，超过一定的值防爆膜引爆泄压，以保护GIS壳体安全。
运行中防爆膜常见的故障是异常爆破，异常爆破将引起电网设备被迫停运，给电网造成巨大损失。全国范围内，广州、佛山、惠州、天津、内蒙等地都发生过GIS防爆膜异常爆破事件，在湖北省内，孝感、武汉等地GIS防爆膜的误爆亦时有发生。
二、影响防爆膜异常爆破的因素
1、设计时防爆膜参数选择不当
充SF6的GIS设备常采用反拱刻槽型带夹持件的防爆膜装置，不同厂家的防爆膜气室选择不尽相同。目前国内对不同电压等级GIS设备额定参数、不同气室类型的防爆膜位置和额定参数选择没有形成统一标准和要求，设计时防爆膜参数选择没有参考依据，对GIS设备的选型和验收也造成了困难。
2、防爆膜被氧化腐蚀
2.1 外部环境氧化腐蚀防爆膜
变电站如果处于重污染区域，污染物附着在防爆膜上，与空气中水分结合，会在防爆膜表面产生硫化物、氯化物等腐蚀性的化合物，致防爆膜表面变色、性能劣化，防爆膜动作值下降。
2.2 安装方式不当引起防爆膜氧化腐蚀
倒立式安装的防爆膜容易存在不同程度的腐蚀，侧立式安装的防爆膜不易出现腐蚀情况。倒扣式安装的防爆膜因为防护盖板阻碍了潮气消散，使潮湿的空气在防爆膜附近聚集，长期作用下使防爆膜氧化腐蚀。
3、外部损伤或运维不当使防爆膜抗爆能力降低
防爆膜作为GIS的重要安全部件，其安装工艺极其严格，在安装的过程中发生磕碰或发现触碰痕迹，可能造成机械损伤；防爆口若有积水结冰，挤压防爆膜，日常运维中未及时清理。二者都势必影响防爆膜的抗爆强度，降低防爆膜抗爆性能。
三、防爆膜异常爆破故障分析案例
湖北电网220千伏某变电站的220千伏 GIS设备某断路器气室发生了防爆膜误爆的故障（如图1所示），与内部故障十字槽完全爆破开的情况不同（如图2所示）。
误爆的防爆膜气室压力应略大于其动作压力。该防爆膜型号为YCH75-0.8-90，标定爆破压力为0.8MPa，爆破温度为90℃。对故障气室相邻的两相断路器气室的防爆膜拆下后，进行了爆破压力的实验室检测，检测结果如图3和图4所示。检测结果表明，该型号同批次防爆膜的爆破压力均达到0.9MPa，超过标定的爆破压力值，该批次防爆膜的实际动作压力在其标定参数范围内，无明显质量缺陷。
图3 非故障相B相防爆膜爆破压力试验结果
图4 非故障相C相防爆膜爆破压力试验结果
对断路器的外观检查表明，其表面并无明显的破坏损伤使其爆破压力降低。综合分析该误爆防爆膜的动作后外观情况和防爆膜的标定参数，应是因气温和日光暴晒导致气室内温度增高，导致气室压力增加至该防爆膜的最小爆破压力。从爆破后的形态可知，该压力值应小于实验室中检测的爆破压力0.9MPa，按照该型号防爆膜的标定参数可能低至0.72MPa，因而该误爆防爆膜并未形成开放式的爆破。
该220千伏 GIS的断路器额定短路容量为50kA，断路器气室额定压力为0.6MPa，其它气室额定压力为0.4MPa，根据国家标准计算得到各气室的气压增量如下表所示：
误爆的防爆膜气室压力应略大于其动作压力。该防爆膜型号为YCH75-0.8-90，标定爆破压力为0.8MPa，爆破温度为90℃。对故障气室相邻的两相断路器气室的防爆膜拆下后，进行了爆破压力的实验室检测，检测结果如图3和图4所示。检测结果表明，该型号同批次防爆膜的爆破压力均达到0.9MPa，超过标定的爆破压力值，该批次防爆膜的实际动作压力在其标定参数范围内，无明显质量缺陷。
根据上述计算结果可知，断路器气室气压增量较小，不需要装设防爆膜。而隔离开关和电压互感器气室如只考虑一段保护，不需要装设防爆膜；如考虑二段保护，由于其外壳壁厚一般≤8mm，二段保护范围内，外壳已烧穿，亦可不装设防爆膜。
综上所述，该220 GIS设备的防爆膜设计存在两处问题：
1）断路器室为容量最大的气室，即使考虑二段保护范围，其气压增量也远小于气室爆破压力，因此，该断路器室可不装设防爆膜。
2）该断路器室故障前所用的防爆膜标定爆破压力为0.8MPa，相应的标定最小爆破压力为0.72MPa。而断路器气室的额定工作压力为0.6MPa，其最高工作气压为0.76MPa，已经高于防爆膜最小爆破压力，在夏季高温环境下，存在较高的误爆风险，因此建议更换为爆破压力1.2MPa的防爆膜。