崔 超

（中铁电气化局京沪高铁维护管理公司 工程师，北京 100000）

0 引言

气体绝缘组合电器设备(GasInsulatedSwitchgear)，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2×27.5 kv供电制式中，图1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。

图1 某GIS高压开关柜附件连接示意图

1 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，详见图2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目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（实物见图二）、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271GIS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，详见图2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。

图2 故障现场示意图

2 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。

3 GIS组合电器现行维修规则

对于GIS高压开关柜，中国铁路总公司《高速铁路牵引变电所运行检修规则》（铁总运〔2015〕50号）有明确的规定：第七十七条GIS开关柜及组合电器小修范围及标准要求：

1）外观检查，应清洁无锈蚀。

2）检查密度表的指示应在正常范围内，必要时使用精确的压力表检查充气压力。

3）检查辅助回路的接线端子无松动。

4）检查开关柜表计及指示灯显示应正确。

5）必要时打开电缆室检查高压电缆及护层保护器状态应良好。周期为1年1次。

某GIS高压开关柜厂家对于此设备的维修建议见表1某GIS高压开关柜厂家维修手册。

表1 某GIS高压开关柜厂家维修手册

从以上规定可以看出对于GIS高压开关柜相关附件设备，包括电压互感器、电流互感器、避雷器等电气设备并没有单独规定维修周期和检修标准，因此默认为属于免维护设备，只作日常外观检查和一般保养的项目。

4 针对现行维修规则的一些建议

局部放电检测是一种比较尖端且可靠的检测技术，近年来已为越来越多的有关维修部门和人员所运用。该技术一般分为在线式和离线式两种。原理为利用当测试体导电部分产生局部放电时，在其两端就会产生一个瞬时的电压变化，此时检测回路中会产生相应的脉冲电流，脉冲电流经过检测设备会产生相应的脉冲电压，将此脉冲电压进行采集、放大、显示等处理，就可采集到局部放电的一些基本量，通过对此基本量进行分析，即可得出相应的结论。

因此我们可以利用在线局部放电测试仪对运行中的GIS高压开关柜进行检测，通过对高压柜带电显示器处的核相口采集电量信号，对此电量信号进行放大和分析，可以有效避免外界环境中的干扰信号，提高测试精度。通过对相同类型高压柜的测试数据进行横向对比，或对历年同一测试柜的数据进行纵向分析，对那些数据偏差明显或数据发展异常的柜体，利用天窗点时间进行柜体附件（电压互感器和避雷器）解列拆除检查，以消除事故隐患。

综上所述，在实际线路运营中，检修工作应针对GIS高压开关柜的特点，建议以5年作为一个检查周期，以局部放电试验数据作为依据，并积极利用和探索检测新技术、新手段，对柜体各附件进行有目的的重点抽查。

5结束语

随着中国高速铁路的快速发展和对外开放的大门越来越宽广，世界上最先进的技术和设备广泛的使用在中国高铁的方方面面，推动了中国高铁技术的快速发展。但我们也应该清醒地认识到任何引进的成熟技术和设备都有其限制条件和水土不服的一面，如GIS高压开关柜在国外已经是非常成熟的产品，且在中国电力行业的使用，故障率也明显不高，但将此设备照搬在高速铁路牵引供电系统中，故障率就升高显著，究其原因，最主要就在于其使用条件发生了明显的变化。因此铁路行业中的各项规章制度和标准还需要技术人员长期的数据积累，针对实际运营条件给出相应的修改建议。