基于特高頻和聲電聯合法的GIS局部放電缺陷分析

岳彩鵬

（國網山東省電力公司聊城供電公司，山東 聊城 252000）

基于特高頻和聲電聯合法的GIS局部放電缺陷分析

岳彩鵬

（國網山東省電力公司聊城供電公司，山東 聊城 252000）

GIS絕緣故障的發(fā)生會對電站和電網的安全穩(wěn)定運行造成嚴重影響，局部放電檢測可有效發(fā)現GIS設備的潛伏性故障，保障GIS設備安全運行。特高頻法及超聲波法是GIS局部放電檢測的常用方法。采用特高頻時差定位法、聲電聯合定位法成功定位一起220kV GIS隔離開關懸浮放電故障。解體后發(fā)現，由于齒輪傳動軸與絕緣拉桿接頭尺寸配合不當造成電位懸浮，進而產生局部放電。建議進一步改進該類型隔離開關絕緣拉桿處的結構設計，增加等電位連接措施，避免類似情況發(fā)生。

特高頻；超聲波；局部放電；聲電聯合；定位

0 引言

封閉式氣體絕緣組合電器（GIS）具有占地面積小、可靠性高、受外界環(huán)境影響小、維護簡單等優(yōu)點，近年來被廣泛地應用于電力系統(tǒng)中［1-2］。但在GIS的制造和裝配過程中，往往由于工藝等問題會使GIS內部留下一些小的缺陷，如金屬微粒、絕緣氣隙等，這些微小的缺陷在GIS運行過程中可能會發(fā)展為危險的放電通道，并最終引起絕緣擊穿事故。

對GIS進行局部放電帶電檢測是評估GIS運行狀態(tài)的重要手段，可以提前發(fā)現GIS內部潛在的故障或缺陷，保證其安全可靠運行［3］。

目前，國內外多采用特高頻法和超聲波法進行局部放電定位，特高頻法由于原理簡單、靈敏度高的優(yōu)點得到廣泛的應用，但它難以實現設備缺陷的準確定位［4］。特別是當缺陷位于絕緣子附近時，難以準確確定其所在的氣室，這就增加了檢修維護的復雜性。超聲波定位法雖然靈敏度較好，定位準確度高，但其有效范圍較小，現場應用時工作較為繁重［5］。因此，如何有效結合兩者的優(yōu)點，實現快速準確定位，成為近年來現場維護人員關注的焦點。

1 檢測方法

特高頻法采用時差定位法實現GIS局部放電源的定位，即通過計算兩個或多個不同位置的特高頻傳感器接收信號的時延來確定放電源的位置。

聲電聯合定位法即先采用特高頻法對GIS局部放電進行初步定位分析，確定局部放電的大致范圍，再采用特高頻法和超聲波法聯合進行定位分析，從而實現絕緣缺陷的精確定位。

聲電聯合定位法同時對局部放電源產生的超聲波信號和特高頻信號進行檢測，利用兩者互補的特性，使其相比于單一超聲波法和特高頻法有更強的抗干擾能力，并能提高定位精度。

特高頻法與超聲波法各自存在不同的優(yōu)缺點，如表1所示。

表1 兩種檢測方法優(yōu)缺點比較

2 缺陷檢測與分析

2.1 發(fā)現過程

2016-08-09，試驗人員采用特高頻法對某220kV變電站201間隔進行局部放電檢測時，在201-3開關A相盆式絕緣子上檢測到異常特高頻信號，圖1為現場檢測照片，圖2、圖3為測得的特高頻信號。圖1中，綠色標識的特高頻傳感器固定在201-3開關A相盆式絕緣子上，紅色標識的特高頻傳感器放置于外部空間。

由圖2、圖3可以看到，201-3開關A相檢測到明顯異常的特高頻信號，該信號具有工頻相關性，脈沖根數較少，幅值較大，并存在一定的間歇性，與懸浮電極放電的特征相符，應為懸浮電極類放電。經過各個方向上移動紅色標識的特高頻傳感器進行時差分析，綠色標識的特高頻信號在時間上均超前于紅色標識特高頻信號，因此可初步判定信號應來自于GIS設備內部。

為了進一步確定信號來自GIS內部，兩個特高頻傳感器保持不變，將紫色標識的超聲波傳感器放于201-3開關外殼上進行聲電聯合檢測，如圖4所示，檢測結果如圖5所示。

由圖5可以看到，測得的特高頻與超聲脈沖信號之間一一對應，具有明顯的工頻相關性。因此可確定放電信號應來自于GIS設備內部。

圖1 201-3開關A相特高頻檢測現場

圖2 201-3開關A相測得的特高頻信號

圖3 波形展開后的特高頻信號

2.2 缺陷定位

2.2.1 特高頻時差定位

為了確定信號源位置，首先采用特高頻時差定位法，對201間隔A相多個盆式絕緣子特高頻信號進行時延分析。

圖4 201-3開關A相聲電聯合檢測現場

圖5 201-3開關A相上特高頻及超聲信號

第1次定位檢測：將綠色標識的特高頻傳感器固定在201-3開關鄰近的盆式絕緣子上，紅色標識的特高頻傳感器固定在201-D3鄰近的盆式絕緣子上，如圖6所示，檢測結果如圖7所示。

圖6 第1次定位檢測現場

由圖7可以看到，綠色標識的特高頻信號在時間上明顯超前于紅色標識的特高頻信號，因而，放電源更靠近綠色標識傳感器所對應的盆式絕緣子，即更靠近201-3開關側。

第2次定位檢測：綠色標識的特高頻傳感器的位置保持不變，將紅色標識的特高頻傳感器換到201-D2接地開關鄰近的盆式絕緣子上，如圖8所示，檢測結果如圖9所示。

圖7 第1次定位檢測結果

圖8 第2次定位檢測現場

圖9 第2次定位檢測結果

由圖9可以看到，綠色標識的特高頻信號在時間上超前于紅色標識的特高頻信號大約2 ns，因而，放電源更靠近綠色標識傳感器所對應的盆式絕緣子，即更靠近201-3開關側。

2.2.2 聲電聯合定位

為了精確確定放電源的位置，采用聲電聯合法進行定位，綠色標識的特高頻傳感器的位置保持不變，同時采用兩個超聲波傳感器與特高頻傳感器進行同步檢測，檢測現場及結果如圖10～圖13所示，其中黃色與紫色標識的為超聲波傳感器，綠色為特高頻傳感器。

圖10 第3次定位檢測現場

圖11 第3次定位檢測結果

圖12 第4次定位檢測現場

由圖11可以看到，黃色超聲波傳感器時間上超前紫色超聲波傳感器，特高頻脈沖與黃色超聲脈沖的時間差大約為300μs；由圖13可以看到，黃色超聲波傳感器時間上超前紫色超聲波傳感器，特高頻脈沖與黃色超聲脈沖的時間差大約為100μs，因而，超聲信號源應該更靠近圖12中黃色標識的傳感器。

圖13 第4次定位檢測結果

結合201-3開關A相附近特高頻、超聲波信號的強度及時序與設備內部結構，該放電源應該位于201-3開關A相操作機構傳動連接部位，具體位置如圖14所示。

圖14 放電源位置

3 解體情況

1號主變、201間隔、101間隔及301間隔停電后，對201-3開關A相絕緣拉桿進行檢查，拿出齒輪傳動軸后，在A相的絕緣桿上部與齒輪傳動軸咬合的凹槽處，發(fā)現大量因放電產生的黑色粉末，如圖15、圖16所示。

圖15 絕緣桿凹槽里的放電粉末

圖16 絕緣桿凹槽內側的痕跡

長時間局部放電會產生金屬粉末，由于在齒輪軸與絕緣拉桿嵌件配合的周圍有聚四氟乙烯墊片、襯套，如圖17所示，才使粉末未散落擴散到氣室內。若長期運行后，一旦粉末發(fā)生散落，則會導致嚴重的閃絡故障。

圖17 絕緣拉桿與齒輪軸的連接結構

4 故障分析及處理

造成懸浮放電的原因是設備中的某兩個部件沒有接觸好，形成一個電位差，而從圖18可以看出，傳動輸入軸和齒輪傳動部分都與外殼連接牢靠，為地電位；絕緣拉桿下端與高壓導體的齒輪咬合緊密，是同等的高電位，因此可能存在懸浮放電的位置只有絕緣拉桿上端與齒輪傳動軸的接觸面，即紅色圓圈所示部分。

圖18 隔離開關內部傳動部件

通過對絕緣拉桿鋁合金接頭及齒輪軸進行尺寸測量，發(fā)現接頭卡槽尺寸過大，為12.32mm，如圖19所示。而圖紙要求為12.15mm，超出圖紙要求0.17mm，使齒輪軸與鋁合金接頭之間出現接觸不良的情況，設備運行時卡槽存在懸浮電位，在兩個元件之間發(fā)生局部放電，長時間局部放電會產生金屬粉末。

結合上述故障原因的分析，檢修人員選擇更換絕緣拉桿鋁合金接頭符合尺寸的絕緣拉桿；同時，考慮到絕緣拉桿鋁合金接頭及齒輪軸長時間的摩擦可能會造成兩者尺寸誤差逐漸偏大，檢修人員決定從絕緣拉桿鋁合金接頭凹槽的底面中心位置安裝等電位彈簧，如圖20所示。利用彈簧的伸縮性使絕緣桿與齒輪傳動軸在運行過程中始終彈性連接，保證絕緣拉桿上端可靠接地，進而消除因接觸不良產生的懸浮放電隱患。

圖19 絕緣桿凹槽與齒輪傳動軸凸起的尺寸差

圖20 安裝等電位彈簧

5 結語

結合特高頻時差定位及聲電聯合定位法準確定位一起220kV GIS隔離開關氣室懸浮放電故障，并將放電源位置定位在隔離開關氣室上部傳動機構附近。解體后發(fā)現的放電痕跡驗證了本次局放定位的準確性。由于齒輪傳動軸與絕緣拉桿接頭尺寸配合誤差較大，造成裝配不當，存在懸浮放電隱患。已要求廠家加強GIS元件加工過程中的管理，進一步改進該類型隔離開關絕緣拉桿處的結構設計，增加等電位連接措施。并且重點關注同一型號隔離開關氣室，縮短帶電檢測周期，避免類似情況發(fā)生。

［1］ 陳敏，陳雋，劉常穎，等.GIS超聲波、超高頻局部放電檢測方法適用性研究與現場應用［J］.高壓電器，2015，51（8）：186-191．

［2］ 孫曙光，陸儉國，俞慧忠，等．基于超高頻法的典型GIS局部放電檢測［J］.高壓電器，2012，48（4）：7-12．

［3］ 魏翀，熊俊，楊森.GIS局部放電帶電檢測技術分析與現場應用［J］.電氣自動化，2016，38（2）：106-108，114.

［4］ 錢勇，黃成軍，江秀臣，等.基于超高頻法的GIS局部放電在線監(jiān)測研究現狀及展望［J］.電網技術，2005，29（1）：40-43，55.

［5］ 肖燕，郁惟鏞.GIS中局部放電在線監(jiān)測研究的現狀與展望［J］.高電壓技術，2005，31（1）：47-49.

Defects Analysis of GIS Partial Discharge Based on UHF and Acoustic-electric Methods

YUE Caipeng
（State Grid Liaocheng Power Supply Company，Liaocheng 252000，China）

The occurrence of GIS insulation failure will have a serious impact on the safe and stable operation of power plants and power grids.The partial discharge（PD）detection can effectively detect the latent fault of GIS equipment and ensure the safe operation of GIS equipment.The ultra high frequency（UHF）method and the acoustic-electric method are common methods for PD detection in GIS.The fault location of a 220kV GIS isolation switch is successfully achieved by using the method of UHF time-difference localization and acoustic-electric combined positioning.After examining the faulty equipment，it is found that due to the improper matching of the gear drive shaft and the size of the insulating rod，the potential is suspended，and then the PD produced.It is recommended to further improve the structural design of the insulation rod of this type of isolation switch，and to add the equipotential connection measures to avoid similar situations.

UHF；ultrasonic；partial discharge；acoustic-electric；location

TM595

：B

：1007－9904（2017）07－0073－05

2017-01-04

岳彩鵬（1984），男，工程師，從事高壓試驗檢修及帶電測試與故障診斷工作。