一起GIS盆式絕緣子局部放電案例分析

周宏偉，劉成華，蓋 磊，趙祥龍，徐再興，黃曉明

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰611830；2.國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000； 3.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，成都610021）

一起GIS盆式絕緣子局部放電案例分析

周宏偉1，劉成華2，蓋 磊2，趙祥龍2，徐再興2，黃曉明3

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 都江堰611830；2.國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000； 3.中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計院有限公司，成都610021）

目前，GIS局部放電檢測技術(shù)已廣泛應(yīng)用到GIS檢測。簡述了GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電主要有自有顆粒放電，懸浮電位放電，電暈放電、絕緣支柱絕緣下降等GIS常見的典型局部放電故障，針對以上GIS內(nèi)部典型故障，給出了可檢測GIS局部放電特高頻檢測和超聲波檢測的兩種常用檢測方法，利用上述檢測方法可對局部放電類型進(jìn)行判斷，對放電源進(jìn)行定位，進(jìn)而可準(zhǔn)確找出故障點(diǎn)。

特高頻檢測方法；超聲波檢測方法；故障分析

0 引言

目前，SF6全封閉式組合電器（GIS）具有運(yùn)行可靠性高、占用空間少、維護(hù)工作量小、不受外界環(huán)境條件的影響等諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用到電力系統(tǒng)中。但由于各種設(shè)備需封閉在金屬外殼內(nèi)，而從外部無法觀察到金屬外殼內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行的狀況，一旦內(nèi)部存在尖端放電、電暈放電、內(nèi)部絕緣受損或者內(nèi)部導(dǎo)通回路接觸不良等缺陷，都會造成設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電，從而會對電力設(shè)備造成嚴(yán)重傷害[1]。

當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時，設(shè)備周圍空間就會產(chǎn)生一系列的光、聲、電氣、機(jī)械振動的物理現(xiàn)象和化學(xué)變化，局部放電檢測技術(shù)就是通過上述物理和化學(xué)信號的變化，來檢測電力設(shè)備內(nèi)部的絕緣情況和運(yùn)行狀況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部缺陷，避免對電力設(shè)備造成損害。

1 超聲波與特高頻檢測技術(shù)介紹

1.1 超聲波局部放電檢測技術(shù)介紹

GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時，同時伴隨產(chǎn)生超聲波信號（頻率高于20 kHz的聲波），超聲波信號由絕緣介質(zhì)和金屬件傳導(dǎo)到GIS設(shè)備外殼。通過在GIS設(shè)備外殼上安裝的超聲波傳感器，可以耦合檢測到局部放電產(chǎn)生的超聲波信號，進(jìn)而判斷GIS設(shè)備的局部放電情況[2]。如圖1所示。

圖1 超聲波局部放電檢測原理圖Fig.1 The schematic diagram of ultrasonic partial discharge detection

GIS局部放電超聲波檢測儀一般由超聲波傳感器和檢測主機(jī)兩部分組成。超聲波傳感器單元包括超聲波傳感器和前置調(diào)理器，用于檢測GIS設(shè)備發(fā)生局部放電時的超聲波信號；檢測主機(jī)單元包括數(shù)據(jù)采集單元、控制與處理分析單元、存儲單元、人機(jī)交互單元和輔助單元，完成傳感器信號的調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換、檢測分析過程的控制、檢測數(shù)據(jù)的處理分析、檢測數(shù)據(jù)的存儲和導(dǎo)入導(dǎo)出、檢測設(shè)置、信息顯示、測試信息錄入和儲能電池管理等。如圖2所示。

圖2 超聲波局部放電檢測儀組成Fig.2 The composition of ultrasonic partial discharge detector

具有定位功能的GIS局部放電超聲波檢測儀，可以利用超聲波信號到達(dá)不同位置傳感器的信號時延或強(qiáng)度進(jìn)行定位[3]。

GIS超聲波局部放電檢測所用的傳感器應(yīng)用最為廣泛的是以壓電陶瓷為材料的諧振式傳感器，見圖3。

圖3 超聲波傳感器Fig.3 The ultrasonic sensor

諧振式傳感器利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，在局部放電產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力波作用下產(chǎn)生交變電場。雖然GIS局部放電所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號具有一定的隨機(jī)性，每次局部放電的聲波信號頻譜不同，但整個局部放電聲波信號的頻率分布范圍卻變化不大，處于20～200 kHz頻段，傳感器諧振頻率一般選擇為40 Hz[4]。

1.2 特高頻法局部放電檢測技術(shù)介紹

特高頻局部放電帶電檢測儀用于GIS特高頻局部放電測試，一般由UHF傳感單元、信號處理單元和分析診斷單元組成。UHF傳感單元用于耦合GIS內(nèi)局部放電產(chǎn)生的電磁波信號，包括特高頻傳感器和射頻同軸傳輸電纜，安裝方式主要有內(nèi)置式和外置式。信號處理單元對傳感器的信號進(jìn)行濾波、放大、檢波處理及模數(shù)轉(zhuǎn)換。分析診斷單元實現(xiàn)局部放電信號的分析、處理及數(shù)據(jù)存儲，并具備人機(jī)交互功能[5]。 見圖4。

圖4 特高頻局部放電檢測儀組成Fig.4 The composition of UHF partial discharge detector

特高頻傳感器是一種耦合GIS設(shè)備內(nèi)部300～1 500 MHz頻段的特高頻電磁波信號的天線，見圖5。

圖5 特高頻傳感器Fig.5 The UHF sensor

1.3 局部放電定位檢測技術(shù)介紹

局部放電定位儀以特高頻技術(shù)為主，結(jié)合超聲波技術(shù)聯(lián)合測試（簡稱聲電聯(lián)合法），用于GIS放電源精確定位，一般由特高頻傳感器單元、超聲波傳感器單元、信號調(diào)理裝置、濾波器、專用連接線纜和示波器組成，見圖6。

圖6 局部放電定位儀組成Fig.6 The composition of partial discharge position finder

2 案例分析

2.1 案例經(jīng)過

2015年3月20日，在設(shè)備特巡過程中，對某220 kV變電站110 kV GIS某一間隔分支母線端部盆式絕緣子進(jìn)行GIS超聲波和GIS特高頻帶電檢測時發(fā)現(xiàn)異常，懷疑內(nèi)部有局部放電現(xiàn)象，并采取措施制定跟蹤復(fù)測方案。結(jié)合4月份停電計劃，2015年4月6日，經(jīng)公司運(yùn)檢部、廠家技術(shù)人員確認(rèn)，檢修人員對該110 kV GIS間隔分支母線進(jìn)行了拆除，拆除后發(fā)現(xiàn)該絕緣盆子出現(xiàn)裂紋，隨時會出現(xiàn)閃絡(luò)故障，不能繼續(xù)使用，檢修人員立即對該盆子進(jìn)行了更換處理，消除一起重大GIS設(shè)備隱患，避免大面積停電事故的發(fā)生。

2.2 檢測過程

1）現(xiàn)場檢測：2015年3月20日，對220 kV變電站110 kV設(shè)備區(qū)進(jìn)行局部放電檢測，發(fā)現(xiàn)110 kV GIS某間隔間隔分支母線端部盆式絕緣子位置信號明顯異常，發(fā)現(xiàn)在GIS罐體下部局放信號最大值為41.4 mV，有效值為40 mV，其背景值僅為0.1 mV，異常信號較為明顯，且該異常信號有明顯100 Hz的相關(guān)性，呈現(xiàn)出明顯的100 Hz頻率相關(guān)性。脈沖模式集中，對比典型缺陷圖譜，沿該點(diǎn)圓周方向測量，發(fā)現(xiàn)該異常信號仍然存在，信號幅值較大，也表現(xiàn)出明顯的100 Hz頻率相關(guān)性，初步判斷該氣室存在可能是疑似懸浮放電信號。由于該設(shè)備只能進(jìn)行超聲波模式測試，建議利用多種方法對該GIS氣室進(jìn)行進(jìn)一步檢查分析，以進(jìn)一步對該異常信號確認(rèn)、進(jìn)行定位。

2）超聲波檢測：2015年3月22日，對該氣室進(jìn)一步檢查分析，其測試結(jié)果與上次測試結(jié)果基本相似，并且在超聲波模式下，用耳機(jī)可聽到明顯“吱吱”的聲音?，F(xiàn)場測試見圖7。

圖7 現(xiàn)場測試實物圖Fig.7 Site detection sample

測試人員首先利用超聲波進(jìn)行測試，在該氣室上選取多個測試點(diǎn)，測試點(diǎn)1、2、3作為較典型的信號進(jìn)行測量，圖8和圖9為超聲波連續(xù)模式下的測試圖譜。

圖8 連續(xù)模式下超聲波圖譜Fig.8 The ultrasonic spectrum of continuous mode

圖9 相位模式下超聲波圖譜Fig.9 The ultrasonic spectrum of phase mode

從上面測試結(jié)果可看出，該氣室測試信號峰值在38.8 mV，信號幅值較大，該信號有明顯的50 Hz和100 Hz頻率相關(guān)性，50 Hz頻率相關(guān)性為11.8 mV，100 Hz頻率相關(guān)性為18.1 mV，在相位模式下一個工頻周期里，測試結(jié)果也表現(xiàn)出明顯的兩簇異常信號，其測試的最大幅值為42.4，其測試結(jié)果和連續(xù)模式下的信號基本一致。

測試數(shù)據(jù)的幅值、50 Hz相關(guān)性、100 Hz相關(guān)性較大，脈沖模式集中，點(diǎn)較均勻的聚集在兩簇，對比典型缺陷圖譜，該異常信號與懸浮電位典型的放電圖譜十分相符[6]。

3）特高頻檢測：測試人員運(yùn)用特高頻檢測方法對該氣室盆式絕緣子測試，在該氣室臨近的盆式絕緣子上檢測有異常信號，也表現(xiàn)出明顯的相位特征，放電脈沖幅值穩(wěn)定，且相鄰放電時間間隔基本一致，符合典型的懸浮電位放電的特征。與超聲波所測量的信號基本相符，判斷應(yīng)為同一個信號源[7]。

圖10和圖11分別為脈沖序列模式和相位模式下得到的PRPS和PRPD圖譜。

圖10 PRPS圖譜Fig.10 The ultrasonic spectrum of PRPS mode

2.3 解體檢查

2015年3月26日，檢修人員對GIS氣室進(jìn)行解體檢修，發(fā)現(xiàn)該氣室A相導(dǎo)體的絕緣支柱有明顯放電痕跡，A相導(dǎo)體與絕緣支柱部分已經(jīng)燒焦燒黑，見圖12至圖14，并且該氣室A相導(dǎo)體表面已經(jīng)附著較多放電白色粉末，證實該氣室存在放電缺陷。

圖11 PRPD圖譜Fig.11 The ultrasonic spectrum of PRPD mode

圖12 設(shè)備放電解體圖1Fig.12 The discharge disintegration figure 1 of equipment

圖13 設(shè)備放電解體圖2Fig.13 The discharge disintegration figure 2 of equipment

圖14 設(shè)備放電解體圖3Fig.14 The discharge disintegration figure 3 of equipment

經(jīng)以上分析發(fā)現(xiàn)：GIS氣室導(dǎo)體是支柱絕緣子支撐固定，以保證GIS導(dǎo)體內(nèi)部導(dǎo)體與導(dǎo)體之間，導(dǎo)體與GIS外殼有足夠的絕緣能力，但設(shè)備經(jīng)過長時間運(yùn)行，內(nèi)部絕緣子受到電動力、高電壓以及溫度變化影響，支柱絕緣子與導(dǎo)體之間螺絲松動，造成支柱絕緣與導(dǎo)體之間發(fā)生移位產(chǎn)生間隙，從而在導(dǎo)體與支柱絕緣子之間形成兩個電極，那么就會在導(dǎo)體之間形成電位差，當(dāng)兩極之間的電位達(dá)到一定程度，就會造成懸浮電位放電，隨著放電幅值增大和放電頻率的增加，會造成支柱絕緣子的老化，絕緣能力下降，會燒壞燒焦絕緣子[8-10]，通過對GIS解體分析，基本與測試結(jié)果吻合，證實測量的結(jié)果正確。

3 結(jié)論

通過以上介紹和相關(guān)案例分析，超聲波、特高頻局部放電檢測技術(shù)是GIS設(shè)備內(nèi)部局部放電和絕緣缺陷一種重要檢測的手段，它可以有效地發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部的放電故障，并對缺陷進(jìn)行定性和定類，做到發(fā)現(xiàn)缺陷及時處理，可有效地避免對電力設(shè)備造成損害和電網(wǎng)GIS跳閘事故的發(fā)生[11-14]。但由于檢測的信號較弱，現(xiàn)場復(fù)雜干擾較多，有時一次放電包含多種放電類型，這給檢測人員帶來較大的困難，要想掌握本項技術(shù)還需要在實踐中不斷積累，加強(qiáng)對各種放電缺陷類型的分析診斷的積累，提高對缺陷分析診斷能力；另外，對于GIS內(nèi)部存在的缺陷，應(yīng)注意采用多種檢測技術(shù)進(jìn)行相互驗證，如：SF6氣體成份分析，對于絕緣件內(nèi)部的缺陷，必要時可采取對于采用X光探傷技術(shù)來加以輔助。

[1]國家電網(wǎng)公司.DL/T 1250-2013.氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備帶電超聲波局放帶電檢測[S].北京：中國電力出版社，2013.

[2]龍家聰.一種簡便的局部放電超高頻檢測儀及其應(yīng)用的研討[J].高電壓技術(shù)，1984（2）：51-56.LONG Jiacong.Application and discussion about a simple UHF partial discharge detector[J].High voltage technology， 1984（2）:51-56.

[3]國家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部.電網(wǎng)設(shè)備帶電檢測技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2014.

[4]國家電網(wǎng)公司.DW 11059.2-2013.氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備局部放電帶電檢測技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2013.

[5]王頌，吳曉輝，袁鵬，等.局部放電超高頻檢測系統(tǒng)標(biāo)定方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].高壓電器，2007， 43（1）：59-61.WANG Song， WU Xiaohui， YUAN Peng， et al.Current situation and development of calibration for UHF-PD（partial discharge）detection system[J].High Voltage Apparatus， 2007， 43（1）:59-61.

[6]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(xiàn)狀及展望[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005， 29（1）：40-43.QIAN Yong， HUANG Chengjun， JIANG Xiuchen， et al.Present situation and prospect of ultrahigh frequency method based research of on-line monitoring of partial discharge in gas insulated switchgear[J].Power System Technology， 2005， 29（1）:40-43.

[7]王建生，邱毓昌.氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中局部放電的在線監(jiān)測技術(shù)[J].電工電能新技術(shù)，2000， 19（4）：44-48.WANG Jiansheng，QIU Yuchang.On-line partial discharge monitoring techniques for gas insulated substations[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy，2000， 19（4）:44-48.

[8]陳倉，張杰，趙滿江，等.GIS典型絕緣故障案例及原因分析[J].電瓷避雷器，2013（6）：7-10.CHEN Cang， ZHANG Jie， ZHAO Manjiang， et al.Analysis of typical insulation fault cases of GIS[J].Insulators and Surge Arresters， 2013（6）:7-10.

[9]何計謀.110 kV小型化GIS用SF6罐式（單相）無間隙金屬氧化物避雷器的設(shè)計[J].電瓷避雷器，2003（6）：19-22.HE Jimou.Design of SF6tank type metal-oxide surge arrester for 110 kV compact GIS[J].Insulators and Surge Arresters，2003（6）：19-22.

[10]嚴(yán)玉婷，王亞舟，段紹輝，等.GIS局部放電帶電測試原理研究及現(xiàn)場缺陷分析[J].電瓷避雷器，2012（3）：51-56.YAN Yuting， WANG Yazhou， DUAN Shaohui， et al.Study on live test principle of GIS partial discharge and analysis of site defects[J].Insulators and Surge Arresters，2012（3）:51-56.

[11]陳賢熙，王俊波，譚笑，等.基于寬帶脈沖電流法的避雷器局部放電圖譜分析及應(yīng)用[J].電瓷避雷器，2015（3）：132-137.CHEN Xianxi， WANG Junbo， TAN Xiao， et al.Analysis and application on partial discharge map of the arrester based on Wide-Band pulse current method[J].Insulators and Surge Apprest-ers， 2015（3）:132-137.

[12]李忠，陳杰華，胡迪軍，等.基于超高頻檢測技術(shù)研究GIS中的局部放電[J].電力系統(tǒng)自動化，2004（1）：28-32.LI Zhong，CHEN Jiehua，HU Dijun， et al.Research on partial discharge in gis based on UHF method detection[J].Automation of Electric Power Systems， 2004（1）:28-32.

[13]方春華，黃立，廖一帆，等.污穢復(fù)合絕緣子泄漏電流波形頻譜特征[J].高壓電器，2016，52（5）:27-28.FANG Chunhua， HUANG Li， LIAO Yifan， et al.Research on leakage current waveform spectrum characteristics of artificial pollution composite insulator[J].High Voltage Apparatus，2016，52（5）:27-28.

[14]石俏，劉有為，肖燕，等.長期靜置對高壓斷路器合閘時間特性的影響[J].高壓電器，2016，52（5）:181-182.SHI Qiao， LIU Youwei， XIAO Yan， et al.Influence of a long idle on statistic distribution of closing time of high voltage circuitbreakers [J].High Voltage Apparatus，2016，52（5）:181-182.

The Partial Discharge Case Analysis of GIS Basin Insulator

ZHOU Hongwei1， LIU Chenghua2,GAI Lei2,ZHAO Xianglong2， XU Zaixing2,HUANG Xiaoming3
（1.Sichuan Water Conservancy Vocational College,Dujiangyan 611830， China;2.State of Grid Linyi Power Supply Company，Linyi 276000,China;3.China Power Engineering Consulting Group Southwest Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610021,China）

At present,the GIS partial discharge detection technology has been widely applied to the GIS.This paper briefly describes the types of partial discharge in GIS,such as free particle discharge,suspended potential discharge,corona discharge,insulation support discharge，and for the above cases，this paper gives two kinds of common detection principle of GIS partial discharge:UHF partial discharge detection and ultrasonic partial discharge detection,the detection methods can be used to judge the type of partial discharge,locate the discharge power,and find out the fault point accurately.

UHF detection method；ultrasonic testing method； failure analysis

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.034

2016-03-16

周宏偉 （1965—），女，副教授，研究方向：從事電力系統(tǒng)自動化，高電壓技術(shù)方面的教學(xué)和架空輸電線路設(shè)計。