某110 kV GIS盆式絕緣子局部放電檢測與解體分析

高 竣,邱 煒,蔡 川,劉 鑫,郭 超,石凱萌,陳星宇,何 凱,陳 佳

(國網(wǎng)四川電力公司成都供電公司,四川 成都 610041)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchger,GIS)因占地面積小、可靠性高、安裝方便、檢修周期長、維護工作量小等優(yōu)點,自20世紀60年代實用化以來,迅速在世界各國的電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。僅以國網(wǎng)成都供電公司為例,目前GIS變電站數(shù)量占60%以上,并且每年新投變電站基本以GIS為主。但是GIS緊湊的結(jié)構(gòu)也帶來一些問題,由于其內(nèi)部空間狹小,內(nèi)部的電場相對集中,一旦因安裝工藝不良出現(xiàn)毛刺、金屬顆?；蛘呓佑|不良等情況,容易造成局部放電,進而引發(fā)設(shè)備事故[6-9]。而對于GIS設(shè)備,母線、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、接地開關(guān)、避雷器等設(shè)備全部密封在封閉罐體中,一旦出現(xiàn)故障,通常導(dǎo)致的停電范圍較大且檢修流程復(fù)雜、平均停電檢修時間較長[10-13]。

GIS局部放電會在內(nèi)部以及周圍空間中產(chǎn)生聲、光、電磁波等一系列物理或化學(xué)變化,通過檢測這些信號,可以及時發(fā)現(xiàn)GIS 內(nèi)部缺陷[14-17]。研究表明,大約有60%的局部放電在發(fā)展成故障之前是可以通過局部放電檢測提前發(fā)現(xiàn)的[18]。因此,開展局部放電檢測對保證GIS設(shè)備安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

下面介紹一起利用特高頻檢測技術(shù)在某變電站成功發(fā)現(xiàn)110 kV GIS盆式絕緣子局部放電的案例。首先,詳細闡述了放電的發(fā)現(xiàn)以及精準定位的過程,并利用GIS重癥系統(tǒng)實時跟蹤監(jiān)測;最后,結(jié)合現(xiàn)場開罐檢查驗證了GIS設(shè)備放電的存在和放電點的位置,有效避免了一起電力事故的發(fā)生。

1 帶電檢測異常情況

1.1 設(shè)備基本概況

帶電檢測異常設(shè)備為某220 kV變電站110 kV GIS設(shè)備。該設(shè)備為三相共箱式結(jié)構(gòu),即A、B、C 三相設(shè)備在同一個罐體中,型號為ZF12-126(L),額定電壓為126 kV,額定電流為3150 A,生產(chǎn)廠家為河南平高電氣股份有限公司,投運日期為2018年。

1.2 帶電檢測數(shù)據(jù)分析

1.2.1 缺陷發(fā)現(xiàn)經(jīng)過

在對某220 kV變電站110 kV GIS設(shè)備進行帶電檢測時,發(fā)現(xiàn)1號主變壓器101間隔幾乎所有盆式絕緣子處均檢測到異常特高頻信號,圖譜特征基本保持一致,如圖1所示,僅幅值略有不同,各部位幅值如圖2所示。檢測當日環(huán)境溫度為15 ℃,空氣濕度為65%,天氣晴。

圖1 異常特高頻信號

圖2 各盆式絕緣子處異常特高頻信號幅值分布

從圖1(a)可以看出,各盆式絕緣子處檢測的特高頻信號圖譜在整個工頻周期內(nèi)集中表現(xiàn)為兩簇放電信號,放電幅值較大,但是幅值分散。而懸浮類放電相位分布的脈沖序列(phase resolve piuse sequence,PRPS)譜圖一般具有“內(nèi)八字”或“外八字”分布特征,因此初步判斷疑似為絕緣類(沿面或者氣隙)放電特征。此外,在空氣背景中未檢測到異常特高頻信號,如圖1(b)所示,因此可以判斷該放電信號來自于GIS設(shè)備內(nèi)部。同時,從1013隔離開關(guān)氣室側(cè)分別往兩側(cè)移動傳感器時,盆式絕緣子處上檢測到的信號幅值呈現(xiàn)減小的趨勢,根據(jù)幅值定位初步可以判斷該放電信號可能位于1013隔離開關(guān)氣室。對該間隔各氣室進行超聲波檢測,未發(fā)現(xiàn)異常信號。

1.2.2 放電源定位

為了進一步確定放電源在GIS中的準確位置,采用時差法來進行定位,定位原理如圖3所示。通過測量兩個傳感器之間距離L,在示波器上讀取兩個通道信號的時差Δt,并設(shè)放電源到較近的傳感器的距離為x,則可通過式(1)計算出放電源位置[19-20]。

圖3 時差定位原理

(1)

式中:c為電磁波在GIS內(nèi)部傳播速度,3×108m/s;t1和t2分別為兩個傳感器接收到電磁波信號的時間。

現(xiàn)場時差定位的傳感器布置如所圖4所示,考慮特高頻檢測幅值較大的位置在1號至4號盆式絕緣子之間,因此將一個特高頻傳感器放置于1號盆式絕緣子處,另一個傳感器放置于4號盆式絕緣子處。通過示波器捕捉兩個位置檢測到信號的時間差,如所圖5所示,再根據(jù)式(1)計算出放電源位置。此外,為了提高時差定位的準確性,反復(fù)多次調(diào)整改變傳感器的位置對放電源進行時差定位,最終定位放電源位于1013隔離開關(guān)氣室,并且距離2號盆式絕緣子大約5 cm處。由于特征圖譜顯示放電為絕緣類,推測可能1013隔離開關(guān)氣室靠近2號盆式絕緣子處存在絕緣類缺陷。

圖4 時差定位傳感器布置

圖5 時差關(guān)系

1.2.3 SF6分解產(chǎn)物分析

放電源定位后,對1013隔離開關(guān)氣室氣體進行SF6分解產(chǎn)物測試與分析,同時檢測了其他正常隔離開關(guān)氣室并進行了對比。檢測結(jié)果顯示,1013隔離開關(guān)氣室與正常氣室均未檢測到SO2及H2S產(chǎn)物,主要原因可能是局部放電的能量較低,未使SF6氣體發(fā)生分解。

2 異常信號跟蹤監(jiān)測

由于該站的負荷較重,處理該缺陷涉及用戶停電,因此采取暫不處理繼續(xù)監(jiān)視運行。但是,為了實時跟蹤該異常信號的發(fā)展情況,避免缺陷持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致設(shè)備擊穿引發(fā)停電事故,在該間隔裝設(shè)了用于GIS設(shè)備特高頻實時檢測的重癥監(jiān)護系統(tǒng),如圖6所示。該系統(tǒng)可實時采集間隔內(nèi)各盆式絕緣子處的特高頻信號,一旦幅值達到設(shè)置的報警閾值,即可發(fā)送報警信號至監(jiān)控人的手機進行短信提醒。

圖6 GIS重癥監(jiān)護系統(tǒng)

GIS重癥監(jiān)護系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)如圖7所示。經(jīng)過長期的跟蹤監(jiān)測分析比較發(fā)現(xiàn):該間隔特高頻異常信號保持穩(wěn)定,幅值雖然存在一定波動,但是未出現(xiàn)明顯增大的情況;放電特征也和前期的檢測結(jié)果保持一致。這說明該放電未進一步發(fā)展處于平穩(wěn)狀態(tài),因此仍繼續(xù)監(jiān)視運行,在后續(xù)負荷較輕時再申請停電進行開罐解體檢修。

圖7 GIS重癥監(jiān)護系統(tǒng)檢測圖譜

此外,根據(jù)重癥監(jiān)護系統(tǒng)長期監(jiān)測數(shù)據(jù),還可以發(fā)現(xiàn)頻率特性1(50 Hz頻率相關(guān)性)和頻率特性2(100 Hz頻率相關(guān)性)交替領(lǐng)先現(xiàn)象,說明可能存在兩種類型的放電,比如尖端放電(對應(yīng)50 Hz頻率相關(guān)性)和絕緣類放電(對應(yīng)100 Hz頻率相關(guān)性)。每次頻率特性2領(lǐng)先頻率特性1的時候,均出現(xiàn)在在放電次數(shù)較多的情況下,也是放電幅值突然變大的地方,并且持續(xù)時間不長;而在大多數(shù)情況放電次數(shù)少的時候,則是頻率特性1領(lǐng)先頻率特性2,放電的幅值也一直保持穩(wěn)定。因此可推測其中對應(yīng)頻率特性2的放電存在間歇性且幅值相對較大,而對應(yīng)頻率特性1的放電一直持續(xù)存在,但是幅值相對較小。綜合判斷該放電類型可能為持續(xù)尖端和間隙性的絕緣類兩種放電形態(tài)的疊加。

3 開罐解體檢查以及原因分析

兩年后,由于該站的負荷部分轉(zhuǎn)移到了其他站,遂申請停電對1013隔離開關(guān)氣室進行開罐解體檢查。打開該隔離開關(guān)氣室下部的吸附劑蓋板,檢查整個氣室內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部金屬部件松動或其他放電痕跡,僅發(fā)現(xiàn)了B相盆式絕緣子與高壓導(dǎo)體的交界處存在膠合不良(A、C相均未發(fā)現(xiàn))有表面剝離的現(xiàn)象,如圖8(b)所示,而且縫隙處存在明顯的黑色的放電痕跡,如圖8(c)所示。

圖8 1013隔離開關(guān)氣室放電痕跡

分析造成這些現(xiàn)象的原因:首先,由于B相盆式絕緣子與高壓導(dǎo)體膠合不好,可能在交界面處造成一些微小的毛刺凸起,這些毛刺在電場作用下會發(fā)生尖端放電;其次,如果中心導(dǎo)體與絕緣體之間結(jié)合不良或者發(fā)生剝離,在交界面還會形成一些微小氣隙,當電場達到一定程度時造成氣隙放電。根據(jù)前期的重癥監(jiān)護系統(tǒng)的圖譜分析,該缺陷類型可能為尖端和絕緣類放電的綜合,與開罐的檢查結(jié)果一致。

此外,文獻[21-22]也發(fā)現(xiàn)了上述類型的放電缺陷,放電特征圖譜和放電位置均和所述案例基本一致。這也說明該類型故障不是個例,根本原因是制造工藝控制不良,這需要加強入網(wǎng)設(shè)備驗收以及在運設(shè)備的隱患排查工作。

將1013隔離開關(guān)氣室的缺陷盆式絕緣子更換后,又對該GIS間隔進行了交流耐壓試驗,試驗電壓為184 kV,試驗過程中對該間隔GIS設(shè)備進行了局部放電信號監(jiān)測,未發(fā)現(xiàn)異常信號。在該GIS間隔再次帶電投運后,依舊定期進行局部放電信號跟蹤檢測,但是始終未檢測到異常信號。這表明該氣室放電缺陷已被成功消除。

4 結(jié) 論

上面通過特高頻局部放電檢測技術(shù),成功發(fā)現(xiàn)并定位了一起110 kV GIS盆式絕緣子局部放電缺陷,通過解體檢查和處理,得到如下結(jié)論和建議:

1)基于巡檢發(fā)現(xiàn)的盆式絕緣子處的異常特高頻信號,利用特征圖譜分析、時差定位等手段確定了GIS內(nèi)部存在絕緣類放電,并通過開罐解體檢查驗證了帶電檢測分析的結(jié)論。這證明了帶電檢測可以準確發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部存在局部放電的潛伏性缺陷。

2)盆式絕緣子放電原因為盆式絕緣子與隔離開關(guān)導(dǎo)電桿之間膠合處的裝配工藝不良,使得該部位出現(xiàn)毛刺和氣隙,形成不均勻強電場導(dǎo)致局部放電。建議設(shè)備運維單位對同廠家、同類型、同批次的GIS設(shè)備逐一開展帶電檢測排查,及時發(fā)現(xiàn)類似缺陷隱患,防止事故發(fā)生。

3)GIS的安裝工藝不良會對GIS設(shè)備的運行埋下極大的安全隱患,應(yīng)加強GIS設(shè)備安裝階段的技術(shù)監(jiān)督,尤其是在運維階段容易出現(xiàn)問題的部位或者部件應(yīng)該重點加強驗收和把關(guān)。