220 kV GIS 避雷器內(nèi)部放電診斷分析

郭加媛，李承振，張曉翠

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250118）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）因其具有運(yùn)行可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省土地資源、配置安裝靈活方便、運(yùn)維工作量少、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在高壓輸變電領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［1］。GIS 設(shè)備對生產(chǎn)制造工藝、元器件質(zhì)量、安裝環(huán)境等都有較高的要求，若發(fā)生GIS 內(nèi)部遺留金屬微粒、導(dǎo)體或殼體上有尖端、絕緣件存在氣隙裂紋等情況，均會造成GIS 內(nèi)部發(fā)生局部放電現(xiàn)象。在GIS 內(nèi)部發(fā)生局部放電的初期，因缺陷較輕微，放電能量較小，常規(guī)GIS 出廠試驗(yàn)以及交接耐壓試驗(yàn)無法有效發(fā)現(xiàn)，但在長期運(yùn)行過程中，每一次輕微的局部放電都會對絕緣介質(zhì)造成破壞，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度快速下降。當(dāng)GIS 內(nèi)部絕緣件局部電場強(qiáng)度達(dá)到其擊穿場強(qiáng)時，就會發(fā)生劇烈的放電現(xiàn)象，并最終發(fā)生GIS 絕緣擊穿事故［2-4］。因此，利用帶電檢測手段對GIS 設(shè)備開展局部放電檢測對發(fā)現(xiàn)GIS 絕緣缺陷、保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

特高頻檢測法是通過接收局部放電信號源發(fā)出的300～3 000 MHz 電磁波信號進(jìn)行缺陷判斷和故障定位的一種有效方法，常用于GIS 內(nèi)部異常局放源的檢測和定位［5］。高頻局部放電檢測方法的檢測頻率為3～30 MHz，被廣泛應(yīng)用于電力電纜及其附件、變壓器、電抗器等電力設(shè)備的局部放電檢測［6-8］。在實(shí)際的GIS 內(nèi)部放電診斷中，單一檢測分析方法包含的故障信息有限，單靠某一種檢測手段往往很難對某些局部故障和缺陷進(jìn)行有效的狀態(tài)評估和精確定位［9-10］。因此，在GIS 避雷器內(nèi)部放電診斷中，應(yīng)結(jié)合高頻局部放電檢測方法、特高頻檢測和超聲波檢測等多種有效的檢測方法和手段，將檢測結(jié)果進(jìn)行相互補(bǔ)充、驗(yàn)證，對GIS 避雷器內(nèi)部放電進(jìn)行綜合分析判斷。

結(jié)合一起GIS 避雷器內(nèi)部放電故障實(shí)例的診斷分析，提出一種基于高頻／特高頻聯(lián)合定位的內(nèi)部放電源定位方法，并對檢測方法的原理和現(xiàn)場應(yīng)用進(jìn)行描述，結(jié)合初測、復(fù)測和返廠解體驗(yàn)證結(jié)果，證明了該方法的有效性，為GIS 設(shè)備狀態(tài)檢修提供可靠參考。

1 GIS 避雷器異常狀況

如圖1 所示，某500 kV 變電站220 kV 出線GIS避雷器A 相氣室（編號4）出現(xiàn)特高頻異常信號。檢測人員使用特高頻局部放電測試儀PDS-T90，在高帶寬模式下檢測時，發(fā)現(xiàn)該GIS 避雷器盆式絕緣子能夠檢測到異常特高頻信號，放電幅值較大，也較分散，但放電相位較穩(wěn)定，有別于B、C 兩相以及背景信號。

圖1 GIS 避雷器實(shí)際位置

2 現(xiàn)場檢測與分析

2.1 現(xiàn)場檢測

2.1.1 特高頻局放檢測

采用示波器對異常信號進(jìn)行精確檢測，特高頻傳感器放置于圖1 中的1—7 號位置處均能檢測到異常特高頻信號，其中在4 號位置檢測到的特高頻信號幅值最大，低通濾波后，示波器顯示其峰—峰值約2 V。如圖2 所示，從特高頻圖像特征上分析，該信號放電次數(shù)少，周期重復(fù)性低，放電幅值也較分散，但放電相位較穩(wěn)定，與普測圖譜相符，判斷為異常放電信號，需要進(jìn)一步定位。

2.1.2 排除外部干擾

利用時差法排除外部干擾信號，將一個特高頻傳感器置于GIS 避雷器盆式絕緣子處（圖1 中編號4），另一個特高頻傳感器以該傳感器為中心做圓周運(yùn)動。檢測圖譜如圖3 所示。由圖3 可知，空氣中無對應(yīng)信號出現(xiàn)，判斷異常信號來自GIS 內(nèi)部。

圖2 示波器特高頻檢測圖譜

圖3 排除外部干擾

2.1.3 特高頻法局放源定位

為確定異常信號位置，利用時間領(lǐng)先法，將一個特高頻傳感器置于GIS 避雷器A 相盆式絕緣子處固定不動，另一個特高頻傳感器分別放置到圖1 中編號1、2、3、5、6、7 位置處，通過比較信號到達(dá)兩個傳感器時間，發(fā)現(xiàn)位置4 檢測到的特高頻信號始終超前于其他位置檢測到的特高頻信號，如圖4 所示。由此可以判斷局放信號源來自位置4，即GIS 避雷器內(nèi)部。

2.1.4 檢測結(jié)果分析

特高頻法局放源定位可將放電源定位到GIS 避雷器內(nèi)部，但無法進(jìn)一步判斷放電源具體位置。從特高頻檢測圖譜可知，異常信號放電次數(shù)少，周期重復(fù)性低，放電幅值也較分散，但放電相位較穩(wěn)定，有別于其他兩相和背景信號，符合絕緣類缺陷放電特征。另外，由于放電幅值較高，危害較大，需盡快確定放電源位置，以便進(jìn)一步處理。

圖4 位置4 檢測到的特高頻信號始終超前

2.2 高頻／特高頻聯(lián)合定位

高頻／特高頻聯(lián)合定位法是以檢測到的高頻電流信號為觸發(fā)信號，并測得同時刻的特高頻信號，利用特高頻信號到達(dá)檢測傳感器的時間差進(jìn)行計算定位。

時差定位原理如圖5 所示。B1、B2為特高頻傳感器，分別放置在GIS 兩端盆式絕緣子處，GIS 設(shè)備長度為L，放電源距離B1特高頻傳感器距離為x，t1、t2為放電源發(fā)出的特高頻信號到達(dá)B1、B2傳感器的時間，Δt 為兩傳感器接收信號時差。則Δt=t2-t1＝（L-x）／c-x／c，解得x=1／2（L-cΔt）。式中c 為電磁波傳播速度，取3×108m／s。

圖5 時差定位原理

為進(jìn)一步精確定位，將特高頻傳感器1 放置于GIS 避雷器盆式絕緣子處，特高頻傳感器2 放置到該避雷器下部動作計數(shù)器引出線處，該引出線從GIS 內(nèi)部引出，可傳出特高頻信號。在該避雷器下部動作計數(shù)器引出線上放置高頻電流檢測傳感器，測得高頻電流頻率為53.19 MHz，傳感器具體布置及聯(lián)合定位波形如圖6 所示。以高頻信號為觸發(fā)源，利用時差計算法定位，通過檢測局放信號到達(dá)兩個傳感器的時間，發(fā)現(xiàn)特高頻傳感器2 采集到的特高頻信號始終領(lǐng)先特高頻傳感器1，且領(lǐng)先時間為2.1 ns，兩傳感器間的距離約1.5 m，由此可大體計算出信號源位置在距離避雷器底部約0.43 m 處。

2.3 解體情況

為進(jìn)一步查明原因，對故障GIS 避雷器返廠進(jìn)行局放試驗(yàn)和解體。在GIS 避雷器局放試驗(yàn)中，視在放電量超標(biāo)，達(dá)到62 pC，解體后在避雷器內(nèi)部固體絕緣墊塊上發(fā)現(xiàn)放電痕跡，如圖7 所示。由于絕緣放電發(fā)展的隨機(jī)性和不確定性，在長期運(yùn)行或者過電壓過程中，極易造成GIS 避雷器閃絡(luò)擊穿等絕緣故障。

圖6 傳感器具體布置及聯(lián)合定位波形

圖7 GIS 避雷器解體

3 故障原因分析

結(jié)合現(xiàn)場帶電檢測、放電源定位、返廠局部放電試驗(yàn)和解體檢查情況，判定該GIS 避雷器內(nèi)部固體絕緣墊塊存在絕緣缺陷，缺陷部位與現(xiàn)場帶電檢測分析位置相符。避雷器制造廠家應(yīng)加強(qiáng)避雷器閥塊、絕緣墊塊等質(zhì)量控制，加大進(jìn)廠抽查比例并逐個進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，滿足相關(guān)要求后再行使用。

4 結(jié)語

通過特高頻局放檢測、高頻／特高頻聯(lián)合定位等檢測方法，準(zhǔn)確判斷一起GIS 避雷器內(nèi)部絕緣類放電缺陷，并對缺陷位置進(jìn)行了精確定位，解體檢查后驗(yàn)證了檢測結(jié)果。

采用的特高頻法、高頻／特高頻聯(lián)合檢測法對GIS 避雷器是一種行之有效的局放檢測手段。通過此方法成功診斷了一起GIS 避雷器內(nèi)部絕緣類放電故障，保障了電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。