110 kV GIS交流耐壓及局部放電試驗和異常信號分析

摘 要：主要對GIS設(shè)備進行現(xiàn)場交流耐壓及局部放電試驗的試驗?zāi)康摹⒃囼灧椒?、試驗注意事項、異常結(jié)果等進行了分析探討。

關(guān)鍵詞：GIS;交流耐壓;老練;局部放電檢測;異常信號分析

0? ? 引言

六氟化硫（SF6）封閉式組合電器，三相共箱結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計，國際上稱作“氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備”，簡稱GIS，它是由斷路器（GCB）、隔離接地開關(guān)（DES）、電壓互感器（VT）、電流互感器（CT）、帶電顯示裝置（VD）、快速接地開關(guān)（FES）、電纜終端（CES）等元件組合成一個整體，并封閉在接地的金屬殼體內(nèi)，殼內(nèi)充以一定壓力的六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)。由于六氟化硫斷路器滅弧性能優(yōu)良，開斷電流大，且GIS設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊（小型化）、占地面積小、安裝方便、防污防霧（封閉式）、運行維護簡單、檢修周期長等優(yōu)點，故而GIS設(shè)備廣泛應(yīng)用于110～500 kV電網(wǎng)中。目前上海電網(wǎng)建設(shè)的110 kV變電站110 kV進出線設(shè)備均使用GIS，初建時設(shè)一、二段母線（圖1），共6間隔（遠景設(shè)一、二、三段母線）。

1? ? GIS現(xiàn)場交流耐壓及局放試驗?zāi)康?/p>

新裝GIS設(shè)備投運前，應(yīng)進行整體交流耐壓及局放試驗，其目的是檢驗GIS設(shè)備在生產(chǎn)、運輸和安裝過程中是否存在元器件損壞、組裝件和緊固件松動移位、導(dǎo)電部位刮傷或安裝錯位引起缺陷以及設(shè)備內(nèi)留有異物的情況。另外，空氣中懸浮的塵粒、導(dǎo)電微粒雜質(zhì)和導(dǎo)體表面毛刺等都將產(chǎn)生局部放電，引發(fā)絕緣事故。GIS設(shè)備交流耐壓及局放試驗是為了檢查完整設(shè)施的絕緣性能且探究以上異常情況，是對出廠絕緣試驗的補充，因此國家及行業(yè)標準都做了相關(guān)規(guī)定。GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗標準》13.0.1規(guī)定GIS的交接試驗項目包括主回路的交流耐壓試驗;13.0.6規(guī)定主回路在1.2Ur/電壓下，應(yīng)進行局部放電檢測。國網(wǎng)（運檢/3）827—2017《國家電網(wǎng)公司變電驗收管理規(guī)定（試行）》第3分冊《組合電器驗收細則》A.4.3也規(guī)定了“對現(xiàn)場GIS設(shè)備局放試驗驗收時進行旁站見證”。

2? ? GIS設(shè)備交流耐壓及局放試驗方法

2.1? ? 試驗儀器、設(shè)備的選擇

由于GIS內(nèi)部導(dǎo)電體對筒殼的空間小，對地電容量較大，若采用常規(guī)工頻耐壓試驗法，則試驗變壓器容量選擇可按以下過程計算：

一般110 kV GIS每間隔電容量（每相對地及其他兩相）為600～700 pF，220 kV GIS每間隔電容量為500～600 pF，則試驗變壓器容量計算式為：

S=kωCxUs2×10-3

式中，S為試驗變壓器容量（kVA）;k為安全系數(shù);ω為角頻率，ω=2πf;Cx為被試品的電容量（μF）;Us為試驗電壓（kV）。

例如：某110 kV GIS間隔電容量為650 pF，試驗電壓為230 kV，k取3，則S=kωCxUs2×10-3=32.4 kVA。經(jīng)計算可知，工頻試驗變壓器容量很大，設(shè)備笨重、體積龐大，不利于現(xiàn)場搬運;且試驗過程中若產(chǎn)生閃絡(luò)或擊穿，GIS裝置很可能因短路電流受到傷害，所以一般現(xiàn)場較少采用本試驗方法。

目前采用較多的是變頻串聯(lián)諧振試驗方法，變頻串聯(lián)諧振裝置是指通過調(diào)整電源頻率，使串聯(lián)電感與電容（試品電容、分壓器電容）達到諧振狀態(tài)（ωL=的試驗裝置，設(shè)備容量計算如下：

（1）諧振頻率（單位：Hz）：

f=×103

（2）調(diào)諧電抗器電流（單位：A）：

IL=IC=ωCxUs×10-3

（3）勵磁變壓器容量（單位：VA）：

S=ICUN

（4）變頻電源容量（單位：VA）：

三相S=UI

這種裝置體積小，重量輕，搬運方便，利用額定電壓較低的試驗變壓器可以得到較高的輸出電壓，用較小容量的試驗設(shè)備可對15～150倍容量的試品進行交流耐壓試驗。根據(jù)IEC 517和GB 7674規(guī)定，試驗電壓頻率在10～300 Hz變頻耐壓試驗與工頻耐壓試驗基本等效，因此變頻串聯(lián)諧振試驗方法得到了廣泛認同。串聯(lián)諧振試驗過程安全可靠，被試品擊穿時，諧振條件被破壞（ωL≠），高壓自動下降，特別適合GIS交流耐壓試驗。

2.2? ? 放電信號檢測

GIS局部放電檢測方法常用非電量測量法：聲測法（超聲波）;電量測量法：電脈沖法、超（特）高頻電磁波法。目前聲測法和超（特）高頻法為主要檢測方法。

2.3? ? 試驗方法

（1）風險因素辨識與預(yù)控措施如表1所示。

（2）選擇合適的變頻電源、高壓諧振電抗器、勵磁變壓器、交流分壓器、擴徑金屬軟管、采樣信號線、超聲波超高頻局放儀、安全工器具、放電棒、接地線、萬用表、溫（濕）度計、秒表等，并檢查相關(guān)儀器儀表及安全工器具、開關(guān)箱的檢定有效期。

（3）試驗程序：

1）斷開高壓電纜、電壓互感器、電力變壓器高壓引出線與GIS的連接，并保持足夠的安全距離。

2）試驗回路中的TA二次繞組短接接地，密度繼電器表塊閥門必須開啟。

3）對于新安裝的GIS，抽真空充入合格的SF6氣體至額定壓力，充氣12 h后進行氣體檢漏，充氣24 h后進行微水測試，經(jīng)氣體檢漏、微水、斷路器動特性、回路電阻及絕緣測試合格后方可進行交流耐壓試驗。

4）檢查試驗設(shè)備接線，交流耐壓前先進行老練試驗，GIS設(shè)備三相須分相進行，一相試驗，非試驗相和外殼一起接地。

5）老練試驗、耐壓試驗施加電壓和時間：依據(jù)GB 50150—2016《電氣裝置安裝工程 電氣設(shè)備交接試驗標準》要求參照DL/T 555—2004《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場耐壓及絕緣試驗導(dǎo)則》執(zhí)行，DL/T 555—2004一共給出4個試驗方案，我們選擇方案3，同時根據(jù)DL/T 617—2010《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備技術(shù)條件》，結(jié)合GIS耐壓試驗測量其局部放電量，加壓流程為：Um/停留5 min→Um停留3 min→Uf停留1 min→1.2Ur/大于1 min，110 kV系統(tǒng)Um為系統(tǒng)最高線電壓126 kV，Uf為試驗電壓230 kV，Ur為GIS的額定電壓126 kV。國網(wǎng)（運檢/3）827—2017《國家電網(wǎng)公司變電驗收管理規(guī)定（試行）》第3分冊《組合電器驗收細則》A.4.1規(guī)定：對現(xiàn)場GIS設(shè)備耐壓試驗進行旁站見證，Uf按出廠試驗電壓的100%。必須從零開始勻速升壓，速率為3～4 kV/s，升壓切不可沖擊合閘。加壓過程中電壓與時間的關(guān)系如圖2所示。

6）檢測局部放電量時，主回路施加電壓至預(yù)加值Uf并保持1 min，在此期間出現(xiàn)的局部放電量不應(yīng)考慮，應(yīng)在1.2Ur/電壓下進行局部放電量測量。

7）主回路老練和耐壓試驗結(jié)束，恢復(fù)VT連接后，應(yīng)進行電壓為Um/、時間為5 min的老練試驗。

8）試驗結(jié)束，使被試品充分放電并復(fù)測主回路絕緣電阻，將設(shè)備恢復(fù)至耐壓前的狀態(tài)，拆除試驗遮攔。

9）圖2所示的加壓過程符合GB/T 7354—2018《高電壓試驗技術(shù) 局部放電測量》的傳統(tǒng)局放探測方法。采用超（特）高頻方法時，應(yīng)結(jié)合老練試驗分級加壓過程實施局放探測。

3? ? 試驗注意事項

（1）試驗電源必須滿足試驗要求，電壓保持穩(wěn)定，試驗過程中不得使用如真空泵、SF6回收裝置、電焊機、濾油機等大功率用電設(shè)備。

（2）為減少電暈損失，提高串聯(lián)諧振系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)Q值，高壓引線應(yīng)采用擴徑金屬軟管。

（3）耐壓試驗中應(yīng)密切注視GIS設(shè)備的帶電狀態(tài)及儀表指示變化情況，若耐壓過程中出現(xiàn)擊穿、閃絡(luò)或升壓過程中發(fā)生異常，立即降低試驗電壓，切斷試驗電源，用接地棒對被試品充分放電，分析處理后重新進行。

（4）天氣情況對Q值影響很大，陰天或濕度較大的天氣試驗時易發(fā)生電暈，造成Q下降，試驗最好選擇在晴好干燥天氣進行。

（5）遇有放電情況判斷：1）可進行重復(fù)試驗，如果被試品或氣室還能經(jīng)受，可推斷為表面臟污和表面缺陷引起氣體擊穿放電，該類放電稱為自恢復(fù)放電，認為耐壓試驗通過。2）如重復(fù)試驗再次失敗，應(yīng)進行設(shè)備解體檢查處理，再次進行規(guī)定的耐壓試驗，直至通過耐壓試驗，該類放電稱為非自恢復(fù)放電。

4? ? 現(xiàn)場耐壓試驗遇有放電異常信號分析

GIS局部放電發(fā)生過程中，會向外界發(fā)散出電磁波，其波頭非常短，頻率從幾千赫到幾千兆赫都有分布。超高頻放電信號頻譜一般為500～2 000 MHz，因此可以利用超高頻傳感器接收局部放電發(fā)出的超高頻信號進行檢測（圖3）。

4.1? ? GIS典型放電波形、圖譜

局部放電類型是判斷GIS絕緣缺陷程度的重要依據(jù)，表2展示了通過實驗室得到的五種典型放電波形、圖譜特征等。

4.2? ? 現(xiàn)場試驗案例

國網(wǎng)上海嘉定供電公司110 kV民悅站交接試驗過程中，GIS進行老練及交流耐壓時采用XD5352局放檢測儀測試。110 kV GIS二段主回路B、C相耐壓及局放試驗合格。在A相耐壓及局放試驗時，加壓至72.7 kV測量局放量，此時發(fā)現(xiàn)異常信號兩處，具體現(xiàn)象如下：

4.2.1? ? 盆式絕緣子沿面放電

110 kV GIS二段主回路A相耐壓及局放試驗，測試時加壓72.7 kV，試驗頻率151 Hz。進線2（圖1）母線筒盆式絕緣子有局放信號，如圖4所示。

從放電波形來看，該波形幅值分散性較大，放電時間間隔不穩(wěn)定，時有時無，根據(jù)典型放電波形判別為盆式絕緣子表面大件金屬顆粒放電。解體后檢查，如圖5所示，GIS盆式絕緣子表面有一鐵屑片，去除鐵屑并作清潔處理，重新注氣靜置后試驗，未檢測到異常信號。

4.2.2? ? 松動部件放電

110 kV GIS二段主回路A相耐壓及局放試驗，測試時加壓72.7 kV，試驗頻率151 Hz。進線4（圖1）電纜筒內(nèi)盆式絕緣子處有局放信號，如圖6所示。

從波形分析，該放電幅值穩(wěn)定，且相鄰時間間隔一致，根據(jù)典型放電波形判別為內(nèi)部部件松動放電。解體后檢查，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電棒與盆式絕緣子上的安裝件相接處有松動，如圖7所示。緊固后重新注氣靜置，再進行試驗，未檢測到異常信號。

4.3? ? 局放異常信號分析小結(jié)

根據(jù)檢測到的放電波形、圖譜特征判斷檢測信號是否具備典型放電波形、圖譜特征，或與背景有明顯不同。若具備上述情況，則進行以下分析和處理：排除外界環(huán)境干擾，將傳感器放置于絕緣盆上檢測信號與在空氣中檢測信號進行比較（對于無金屬屏蔽的絕緣子應(yīng)沿絕緣子外側(cè)加裝屏蔽帶或采取屏蔽措施，防止設(shè)備內(nèi)部信號從盆式絕緣子傳出被空氣中傳感器接收到造成誤判）。若信號一致且幅值較小，則判斷為外部干擾;若信號不一樣或幅值變大，則需結(jié)合超聲波、超高頻檢測做進一步精準定位。現(xiàn)場試驗過程中，GIS主回路的耐壓試驗通過規(guī)定的試驗電壓，且局放檢測過程中未檢測到異常信號，才算整個GIS通過交流耐壓試驗。

5? ? 結(jié)語

GIS設(shè)備的耐壓及局放試驗?zāi)芗皶r有效地發(fā)現(xiàn)其因生產(chǎn)、運輸、安裝等方面的問題造成的缺陷，是防范電力設(shè)備事故、保證電力系統(tǒng)安全運行的有效手段，是保證其安全投產(chǎn)不可缺少的一個重要環(huán)節(jié)。由于各個廠家GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)上的區(qū)別，在進行試驗時若發(fā)生放電，檢測到的現(xiàn)象、波形也不盡相同，給分析判斷增加了難度。GIS交流耐壓及局放試驗可能因設(shè)備的任何一個內(nèi)部缺陷而終止，正確判斷放電產(chǎn)生的原因，精準進行定位，并采取科學的處理方案是關(guān)鍵，這就要求試驗人員不僅要具備一定的理論基礎(chǔ)與豐富的實踐經(jīng)驗，還要具有高度的責任心、上進心以及刻苦專研、敢于探索的精神。古人云：“不積跬步，無以至千里;不積小流，無以成江海?！敝挥性谠囼炦^程中不斷積累，不斷總結(jié)，不斷創(chuàng)新，輔之以精密的試驗儀器和科學的試驗方法，才能客觀判斷設(shè)備的絕緣性能，為電網(wǎng)安全運行提供堅強的后盾。

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收稿日期：2020-04-14

作者簡介：李峰（1972—），男，湖北荊州人，工程師，從事輸變電工程和電力設(shè)備安裝、調(diào)試、檢修、運維等工作。