特高壓變電站1 000 kV GIS局部放電問題分析

王江偉，張丕沛，李 杰，汪 鵬，田春曉

（1.山東電力研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Metal Enclosed Switchgear，GIS）具有占地面積小、安全可靠、檢修維護(hù)工作量小的優(yōu)點［1］，GIS 設(shè)備將各組成元件封閉組合，受外界環(huán)境影響小，并且噪聲小、電磁干擾弱，后期維護(hù)工作少，因為設(shè)備集成度高，大大降低了設(shè)備的固有安裝距離，由于上述優(yōu)點，符合當(dāng)前對占地面積、環(huán)保、運維檢修等方面的要求，因此廣泛應(yīng)用于多種電壓等級的變電站中。

隨著GIS 裝用量、電壓等級、系統(tǒng)容量的不斷增加，近幾年連續(xù)發(fā)生多起包括特高壓在內(nèi)的GIS 內(nèi)部放電故障［2］，造成了不同程度的經(jīng)濟損失，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成隱患［3］。統(tǒng)計近幾年變電設(shè)備故障情況，330 kV 及以上GIS 設(shè)備故障跳閘情況占比近41%，是引起故障跳閘的主要設(shè)備，故障率為0.18 次（/百間隔·年），故障原因包括異物放電、裝配安裝工藝不良、組部件缺陷等原因，GIS 設(shè)備的運行穩(wěn)定性亟須提高［4］。

提升GIS 設(shè)備的運行穩(wěn)定性一方面需要提高廠內(nèi)生產(chǎn)組裝、現(xiàn)場安裝的工藝水平，另一方面需要提高檢測預(yù)警能力，及時消除設(shè)備缺陷。因為GIS 為全封閉設(shè)備，無法直接觀察內(nèi)部情況，如何檢測內(nèi)部運行情況、絕緣狀態(tài)等一直是GIS運行維護(hù)的重點工作之一［5］。局部放電檢測是發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，防止發(fā)生放電故障的有效手段，經(jīng)過多年的推廣應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了大量GIS 內(nèi)部缺陷，消除了大量安全隱患。近幾年隨著特高壓變電站的持續(xù)投運，檢測發(fā)現(xiàn)了多起局部放電問題，總結(jié)發(fā)現(xiàn)特高壓GIS局部放電在傳播特性和分析診斷上與其他電壓等級存在一定區(qū)別。特高壓GIS因為電壓等級高，運行機理存在一定區(qū)別。絕緣裕度相比低電壓等級設(shè)備有所降低，使得局部放電信號的向外傳播情況有所不同。對于斷路器、隔離開關(guān)等部位，徑向與軸向比例增大，在局部放電定位過程中按照傳統(tǒng)辦法簡化為一維傳播模型會帶來較大計算誤差。這些變化為特高壓GIS局部放電檢測帶來一定障礙，影響了對局部放電的有效檢測和判斷，導(dǎo)致沒有充分發(fā)揮出局部放電檢測的故障預(yù)警作用［6］。因此需要進(jìn)一步研究特高壓GIS局部放電的傳播特性，針對典型局部放電案例進(jìn)行充分檢測分析，對GIS設(shè)備進(jìn)行解體尋找局部放電源頭，提高局部放電檢測水平。

介紹一起特高壓GIS 局部放電問題，綜合在線監(jiān)測和帶電檢測結(jié)果，判斷GIS內(nèi)部存在局部放電，通過現(xiàn)場檢查、解體檢查、試驗驗證確認(rèn)了局部放電原因，該原因?qū)е绿馗邏篏IS發(fā)生局部放電為首次確認(rèn)和處理，為特高壓GIS局放檢測和設(shè)計提供了指導(dǎo)。

1 局部放電概況

某特高壓變電站1 000 kV GIS 隔離開關(guān)氣室特高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)發(fā)出報警信號，多次進(jìn)行帶電檢測均檢測到內(nèi)部局部放電信號，經(jīng)過分析確認(rèn)內(nèi)部存在絕緣類局部放電，對該隔離開關(guān)進(jìn)行整體更換，并對原隔離開關(guān)進(jìn)行解體檢查和試驗研究，以查找局部放電原因。

1.1 在線監(jiān)測情況

2018 年12 月，該隔離開關(guān)臨近氣室特高頻在線監(jiān)測裝置首次出現(xiàn)局放告警，PRPS、PRPD 圖譜如圖1所示。自2018年12月至2019年2月，局放脈沖出現(xiàn)頻次較低，每天平均約50 次，自2019 年3 月至2020年1 月，信號頻發(fā)，每天平均約1 600～8 000 次，自2020 年2 月以來信號較前期頻次明顯降低，每天平均約200 次，變化趨勢如圖2 所示。停電前在線監(jiān)測圖譜如圖3所示。

圖1 該隔離開關(guān)首次告警在線監(jiān)測圖譜

圖2 該隔離開關(guān)每天平均局部放電事件數(shù)

圖3 該隔離開關(guān)停電前在線監(jiān)測信號圖譜

1.2 帶電檢測情況

2018年12月，對該氣室進(jìn)行局放檢測，確認(rèn)異常信號來自設(shè)備內(nèi)部，放電相位較穩(wěn)定，極性效應(yīng)明顯，幅值具有一定的分散性，判斷為絕緣缺陷放電［7］。

開展特高頻局放信號定位［8］，特高頻傳感器位置如圖4 所示，特高頻局放信號波形如圖5 所示。傳感器2 信號領(lǐng)先傳感器3 信號7 ns，與傳感器2、3 間距（2.1 m）吻合；傳感器2 信號領(lǐng)先傳感器1 信號5 ns，傳感器1、2 間距2.6 m，判斷局放源位于傳感器2處盆式絕緣子左側(cè)、且離盆式絕緣子距離約0.55 m，位于隔離開關(guān)下部靜觸頭附近。該氣室結(jié)構(gòu)如圖6所示，靜觸頭附件有合閘電阻、絕緣支撐桿、絕緣支撐筒及盆式絕緣子，懷疑為放電部件。

圖4 特高頻檢測傳感器位置

圖5 特高頻局放信號波形

圖6 隔離開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

確定異常信號后，采取每月定期跟蹤復(fù)測的策略，發(fā)現(xiàn)至2020年1月份局放信號穩(wěn)定存在，從2020年2 月開始，局放信號頻次降低，且開始出現(xiàn)間歇性特點。綜合在線監(jiān)測和帶電檢測歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合局放圖譜特征和定位結(jié)果，分析認(rèn)為該氣室內(nèi)部存在絕緣類局部放電，需要進(jìn)行停電處理。

2 現(xiàn)場開蓋檢查情況

2.1 隔離開關(guān)氣室檢查情況

打開隔離開關(guān)手孔蓋，如圖7 所示，對隔離開關(guān)底部絕緣支撐筒進(jìn)行檢查，未見明顯異常，隔離開關(guān)底部其他位置未見異常，如圖8所示。

圖7 手孔蓋位置

圖8 隔離開關(guān)底部

2.2 相鄰氣室檢查情況

打開隔離開關(guān)電流互感器側(cè)氣室及母線側(cè)氣室的手孔蓋，檢查兩側(cè)盆式絕緣子，檢查位置如圖9 所示，未見明顯異常，如圖10、圖11所示。

圖9 相鄰氣室檢查位置

圖10 電流互感器側(cè)盆式絕緣子

圖11 母線側(cè)盆式絕緣

3 返廠解體檢查情況

對該氣室進(jìn)行返廠解體檢查，進(jìn)行整體局放試驗、解體檢查、絕緣件探傷和局部放電試驗。

3.1 整體局放試驗

局部放電試驗在762 kV 下保持1 h，利用特高頻法、超聲波法、脈沖電流法檢測隔離開關(guān)內(nèi)部局部放電信號，通過開發(fā)局部放電特高頻原始波形數(shù)據(jù)采集裝置，實現(xiàn)對間歇性微弱信號的準(zhǔn)確捕捉。

特高頻法共捕捉到3 次氣室內(nèi)部的脈沖信號，說明隔離開關(guān)內(nèi)部仍存在偶發(fā)性的局部放電缺陷［9-10］，放電位置位于靜觸頭附近，特高頻信號波形如圖12—圖14 所示，特高頻傳感器布置如圖15 所示，超聲波法和脈沖電流法未見明顯異常，檢測結(jié)果分別如圖16—圖18所示。

圖12 特高頻局部放電信號波形1

圖13 特高頻局部放電信號波形2

圖14 特高頻局部放電信號波形3

圖15 特高頻傳感器布置

圖16 超聲波測試結(jié)果

圖17 脈沖電流法背景值

圖18 脈沖電流法測試結(jié)果

3.2 解體檢查

合閘電阻絕緣支撐桿。拆解合閘電阻，發(fā)現(xiàn)在合閘電阻絕緣支撐桿中部與均壓環(huán)連接部位有多處異常發(fā)黑痕跡［11］，如圖19 和圖20 所示，位置與前期運行階段特高頻定位結(jié)果符合，初步判斷為異常局部放電信號來源。同時發(fā)現(xiàn)，合閘電阻外側(cè)絕緣護(hù)套為非緊固狀態(tài)。

圖19 拆解合閘電阻

圖20 絕緣桿多處異常痕跡

其他部位檢查。檢查兩側(cè)盆式絕緣子、兩側(cè)絕緣支撐筒、絕緣拉桿、動靜觸頭、屏蔽罩、絕緣盆導(dǎo)體插接處，未見明顯異常。依次檢查隔離開關(guān)絕緣支撐筒底腳螺栓力矩，力矩值均符合180 N要求。

3.3 絕緣件試驗

對兩個盆式絕緣子、絕緣支撐筒進(jìn)行局部放電試驗和X 光檢測，局部放電量均為1.5 pC 以下，未發(fā)現(xiàn)絕緣件內(nèi)部缺陷，試驗結(jié)果如圖21—圖24所示。

圖21 盆式絕緣子局部放電試驗

圖22 絕緣支撐筒局部放電試驗

圖23 盆式絕緣子X光檢測

圖24 絕緣支撐筒X光檢測

4 試驗驗證

4.1 合閘電阻絕緣支撐桿取樣試驗

對合閘電阻的絕緣支撐桿異常發(fā)黑處取3 段樣本，取樣位置如圖25所示，其中2號為異常發(fā)黑位置，4號為人為磨損位置，5號為正常位置，采用掃描電鏡進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果如表1所示，3處測試結(jié)果具體如圖26—圖28 所示。正常絕緣桿僅存在C、O、F 和Al 4種元素［12］；與人為摩擦位置相比，異常發(fā)黑位置出現(xiàn)了硫元素，且Ag元素含量較低（均壓環(huán)為鍍銀件）。初步判斷2號位置存在長時間低能量的局部放電。

圖28 人為摩擦位置（4號）

表1 3處取樣位置元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

圖25 絕緣支撐桿取樣位置

圖26 正常位置（5號）

4.2 模擬局部放電試驗

為進(jìn)一步確定局部放電產(chǎn)生原因，使用絕緣繩將合閘電阻外護(hù)套拉彎，如圖29 所示，使得合閘電阻均壓環(huán)偏離中心位置。

圖29 拉彎合閘電阻外護(hù)套

圖27 異常發(fā)黑位置（2號）

在762 kV 電壓下進(jìn)行局部放電試驗，使用特高頻法檢測到氣室內(nèi)部局部放電信號，如圖30 所示。相比于未拉彎合閘電阻外護(hù)套時進(jìn)行的局部放電試驗，此次檢測到的特高頻信號幅值增大，且信號頻次更高，說明合閘電阻均壓環(huán)的偏心明顯加強了氣室內(nèi)部局部放電。

圖30 特高頻局部放電信號波形

5 原因分析

現(xiàn)場局部放電檢測定位于隔離開關(guān)下部靜觸頭附近，廠內(nèi)整體局部放電試驗檢測到內(nèi)部信號，且定位位置與現(xiàn)場檢測一致。證明隔離開關(guān)內(nèi)部存在偶發(fā)性的局部放電缺陷。

合閘電阻絕緣支撐桿表面存在異常發(fā)黑痕跡，成分分析結(jié)果顯示，異常發(fā)黑處不是由于均壓環(huán)磨損產(chǎn)生的，且存在硫元素，說明異常發(fā)黑位置為放電所致。

解體過程中發(fā)現(xiàn)，合閘電阻及其均壓環(huán)、外護(hù)套均設(shè)計為非緊固狀態(tài)，在運行過程中受負(fù)荷電流或其他因素影響可能發(fā)生振動，均壓環(huán)偏離中心位置，與合閘電阻絕緣支撐桿間距縮短，在該種情況下進(jìn)行的局部放電試驗檢測到的特高頻信號的幅值和頻次明顯變大。

綜上所述，判斷異常原因為安裝過程中合閘電阻的均壓環(huán)與絕緣支撐桿存在摩擦或磕碰，使均壓環(huán)表面金屬物質(zhì)殘留到絕緣支撐桿表面，與均壓環(huán)之間形成懸浮電位，產(chǎn)生局部放電?，F(xiàn)場定位結(jié)果位于隔離開關(guān)靜觸頭附近，與合閘電阻絕緣支撐桿所在位置相符合，且均壓環(huán)偏心后局部放電更加明顯，進(jìn)一步說明局部放電信號由合閘電阻絕緣支撐桿表面金屬殘留物與均壓環(huán)間放電產(chǎn)生。

6 結(jié)語

介紹一起特高壓GIS 局部放電問題處理過程，涵蓋局部放電檢測和判斷、解體檢查、試驗驗證、原因分析全部環(huán)節(jié)，確認(rèn)局部放電信號由合閘電阻絕緣支撐桿表面金屬殘留物與均壓環(huán)間放電產(chǎn)生，該原因?qū)е绿馗邏篏IS 發(fā)生局部放電為首次確認(rèn)和處理。

該問題的處理對完善特高壓GIS 局部放電檢測方法，指導(dǎo)現(xiàn)場帶電檢測和完善GIS 設(shè)計具有重要意義。特高壓GIS 電壓等級高、振動幅度大，相比于低電壓等級設(shè)備，誘發(fā)局部放電的因素更多。為提高特高壓GIS的安全穩(wěn)定運行水平，在GIS設(shè)計方面，需要完善結(jié)構(gòu)設(shè)計，加強場強控制，優(yōu)化場強分布，除絕緣設(shè)計外，需要重視機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，對非固定部件進(jìn)行充分理論論證和試驗驗證，充分考慮特高壓GIS運行條件下振動大的特點，防止非固定部件因為振動摩擦等原因產(chǎn)生局部放電。在局部放電檢測方面，重視特高壓GIS局部放電檢測工作，對局部放電問題進(jìn)行充分檢測分析，及時消除設(shè)備缺陷，通過解體檢查和試驗檢測確認(rèn)局部放電源頭，在檢測過程中充分考慮特高壓GIS 特點，結(jié)合內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行綜合診斷，并且注重不同檢測手段的聯(lián)合分析。