基于聲光聯(lián)合法發(fā)現(xiàn)的GIS內部絕緣子裂紋引起的局部放電缺陷

劉釗，李曉溪，弓艷朋，田小龍，劉小琰

(1.河北省電力有限公司保定供電分公司，河北 保定 071000；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192)

氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear，GIS)將一次設備元件直接連接在一起，并全部封閉在接地的金屬外殼內，殼內充以一定壓力的SF6氣體作為絕緣和滅弧介質[1]。GIS設備內部出現(xiàn)的局部放電(以下簡稱“局放”)，多體現(xiàn)為懸浮電位放電、尖端放電、自由顆粒放電、空穴放電、絕緣物沿面放電等潛在缺陷，這種放電僅僅是絕緣局部短接而不形成導電通道，放電能量小，會使微量SF6分解。GIS內部局放通常是由于設備受潮、制造工藝差、運輸維護不當、安裝工藝不良造成的。雖然設備耐壓試驗合格，能正常運行，但長期存在的局放使SF6分解產物不斷積累，SF6氣體擊穿電壓降低，極易發(fā)生貫穿性對地放電故障。目前，檢測GIS內是否存在局放的方法主要有特高頻局放檢測技術、超聲波局放檢測技術和SF6分解物測試技術等[2-3]。特高頻、超聲波局放檢測對于初期的局放缺陷較為靈敏，而SF6分解物檢測只能發(fā)現(xiàn)較為嚴重的局放缺陷[4]。

特高頻局放檢測技術通過檢測設備內局放時的電流脈沖激勵產生的高頻率電磁波信號來實現(xiàn)局放檢測。特高頻法檢測頻段為300～3 000 MHz，由于現(xiàn)場的電暈干擾主要集中在300 MHz頻段以下，因此特高頻法能有效地避開現(xiàn)場的電暈等干擾，具有檢測靈敏度高、抗低頻電暈干擾能力強、便于局放源定位、便于絕緣缺陷類型識別等優(yōu)點[5-6]。由于檢測頻帶寬，檢測現(xiàn)場易受手機、雷達、電機等電磁信號的干擾，另外由于筒式全封閉金屬結構對特高頻電磁波的屏蔽，需要在法蘭的盆式絕緣子留置測試孔或內、外置傳感器，開展特高頻檢測易受設備結構影響。目前，220 kV及以上電壓等級GIS出廠安裝已被要求內置特高頻傳感器[7-9]。

超聲波局放檢測技術通過采集、處理和分析電力設備發(fā)生局放時產生的超聲波信號來獲取設備運行狀態(tài)，其檢測頻段一般為20～200 kHz[10-11]。超聲波局放檢測具有抗電磁干擾能力強、便于放電定位、適應范圍廣等優(yōu)點，存在對于絕緣子內部缺陷不敏感、受機械振動干擾較大、放電類型難識別等缺點，且超聲波信號在GIS內衰減較快[12-13]。

在GIS帶電測試工作中，往往通過特高頻法、超聲波聯(lián)合檢測分析，以相互印證判斷放電類型、放電源定位，輔以SF6分解物檢測技術。另外現(xiàn)在更多地將X射線檢測技術應用于GIS帶電測試中，實現(xiàn)可視化檢測[14-15]。

1 缺陷簡述

2022年8月14日，檢測人員在對某220 kV變電站組合電器進行例行超聲波、特高頻局放帶電檢測時，發(fā)現(xiàn)110 kV I號母線組合電器145-1 C相隔離開關附近母線筒內中下方存在較明顯局放信號，特高頻局放檢測未見明顯異常。該站110 kV GIS型號為ZF7A-126，生產日期2007年11月，投運時間2007年11月25日。

該變電站110 kV電壓等級設備運行方式為I號、II號母線并列運行。110 kV 145間隔GIS布置情況如圖1所示。

圖1 110 kV 145間隔GIS布置示意圖Fig.1 Layout diagram of 110 kV 145 circuit

2 檢查試驗情況

2022年8月14日，天氣晴，溫度26 ℃，相對濕度28%。110 kV 145間隔及I、II號母線各氣室壓力正常。試驗人員使用天威新域TWPD-510型局放巡檢儀進行超聲波、特高頻局放檢測，特高頻局放檢測未見異常，超聲波檢測發(fā)現(xiàn)110 kV I號母線組合電器145-1 C相隔離開關附近母線筒內存在明顯局放信號。

2.1 特高頻局放檢測

對110 kV 145間隔及母線進行特高頻局放檢測，選取145-1 C相隔離開關盆式絕緣子及鄰近母線145-2 C相隔離開關盆式絕緣子2個特殊測點(圖2中黃框位置)進行圖譜分析。

圖2 145間隔局放測點示意圖Fig.2 Schematic diagram of 145 circuit PD measuring points

根據(jù)測試結果，145-1 C相及145-2 C相盆式絕緣子處的特高頻信號分別為-74.6 dBm和-74.3 dBm，與背景值-74.2 dBm無明顯差異，說明此處未發(fā)現(xiàn)能被特高頻傳感器檢測到的局放信號。

2.2 超聲波局放檢測

110 kV I號母線組合電器145間隔處選取的超聲波局放測試點如圖2所示(測點1—7)。為了確定145間隔是否存在局放以及進一步分析局放信號的性質，測試人員在145間隔進行局放信號的精確測量，沿母線筒軸向共選取4個測點(測點1、2、3、4)，沿超聲波信號最大的測點3處母線筒徑向截面圓周另選取3個測點(測點5、6、7)。為了更清晰地捕捉局放信號，局放檢測儀增益調至“×1 000”且檢測頻率調至10～80 kHz，具體檢測結果見表1。

表1 145間隔超聲波局放精確測試結果Tab.1 Accuracy ultrasonic test results of 145 circuit PD”

表1中7個測點的超聲波局放信號均超過了背景值(2.0 mV)，且放電信號具有周期性，基本可以判斷該間隔存在局放信號[16]。

軸向測點中，測點1—4的超聲波信號有效值分別為2.5、2.9、6.1、4.1 mV，測點3處的信號最強，且向兩側衰減。徑向測點中，測點3、5、6、7均可測得較明顯局放超聲波信號，幅值分別為6.1、3.6、5.0、3.6 mV，仍然是測點3處的信號最強。用耳機監(jiān)聽各測點放電信號，人耳可清晰辨別放電強度變化，與各放電圖譜顯示有效值變化規(guī)律一致[17]。

分別運用連續(xù)檢測模式、相位檢測模式、時域波形檢測模式、飛行圖檢測模式對測點3局放信號進行檢測，結果如圖3所示[18]。

圖3 測點3局放信號檢測結果Fig.3 PD test result of point 3

由圖3(a)可知，連續(xù)模式下測得的有效值2.1 mV、周期峰值6.6 mV均大于背景值(2 mV)，放電信號存在50 Hz及100 Hz頻率相關性，且50 Hz頻率相關性大于100 Hz頻率相關性，即在1個工頻周期(0.02 s)內放電信號大概率重復1次。相位檢測模式圖譜如圖3(b)所示，該放電信號具有明顯的相位聚集效應，在1個工頻周期內表現(xiàn)為1簇，即“單峰”，同時工頻正負半周具有一定的對稱性。時域波形檢測模式圖譜如圖3(c)所示，該放電信號有明顯的相位特征，即在正弦波負峰值處出現(xiàn)幅值較大的1簇信號，與相位檢測模式和連續(xù)檢測模式分析結果一致。飛行圖檢測模式圖譜如圖3(d)所示，未檢測出信號，排除了金屬自由顆粒缺陷的可能性[18]。通過分析超聲波局放檢測各圖譜可以判斷該局放信號為尖端或沿面放電，但不排除懸浮放電的可能性。

2.3 缺陷定位

根據(jù)超聲波幅值定位法理論，試驗人員基本判斷超聲波局放信號源在測點3附近區(qū)域。同時其他徑向測點信號均不及測點3強，可以判斷缺陷位于接近測點3殼體的位置。

圖4—7為測點3處的內部結構示意圖，可以清楚地看出離測點3最近的是支撐C相導電桿的支柱絕緣子(圖4中黃框所示位置)，初步判斷該支柱絕緣子發(fā)生缺陷的可能性最大，但不排除145間隔I母線上部出線口母線圓盤絕緣子、筒內導體、殼體以及連接處等部位發(fā)生缺陷的可能性。

圖4 I號母線正視圖Fig.4 Front view of busbar I

圖5 I號母線筒左側視圖Fig.5 Side view of busbar I

圖6 I號母線內部結構圖Fig.6 Internal structure of busbar I

圖7 I號母線筒內部結構左視圖Fig.7 Left view of busbar I internal structure

2.4 氣體檢測結果

為進一步分析該局放信號，檢測人員對發(fā)現(xiàn)局放信號的相關氣室進行了SF6氣體分解物測試，測試結果見表2。

表2 SF6氣體分解物體積分數(shù)測試結果Tab.2 Volume fraction test results of SF6 gas decomposed product

由表2可知，未檢測出局放產生的特征氣體。由于被測氣室出氣口距離放電位置較遠，同時母線氣室近10 m長，氣室容量大，如有特征氣體，可能存在測試反應不夠靈敏等情況[19]。

2.5 復測情況

8月15日測試人員用EC4000型局放檢測儀對該局放缺陷進行了復測，檢測結果與8月14日結果一致，特高頻檢測未見明顯異常信號，超聲波檢測在測點3處信號最強。局部放電脈沖序列相位分布(phase resolved pules sequence，PRPS)圖譜和局部放電相位分布(phase resolved partial discharge，PRPD)圖譜分別如圖8、9所示。

圖8 測點3 PRPS圖譜Fig.8 PRPS spectrum of measurement point 3

圖9 測點3 PRPD圖譜Fig.9 PRPD spectrum of measurement point 3

可以看出放電信號幅值大于背景值且具有明顯的50 Hz相位相關性，在1個工頻周期內表現(xiàn)為1簇。

綜合超聲波、特高頻局放的檢測結果判斷，引起此類缺陷的原因按照可能性大小排列有以下5種，需要進行進一步解體檢查以確定具體原因：

a)主母線筒內固定導體的支柱絕緣子由于受外力導致表面或內部缺陷。鑒于較明顯的超聲波局放信號，沿面放電可能性最大。雖然特高頻檢測可以檢測到沿面放電信號，但對于放電量較小的沿面放電，其檢測靈敏性要低于超聲波檢測手段。

b)145間隔I母線上部出線口處分支母線圓盤絕緣子有表面或內部缺陷。

c)母線筒內帶電導體有尖角毛刺。

d)母線筒殼體內腔表面有尖角毛刺。

Besides, the calculation is in mm, and left side and right side are same. And the I1～I6 are integer, R1～R6 are remainder.

e)母線筒內連接導體有螺栓未緊固造成的壓接不實，導致懸浮放電。

3 解體及返廠檢測情況

3.1 解體檢查情況

10月12日，開關專業(yè)人員和生產廠家技術人員對110 kV I號母線145間隔處氣室及145-1 C相氣室進行解體檢查，肉眼可見范圍內未發(fā)現(xiàn)支柱絕緣子表面有異物或裂紋，未發(fā)現(xiàn)連接部件接觸不良或內部有異物，導體等替換件經檢查無尖角、毛刺。

隨后工作人員更換了存在局放信號位置的9支支撐絕緣子和部分導體，設備送電后超聲局放信號消失。更換下來的絕緣子返廠后進行了X光探傷、交流耐壓及局放試驗。

3.2 交流耐壓及局放檢測

C相絕緣子局放測試結果為：9支支撐絕緣子均通過5 min 230 kV交流耐壓試驗，145-1隔離開關下部I號母線本體內C相絕緣子在89 kV電壓下局放量10 546 pC，遠超相關規(guī)程要求的局放量(3 pC)[20]，局放起始電壓49 kV，熄滅電壓16 kV，局放量嚴重超標。

3.3 X光探傷檢查

返廠的支撐絕緣子經過X探傷檢查，發(fā)現(xiàn)局放量超標的145-1隔離開關下部I號母線本體內C相絕緣子存在微小裂紋，如圖10所示，其余8支未均未發(fā)現(xiàn)有裂紋、氣隙。

圖10 C相支柱絕緣子X光影像(有微小裂紋)Fig.10 X-ray image of C-phase post insulator (with small cracks)

4 缺陷原因分析

綜合超聲波、特高頻局放檢測結果，以及現(xiàn)場解體和返廠試驗情況，可以判斷這是一起由110 kV 145-1隔離開關下部I號母線本體內C相絕緣子本體微小裂紋引起的局放缺陷。絕緣子裂紋由內部延伸至表面，導致表面電阻不均勻，使原電場分布發(fā)生畸變，從而在強電場作用下發(fā)生放電。由于裂紋較小，放電量微弱，該缺陷未被特高頻傳感器識別，但是對于沿面放電較敏感的超聲波檢測到該缺陷。各種檢測模式下超聲波局放譜圖也與典型沿面放電譜圖吻合。同時，因為放電量較小，氣室體積較大，未檢測到SF6氣體分解物特征氣體成分。

絕緣件產生裂紋分為以下3種原因：①絕緣件澆鑄時產生；②現(xiàn)場裝配時，由于野蠻施工安裝，導致金屬導體或金屬外殼與絕緣件發(fā)生了磕碰、刮劃，造成了絕緣件的損傷；③設備運行后，異常應力的持續(xù)作用。絕緣件澆筑原因和現(xiàn)場安裝時的磕碰導致絕緣件異常所產生的局放，都能夠在后續(xù)每年進行的例行帶電局放巡檢中被發(fā)現(xiàn)。因此，該絕緣子存在的裂紋缺陷應是在設備運行后逐漸產生的。

由于運行時設備未發(fā)生位移、撞擊等異常情況，導致裂紋產生的原因應是持續(xù)的異常應力。在現(xiàn)場安裝的過程中，導電桿與梅花觸頭間的間隙不均勻，即導電桿與安裝在絕緣子上的觸頭座未對中，則導電桿會對觸頭座向間隙小的一側施加一個撬的力量。由于導電桿與梅花觸頭是插接的，在電動力的作用下導電桿會自行調節(jié)直至力平衡。當這個異常應力較大時，其持續(xù)地作用在支柱絕緣子上，會導致該支柱絕緣子產生裂紋直至變形。

導體對接未對中很大可能是由于現(xiàn)場安裝時未嚴格遵守安裝工藝造成的。母線對接時需要先觀察導體的對中性再對接殼體，如果未按工藝要求先觀察并調節(jié)導電桿位置，在對接時就可能發(fā)生導電桿裝配后未能與觸頭座對中，從而產生一個相互的作用應力?，F(xiàn)場工藝要求：導電桿裝配后，務必旋轉導電桿，確保導電桿轉動時無卡滯現(xiàn)象；同時測量導電桿的插入量，防止導電桿裝配后與觸頭座頂撞，對絕緣子造成損傷。

5 結論和建議

局放測量目前仍是有效檢驗設備質量的可靠方法之一。在對GIS設備進行工頻耐壓及脈沖電流法局放檢測的同時輔以局放的帶電檢測和在線監(jiān)測，是檢驗設備質量的有效手段。按照相關技術規(guī)程要求，對GIS內部絕緣件應逐支進行X射線探傷、工頻耐壓和局放試驗，要求絕緣件內部無裂紋、空穴，局放量不大于3 pC。對110 kV及以上電壓等級GIS設備應安裝超聲波及特高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)，以實時掌握設備的健康狀況。

對于異常放電信號需結合超聲波及特高頻2種方法綜合判斷分析，才能準確判斷設備內部放電情況。GIS超聲波、特高頻局放檢測的原理和檢測頻帶范圍不同，對于不同類型缺陷的靈敏度不同，例如超聲波局放檢測無法檢測絕緣內部缺陷如空穴、氣隙，但對于沿面放電、金屬顆粒放電及機械振動較為敏感，而特高頻局放檢測可以檢測到絕緣內部缺陷，二者存在一定的交叉互補關系。

建議如下：

a)加強對GIS設備現(xiàn)場安裝的監(jiān)督力度，對導體插接情況進行仔細檢查，在導電桿裝配后，務必旋轉導電桿，確保導電桿轉動時無卡滯現(xiàn)象，防止因導電桿安裝不到位，在后期運行過程中對絕緣子產生損傷。

b)GIS設備使用高抗彎扭強度的支撐絕緣子。部分生產廠家用氧化鋁粉代替硅粉作為支柱絕緣子的填料，不但提高了電弧腐蝕的耐受性，也增大了絕緣子的抗彎扭強度。經試驗驗證，采用新工藝的支柱絕緣子的破壞彎矩平均可達3 700 N·m，遠遠高于國標要求(2 000 N·m)，也高于硅粉材料的破壞彎矩平均值(3 000 N·m)，抗彎強度大幅提高，可以承受更高的破壞應力。

c)配置用于精確測量的高性能局放檢測儀。對于放電量微小的局放，一般檢測精度的檢測儀存在檢測不到信號的情況，因此需要配置高性能局放檢測儀。

d)配置高檢測精度的SF6氣體分解物檢測儀，同時研究特征氣體含量與氣室體積的關系。對于同一放電量的缺陷，缺陷位于較小氣室內產生特征氣體含量要遠大于位于較大氣室的情況，因此建議配置高檢測精度的SF6氣體分解物檢測儀。同時研究在20 ℃、1個標準大氣壓下特征氣體含量的測量方法或者換算方法，以及相應的閾值判斷法。