GIS設(shè)備局部放電綜合檢測(cè)分析

洪旸錦，李普明，朱 林

（1.廣東電網(wǎng)公司梅州供電局，廣東 梅州 514021；2.廣東電網(wǎng)公司，廣東 廣州 510600；3.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引言

SF6氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulted Switchgear，GIS）在110 kV及其以上各電壓等級(jí)的電網(wǎng)中獲得了大量的成功應(yīng)用，目前已成為主導(dǎo)開關(guān)設(shè)備。但在運(yùn)行維護(hù)中也發(fā)現(xiàn)了一定的問題，GIS局部放電就是其中的一種常見缺陷。由于GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)存在疑似局部放電現(xiàn)象的GIS設(shè)備綜合應(yīng)用先進(jìn)的局部放電檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，可及時(shí)避免事態(tài)的進(jìn)一步惡化，這不僅對(duì)防止GIS事故的發(fā)生而且對(duì)保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國內(nèi)積累了大量的對(duì)GIS設(shè)備的帶電檢修成功經(jīng)驗(yàn)[1-4]。但是，在GIS設(shè)備局部放電檢測(cè)方面，一直缺乏局部放電產(chǎn)生原因、影響因素與作用途徑的綜合分析，在各類局部放電檢測(cè)技術(shù)的適應(yīng)場(chǎng)景以及檢測(cè)技術(shù)的綜合應(yīng)用等方面更是缺少系統(tǒng)化的評(píng)估與整體總結(jié)。

近年來廣東電網(wǎng)中已經(jīng)出現(xiàn)了多次GIS設(shè)備重大設(shè)備缺陷或事故，如香山站GIS事故導(dǎo)致主變跳閘，潭村站GIS母線微水超標(biāo)缺陷迫使設(shè)備停運(yùn)。這些已經(jīng)給電力工作者在設(shè)備安全層面上的巡檢維護(hù)方面給予了重要警示，必須加以重視。

本文針對(duì)GIS設(shè)備局部放電問題進(jìn)行了深入研究。首先，討論了GIS設(shè)備局部放電的原因；然后，分析了常見的GIS局部放電檢測(cè)方法，并明確了各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用場(chǎng)合；最后又結(jié)合作者的現(xiàn)場(chǎng)工作經(jīng)驗(yàn)提出了一種綜合檢測(cè)方案。在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢修中對(duì)該方案加以嘗試應(yīng)用，效果良好。

1 GIS局部放電原因分析

GIS設(shè)備的特殊結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)變電站的概念，它是以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，并將除變壓器之外的變電站所使用的斷路器、接地開關(guān)、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、母線、避雷器、套管和其他過渡元件等多種高壓電器組合在一起。GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性也帶來了復(fù)雜的運(yùn)行維護(hù)問題，以GIS局部放電缺陷為例，其與SF6氣體泄漏、SF6氣體微水超標(biāo)、開關(guān)故障、液壓機(jī)構(gòu)滲漏油等密切相關(guān)。此外，在制造、安裝和使用過程中也可能出現(xiàn)內(nèi)部電極表面臟污、毛刺、自由粒子等也是不容忽視的重要因素。

將影響GIS局部放電的各類因素概括為：

（1）載流導(dǎo)體表面存在缺陷，例如毛刺、尖角等；

（2）絕緣子表面缺陷，如制造質(zhì)量不良，絕緣子有氣泡或裂紋以及安裝遺留下的污跡、塵埃等；

（3）GIS密封筒內(nèi)在制造或安裝過程中存留的自由導(dǎo)電粒子；

（4）導(dǎo)電部分接觸不良。

GIS局部放電的各類因素其作用形式主要是集中在畸變電場(chǎng)上。例如在制造和安裝過程中造成的毛刺，直接引起導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻，這極易導(dǎo)致設(shè)備的內(nèi)部電場(chǎng)發(fā)生畸變。雖然在穩(wěn)定的工頻電壓下不容易引起擊穿，但在操作或沖擊電壓下很可能引起擊穿，或者當(dāng)內(nèi)部電場(chǎng)畸變到一定程度之后就會(huì)形成局部放電。

2 GIS局部放電的檢測(cè)方法

GIS設(shè)備局部放電的檢測(cè)技術(shù)已發(fā)展的相對(duì)成熟而且獲得了廣泛應(yīng)用[5]。主流的檢測(cè)方法包括有：脈沖電流法、超高頻法、超聲波法和SF6分解物檢測(cè)法等。需要注意的是上述方法工作原理存在較大差異，對(duì)環(huán)境工況的依賴情況也各不相同。

2.1 脈沖電流法

脈沖電流法是一種利用羅氏線圈或者測(cè)量阻抗獲取各種絕緣缺陷產(chǎn)生局部放電脈沖電流信號(hào)的方法。局部放電產(chǎn)生時(shí)，試樣兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幾乎瞬時(shí)的電壓變化。如果把試樣接入檢測(cè)回路，就會(huì)產(chǎn)生脈沖電流。而通過一個(gè)靈敏度高的電子儀器是否可測(cè)出相應(yīng)的脈沖電流，就可以判斷是否存在局部放電及其放電強(qiáng)度。

脈沖電流法特點(diǎn)突出，靈敏度高，且可定量測(cè)量局部放電量。因此，在GIS出廠試驗(yàn)中會(huì)經(jīng)常采用。但這種方法應(yīng)用的整體水平要求較高，容易受到現(xiàn)場(chǎng)干擾，在實(shí)際的運(yùn)維檢修工作中受限制。

2.2 超高頻法

超高頻法利用GIS內(nèi)局部放電具有高頻這一特性，即局部放電信號(hào)為納秒級(jí)，頻譜從低頻到數(shù)百M(fèi)Hz甚至數(shù)GHz以上。高頻放電信號(hào)穿透性強(qiáng)，能夠從盆式絕緣子和GIS外殼的接縫處泄漏到外部。在GIS筒體內(nèi)或者在絕緣子外安裝傳感器。通過觀察測(cè)量示波器是否有放電的UHF（300 MHz以上）信號(hào)來判斷是否存在局部放電。通過UHF頻段測(cè)量，可避開一般的電磁干擾，同時(shí)又能準(zhǔn)確測(cè)量GIS內(nèi)部的放電信號(hào)。這種方法基本能夠做到快速判斷局部放電類型，是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛的檢測(cè)方法。

但超高頻法依賴檢測(cè)到的超高頻信號(hào)，后者又與諸多因素有關(guān)，如放電量大小、放電源的類型、位置及信號(hào)傳播路徑等，目前還無法實(shí)現(xiàn)GIS局部放電量的標(biāo)定。

2.3 超聲波法

GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，伴隨有超聲波信號(hào)的產(chǎn)生。超聲波法就是通過在GIS外部安裝超聲波傳感器，接收GIS內(nèi)部放電產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，間接判斷GIS是否有放電現(xiàn)象。該方法針對(duì)檢測(cè)頻率一般在10 kHz～500 kHz范圍內(nèi)，對(duì)于SF6氣體中的電暈放電、部件振動(dòng)、懸浮電位和顆粒跳動(dòng)比較靈敏。但對(duì)于絕緣件內(nèi)部空隙、裂縫等缺陷不敏感。

超聲波方法需要把傳感器固定在GIS筒壁上，而部分GIS廠家生產(chǎn)的GIS筒比較粗糙，表面不夠光滑，不能夠做到表面完全接觸。在這種情景下采用超聲波法檢測(cè)，效果不佳。

2.4 SF6分解物檢測(cè)法

SF6氣體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，分解溫度高于500℃，在常溫常壓下無色、無味、無毒、不燃，具有優(yōu)良的電絕緣和滅弧性能。當(dāng)GIS中發(fā)生局部放電、火花放電、電弧放電、絕緣擊穿等時(shí)，產(chǎn)生的高能量將使SF6分解，生成多種不穩(wěn)定物質(zhì)，它們與微量的氧氣和水分發(fā)生反應(yīng)，最終生成二氧化硫（SO2）、四氟化碳（CF4）、氟化亞硫酰（SOF2）等組分等分解物。通過檢測(cè)組分中一些特征分解物，能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)故障部位、故障性質(zhì)的快速判斷。

目前，檢測(cè)SF6分解氣體主要包括氣相色譜法、檢測(cè)管法和電化學(xué)傳感器法。氣相色譜法在分解物成分和含量確定方面具有優(yōu)勢(shì)，適合實(shí)驗(yàn)室定量分析。檢測(cè)管法主要檢測(cè)SO2和HF，常用于現(xiàn)場(chǎng)的快速粗略測(cè)量和故障后的氣室定位。電化學(xué)傳感器法的優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高、檢測(cè)速度快，主要檢測(cè)SO2、H2S和HF，但需要解決好組分干擾、傳感器壽命短等問題。

3 綜合檢測(cè)分析

通過對(duì)比上文的各類檢查方法，可以看出：①超高頻法的抗干擾能力最好，檢測(cè)范圍較大，且對(duì)所有放電類型都比較敏感；②超聲波法則對(duì)測(cè)量近距離范圍內(nèi)的自由移動(dòng)顆粒比較靈敏，而且便于確定故障的位置。因此，超高頻法和超聲波法成為了目前GIS局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢查的主要使用方法。

但還必須看到，超高頻法和超聲波法所接收的是兩個(gè)不同類型的信號(hào)，可能受到的干擾源并不相同，例如前者不會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)噪音的影響，但后者對(duì)電氣信號(hào)不敏感。為了充分發(fā)揮各類檢測(cè)方法的長處，需要將檢測(cè)方法聯(lián)合使用，方能起到取長補(bǔ)短的作用。

本文建議在進(jìn)行GIS局部放電檢測(cè)工作時(shí)，可以首先利用超高頻法檢測(cè)。該方法的范圍大，且對(duì)各種放電缺陷均具有較高靈敏度的特點(diǎn)，可以用來快速確認(rèn)被測(cè)設(shè)備是否存在局部放電的缺陷。然后，再利用超聲波法進(jìn)一步檢測(cè)確認(rèn)。雖然超聲波發(fā)的范圍小，但它更方便于定位，而且對(duì)電氣干擾不敏感的特點(diǎn)，可較好地確定GIS內(nèi)部的缺陷部位及特征。同時(shí)，也需要加強(qiáng)對(duì)被測(cè)信號(hào)來源的關(guān)注，徹底消除誤判斷的可能性。最后，才進(jìn)行解體分析檢查。

4 應(yīng)用案例

2010年某站點(diǎn)的GIS間隔避雷器氣室存在異常響聲和振動(dòng)，初步判斷GIS間隔避雷器氣室存在嚴(yán)重絕緣缺陷。工作人員采用本文所提的綜合檢測(cè)方案進(jìn)行檢測(cè)，具體情況如下。

圖1 GIS間隔局放測(cè)試點(diǎn)示意圖

圖2 超高頻檢測(cè)圖譜

圖3 峰值顯示圖譜

圖4 PRPD顯示圖譜

表1 超聲波局放測(cè)試數(shù)據(jù)

第一步，采用超高頻法進(jìn)行局放檢測(cè)，其中傳感器布局位置如圖1所示。通過檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在B2處信號(hào)幅值最大，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)，越靠近B2盤式絕緣子信號(hào)越強(qiáng)，空氣中信號(hào)較弱，由此可以推斷檢測(cè)到的信號(hào)確實(shí)來源于避雷器氣室內(nèi)部。

圖5 超聲波局放測(cè)試位置示意圖

第二步，采用超聲波局放測(cè)試儀對(duì)該間隔進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試位置如所示，測(cè)試結(jié)果顯示，避雷器氣室檢測(cè)到較強(qiáng)超聲波信號(hào)，信號(hào)幅值達(dá)到70 dB，隔離氣室次之，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，可以判斷該GIS間隔避雷器氣室存在較嚴(yán)重的局部放電缺陷。

第三步，對(duì)該GIS設(shè)備進(jìn)行解體分析與最終復(fù)查分析。檢修人員打開避雷器氣室的盆式絕緣子發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：①C相避雷器高壓導(dǎo)電桿（動(dòng)觸頭）隨著盆式絕緣子一同升起，其他兩相正常；②C相靜觸頭的均壓環(huán)沒有緊固，小許力氣即可把它搖動(dòng)；③在氣室內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)大量的SF6分解物。

上述情況表明GIS氣室內(nèi)部有強(qiáng)大的能量使得SF6氣體分解，這也意味著該避雷器室在運(yùn)行過程中存在嚴(yán)重的局部放電現(xiàn)象。通過解體的情況看，放電原因應(yīng)該是C相高壓導(dǎo)電桿與C相避雷器高壓端沒有緊固連接，存在懸浮電位，這與原理測(cè)試結(jié)果完全吻合。

5 結(jié)論

本文針對(duì)GIS設(shè)備局部放電問題進(jìn)行了深入探討。在分析GIS設(shè)備局部放電的影響因素基礎(chǔ)上，介紹了常見的GIS局部放電檢測(cè)方法，明確了各類方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，并提出了一種綜合檢測(cè)方案。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)檢修表明該方案效果良好。本文的工作將對(duì)GIS設(shè)備的維護(hù)檢修工作具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］嚴(yán)玉婷，王亞舟，段紹輝，等.GIS局部放電帶電測(cè)試原理研究及現(xiàn)場(chǎng)缺陷分析［J］.電瓷避雷器，2012（3）：51-56.

［2］王衛(wèi)東，趙現(xiàn)平，王達(dá)達(dá)，等.GIS局部放電檢測(cè)方法的分析研究［J］.高壓電器，2012（8）：13-17，23.

［3］左新宇.利用SF_6分解物檢測(cè)GIS內(nèi)部局部放電故障［J］.電氣應(yīng)用，2012（7）：74-76.

［4］李海波，萬榮興，方勇.蘭州東變電站750kV GIS母線筒缺陷原因分析［J］.高壓電器，2010（11）：12-15.

［5］高凱，倪浩，楊凌輝.GIS局部放電檢測(cè)的技術(shù)發(fā)展和分析［J］.華東電力，2012（8）：1384-1388.