提高GIS絕緣故障檢出率的方法及應用

劉效真，高占嶺，李秀國，郭 峰

（濱州供電公司，山東 濱州 256600）

0 引言

SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備 （Gas Insulated Switchgear，即GIS），是指全部或部分采用氣體而不采用大氣壓下的空氣作為絕緣介質的金屬封閉開關設備。它利用SF6氣體的高絕緣性能，將斷路器（CB）、隔離開關（DS）、接地開關（ES／FES）、電流互感器（CT）、電壓互感器（VT）、避雷器（LA）等多種設備以及主母線（Bus）組合在一起，減少了開關整體占地面積，除出線套管外，無外露帶電體。GIS是變電站的重要組成部分，具有占地面積小、原件全部封閉、不受環境干擾、可靠性高、運行方便、檢修周期長、維護工作量少、安裝迅速、運行費用低等優點，得到了廣泛應用。

雖然有著諸多優點，但是GIS設備在制造、裝配及運行過程中，內部可能產生一些缺陷，特別是GIS發生故障時，維修復雜，維修時間長，影響面積大，嚴重威脅電網的安全穩定運行。因此，從設備交接試驗至運行過程中，采取有效的檢測手段和監測方法，早期發現缺陷和隱患并及時處理，對電力設備保持健康運行狀態至關重要。

1 引起GIS絕緣故障的主要原因

絕緣子表面附著雜質、異物或者固體絕緣材料澆鑄件內部存在缺陷，造成局部放電，直至沿面閃絡或絕緣擊穿。

由于工藝不良、滑動部分磨損、觸頭燒損及安裝不慎等在GIS內部殘留金屬屑末（或稱導電微粒）引起放電。

高壓導體表面的毛刺等引發電暈放電。

由于觸頭接觸不良或金屬屏蔽罩固定處接觸不良造成懸浮電位而引發火花放電。另外，松動的屏蔽罩在操作、電動力沖擊震動下發生變形、變位甚至脫落，改變了GIS內部場強分布，致使GIS絕緣強度降低，引發絕緣擊穿等嚴重事故。

絕緣部位受潮，引起絕緣閃絡或擊穿。

內部絕緣件存在質量缺陷，長期運行后絕緣擊穿。

氣體泄漏導致內部絕緣強度降低。

由上述原因可以看出，大部分絕緣故障是由缺陷逐漸累積發展而來，從帶缺陷運行到最終絕緣擊穿導致故障有一個較長的發展過程，這就為提前檢測、發現、處理缺陷，避免故障發生提供了條件。

2 GIS檢測的傳統方法

GB50150－2006《電氣裝置安裝工程電氣試驗交接試驗標準》規定GIS交接試驗項目有：測量主回路的導電電阻；主回路交流耐壓試驗；密封性試驗；測量SF6氣體含水量等。

GIS設備投運后，因其獨特的全密封結構，常規檢測項目大都無法在運行狀態下開展。因此，對原有試驗方法、手段的有效性進行研究和改進，嘗試新技術手段在GIS狀態檢測中的應用，是目前提高GIS運行可靠性的發展方向之一。

3 提高GIS絕緣故障檢出率的有效方法

3.1 現場交流耐壓試驗

GIS交流耐壓試驗是檢測GIS內部絕緣狀況、考核其絕緣性能最直接、有效的方法。

目前GB50150－2006《電氣裝置安裝工程電氣試驗交接試驗標準》和 DL／T555－2004《氣體絕緣金屬封閉開關設備現場耐壓及絕緣試驗導則》均規定現場交流耐壓試驗電壓應為出廠試驗時施加電壓的80%。但隨著越來越多的應用實踐證明，80%出廠電壓試驗通過的GIS設備，多次在送電投運過程中或投運不久內部發生絕緣故障。在充分調研的基礎上，國家電網公司在2011年下發的《關于加強氣體絕緣技術封閉開關設備全過程管理重點措施》中要求：72.5～363 kVGIS的交流耐壓值應為出廠值的100%。

按此規定，在對220 kV某變電站110 kVGIS驗收過程中，發現一典型案例。試驗加壓及放電情況如表1所示。

表1 試驗加壓及放電情況

通過分解試驗，最終確定110 kVGIS進線套管A相有絕緣故障。該套管經現場解體發現，屏蔽罩偏離導電桿中心軸12.5 mm（圖1），導致絕緣距離不夠而放電（圖2）。更換套管后，230 kV／1 min耐壓通電壓及投運后進行帶電測試 （U為rGIS額定電壓），無明顯局部放電信號。

3.2 局部放電檢測

有技術人員對該試驗項目的必要性和有效性產生過懷疑，但實際上有些缺陷在尚未形成貫穿性通道的情況下，能夠承受交流耐壓試驗。該試驗電壓以252 kV為例＝175 kV），大于設備運行電壓（145 kV），在該電壓下進行局部放電測試，能在投運之前發現缺陷，做到早發現、早處理。

圖1 屏蔽罩偏離圖

圖2 套管放電痕跡

在對某110 kVGIS進行該項目試驗時，發現一次缺陷。試驗過程如下：在電壓下進行超聲波局部放電測試，發現一CT氣室局部放電信號明顯，圖譜連續模式和相位模式如圖3所示。

圖3 連續模式

由超聲波圖譜可知，該信號在連續模式下有效值和峰值都增大，信號穩定，而50 Hz相關性明顯，100 Hz相關性較弱。初步判定為毛刺放電，但根據相位模式判斷，又像典型的震動圖譜。利用超高頻局部放電測試儀進行檢測，無局部放電信號，因此可判斷該超聲信號來自于震動。根據聲信號在GIS中的傳播方式（圖4），判定聲源不在外殼上。

圖4 不同噪聲源在GIS中的傳播

打開該CT間隔進行檢查，發現CT一固定螺絲松動。經廠家處理后，局部放電信號消失。

3.3 超聲波和超高頻相結合進行帶電檢測

超聲波檢測對發現自由顆粒、振動、懸浮電位等GIS設備內部故障有較高的靈敏度，而對絕緣子內部缺陷、絕緣子表面臟污及電場異常等故障類型靈敏度較低；超高頻局部放電儀反映靈敏，并且可以區分局部放電和機械震動信號。二者優勢互補，結合應用，才可以對缺陷進行定性、定量、定位的狀態評價，為檢修工作提供依據。運用此方法發現了山東省首例GIS重大缺陷。

220 kV某變電站110 kVGIS驗收時，耐壓試驗過程中曾發生過多次放電情況，經過反復解體處理，通過了現場交流耐壓試驗并順利投運。在設備隱患排查工作期間，對其進行超高頻局部放電監測，發現有較強的放電信號，定期復測，信號有增長趨勢，2010年6月，分別用超高頻和超聲波局部放電測試儀進行了進一步復測和分析。

超高頻局部放電測試情況。通過對GIS母線上盆式絕緣子進行超高頻信號測量，結果顯示備用六間隔兩側1號母線上的兩個盆式絕緣子上超高頻放電信號最強（圖5），其他盆子上的信號明顯較弱，因此確定了放電氣室為1號母線上備用六間隔所在氣室。

超聲波局部放電測試情況。用超聲波局部放電檢測儀對放電氣室進行逐點測試，測試結果顯示放電信號最強點出現在1號母線上備用六間隔－1刀閘A相下方，其信號較其他部位有明顯增長。所測最大超聲信號峰值達38 mv（圖6），且具有較強的100 Hz相關性，對信號進行相位模式（圖7）分析，信號圖譜與標準的懸浮放電圖譜較為相似，初步診斷為懸浮放電類型。

圖5 超高頻信號圖譜

圖6 連續模式

圖7 相位模式

將設備停電后解體檢查，檢查氣室內無異常，更換有懷疑缺陷的絕緣子后，送電正常，局部放電信號消失。將有懷疑缺陷的A相支柱絕緣子進行X光探傷，發現內部有明顯裂紋（圖8），裂紋由內而外還沒有延伸到表面，所以該絕緣子外觀檢查無異常。對A相支柱絕緣子進行局部放電測試，在電壓升至50 kV時，即出現大于500 pC的明顯局部放電信號。

圖8 絕緣子內部裂紋

根據試驗結果可以確定，110 kVGIS在運行過程中所測得的異常局部放電信號即來自于設備A相支柱絕緣子。

4 結語

在GIS設備交接時，進行100%出廠電壓下現場交流耐壓試驗，能夠發現80%出廠電壓下不易發現的絕緣缺陷。

GIS設備投運后，定期使用超聲波和超高頻局部放電儀相結合的方法進行帶電監測，可及時發現缺陷并處理，避免事故擴大化。

以上三種檢測手段應用后，可提升GIS設備的狀態診斷能力，提高絕緣故障檢出率，為電力設備安全穩定運行提供有力保障。

［1］GB50150－2006電氣裝置安裝工程電氣試驗交接試驗標準［S］.

［2］DL／T555－2004氣體絕緣金屬封閉開關設備現場耐壓及絕緣試驗導則［S］.

［3］李秀衛，陳玉峰，王慶玉.提高GIS現場交流耐壓試驗標準探討［J］.山東電力技術，2011（2）：22－26.

［4］毛慧卿，李秀國.110 kVGIS局部放電異常分析與處理［J］.山東電力技術，2011（5）：28－30.