GIS 典型空穴放電的特高頻現場檢測

陳 雋，劉 帆，吳傳奇，夏 天，朱世明，白 堯，李勁彬, 陳 敏

（國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

全封閉組合電器（GIS）由于占地面積小，抗干擾能力強，安裝方便等優點，已廣泛應用于電力系統中，其安全運行對電力系統的安全和穩定具有重要意義。GIS的故障多為絕緣性故障，局部放電是絕緣性故障的重要征兆和表現形式。對GIS的局部放電進行帶電檢測，可以及時有效的發現其內部缺陷，是GIS狀態監測的發展方向[1]。

目前，GIS局部放電的檢測方法較多，特高頻檢測法是GIS缺陷識別和精確定位的最有效方法。國內外的學者在實驗室中對各缺陷類型模型均已開展大量的試驗研究[2-10]。試驗表明絕緣件的空穴型局部放電是最適宜特高頻檢測的GIS典型缺陷之一。實驗室內的模擬對象通常為理想對象，而現場檢測中出現的GIS部件空穴缺陷更為復雜，國內開展了大量現場的GIS特高頻局部放電檢測，發現了大量典型的局部放電缺陷，部分現場的缺陷還得到了解體驗證，促進了GIS局部放電帶電檢測的發展[11-13]。

本文通過對一次典型的GIS空穴放電進行特高頻檢測，分析了該典型缺陷下的特高頻信號幅值、相位和頻率等特征參數，并通過時差法對缺陷的位置進行定位，通過停電后的現場解體驗證了對檢測結果的分析和判斷，并解釋了該典型空穴型局部放電的產生機理，為廣泛開展GIS特高頻帶電檢測和局部放電在線監測的專家診斷系統提供了現場經驗。

1 設備情況

本文的典型現場檢測在湖北電網500 kV咸寧變完成，HGIS為西安西開的HGIS，型號CB550-Ⅲ，斷路器為雙斷口型式，2005年11月出廠，2006年7月投運。檢測出缺陷信號的是咸5023間隔的C相，其具體布置形式和外觀如圖1所示。其結構形式為中間是斷路器滅弧室，向端部依次為電流互感器隔離刀閘和出線套管，圖中的紅色邊帶為分隔氣室的盆式絕緣子。

圖1 咸5023C相各盆式絕緣子名稱Fig.1 The disc insulators of Xian 5023C

2 特高頻現場檢測

特高頻信號必須透過非金屬屏蔽的部分從GIS內部傳播出來，本次檢測主要從盆式絕緣子處測量，測量的三處盆式絕緣子的編號和具體位置如圖1中所示。檢測采用DMS公司的特高頻局部放電檢測儀測量。1號盆式絕緣子、2號盆式絕緣子、3號盆式絕緣子處測得的特高頻信號如圖2～10所示，分別為PRPS圖譜、PRPD圖譜和峰值保持圖譜。

檢測結果顯示，從1～3號盆式絕緣子，信號的幅值逐漸增大，放電數量逐漸增多，信號特征也越明顯。三處盆式絕緣子的檢測結果呈現相似的相位分布特征，即正負半周各有一簇幅值較大的信號，符合局部放電信號特征。

圖2 咸5023 C相1號母側盆式絕緣子“在線PRPS”圖譜（x、y、z軸分別為工頻周期數、相位及放電幅值，下同）Fig.2 The PRPS map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.1 bus side

圖3 咸5023 C相1號母側盆式絕緣子“在線PRPD”圖譜（x、y軸分別為相位和放電幅值，點的密度表示放電次數，下同）Fig.3 The PRPD map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.1 bus side

圖4 咸5023 C相1號母側盆式絕緣子“在線峰值保持”圖譜（x軸表示相位，上圖和下圖y軸分別為放電幅值和放電重復率，下同）Fig.4 The peak map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.1 bus side

圖5 咸5023 C相2號母側盆式絕緣子“在線PRPS”圖譜Fig.5 The PRPS map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.2 bus side

圖6 咸5023 C相2號母側盆式絕緣子“在線PRPD”圖譜Fig.6 The PRPD map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.2 bus side

圖7 咸5023 C相2號母側盆式絕緣子“在線峰值保持”圖譜Fig.7 The peak map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.2 bus side

圖8 咸5023 C相50232刀閘氣室上部盆式絕緣子“在線PRPS”圖譜Fig.8 The PRPS map of the upper disc insulator of Xian 50232 chamber

圖9 咸5023 C相50232刀閘氣室上部盆式絕緣子“在線PRPD”圖譜Fig.9 The PRPD map of the upper disc insulator of Xian 50232 chamber

圖10 咸5023 C相50232刀閘氣室上部盆式絕緣子“在線峰值保持”圖譜Fig.10 The peak map of the upper disc insulator of Xian 50232 chamber

3 特高頻定位分析

采用特高頻信號時差法對缺陷部位進行定位，通過改變傳感器的檢測位置逐漸縮小定位范圍，并使用安捷倫D4104A型示波器對特高頻傳感器檢測到的信號進行采集，采集帶寬為1.5 GHz，滿足特高頻局部放電信號在0.3～1.5 GHz的頻帶范圍。

現場傳感器放置位置（黃、綠、紅分別代表一個傳感器）及局部放電信號波形如圖11所示，黃色傳感器放置在套管下方盆子上，綠色傳感器放置在斷路器氣室左側盆子上，紅色傳感器放置在斷路器右側盆子上。由局部放電信號波形可知，信號最先到達黃色傳感器，其次為綠色傳感器，最后為紅色傳感器，黃色傳感器信號上升沿超前綠色約3.5 ns（電磁波可傳播約1.05 m），黃、綠兩傳感器間實際距離為1.7 m,計算可知信號源位于黃色和綠色傳感器之間，且在黃色傳感器下方約0.33 m。

圖11 定位檢測一傳感器位置及局部放電信號波形Fig.11 the sensors positions and PD signal waveforms of the locating detection 1

在上述定位檢測的結果上縮小檢測范圍，現場傳感器放置位置（黃、紅分別代表一個傳感器）及局部放電信號波形如圖12所示，黃色傳感器放在GIS套管下方的盆子上，紅色傳感器放在垂直GIS腔體的手孔上，從信號波形可以看出，黃色傳感器信號上升沿超前紅色傳感器0.44 ns（電磁波可傳播約0.132 m），黃色傳感器與綠色傳感器之間距離約為0.7 m，計算可知信號源位于黃色和綠色傳感器之間，且在黃色傳感器下方約0.42 m。

圖12 定位檢測二傳感器位置及局部放電信號波形Fig.12 The sensors positions and PD signal waveforms of the locating detection 2

通過兩次定位，得到缺陷位置分別位于黃色傳感器下方0.33 m和0.42 m處，綜合上述兩次定位結果，可推斷缺陷位置大概處于黃色和紅色傳感器中間稍偏上位置，即圖12中藍色區域。

4 缺陷類型分析

根據缺陷位置PRPS圖譜和PRPD圖譜的檢測結果表明，放電幅值存在較大分散性，頻率和相位特征均與同步電源有明顯的相關性，負荷典型的絕緣內部空穴或沿面放電的典型特征圖譜。定位的位置為盆式絕緣子的下部，不存在金屬導體落在盆式絕緣子上產生局部放電的可能性，該處為隔離刀閘的絕緣件位置，符合空穴型缺陷的推斷結果。

5 現場解體分析

空穴放電是GIS局部放電類型中危害較大的一種缺陷，易發展為貫穿性的絕緣閃絡故障[3]。為消除缺陷，對缺陷氣室進行了解體檢查。打開缺陷氣室，內部組件為隔離開關靜觸頭及其支撐絕緣子，檢查發現其外觀并無明顯異常，導體及絕緣件表面未見放電痕跡，絕緣件表面無肉眼可見裂紋。在隔離開關靜觸頭及其支撐絕緣子起吊落地時，由于應力導致支撐絕緣子發生斷裂，完好的支撐絕緣子及斷裂后的支撐絕緣子如圖13所示。該支撐絕緣子在澆鑄時低壓側內嵌12根金屬螺桿，以便絕緣子與外殼金屬法蘭連接，金屬螺桿端部為半球形，在絕緣件斷裂面，對應金屬螺桿端部有12個半球形凹槽，現場可見每個凹槽內均有放電痕跡，部分凹槽放電較為嚴重，環氧材料被燒焦，如圖14和圖15所示。

解體后的缺陷分析表明：缺陷位置為隔離開關靜觸頭支撐絕緣子內部螺栓端部空穴放電，與帶電檢測的缺陷類型判斷基本一致。但有別于常見的絕緣子空穴位置，該位置為絕緣子與螺栓的連接處，不易通過絕緣子X光探傷和耐壓試驗發現。

圖13 完好的及斷裂后的隔離開關靜觸頭支撐絕緣子Fig.13 The whole and cracked support insulators of the static contact in disconnect

圖14 支撐絕緣子斷裂面放電痕跡Fig.14 The discharge trace of the support insulators

圖15 凹槽內放電痕跡Fig.15 The discharge trace in the groove

解體后缺陷位置對應為圖12中綠色位置，與解體前的缺陷位置藍色區域相距約為0.2 m，誤差產生的主要原因為，在進行缺陷定位時將GIS腔體等效為直徑為0的直線，而實際GIS腔體的直徑并不為0，特別是在傳感器與缺陷位置較為接近時，GIS腔體直徑對定位準確性的影響更大。

6 空穴放電機理分析

由解體結果分析可知，支撐絕緣子螺栓端部凹槽放電的原因為端部存在空穴，根據電磁場理論，均勻電場中不同電介質的電場強度分布滿足以下條件

式中：ε1、ε2為兩種電介質的介電常數；E1、E2為兩種電介質中的電場強度。

當支撐絕緣子中存在空穴時，由于空氣（空穴）的介電常數要小于環氧樹脂（支撐絕緣子），因此空氣中的電場強度要高于環氧樹脂，而空氣的擊穿場強卻遠小于環氧樹脂，因此空穴極易發生擊穿，從而產生局部放電。這種類型的放電可歸納為空穴放電，這與帶電檢測圖譜對缺陷類型的分析判斷結果一致。該處空穴可能是由于絕緣子澆筑過程中，對螺栓端部的表面處理不合格，導致螺栓與絕緣子之間形成極小的空穴。

7 結語

本文針對一次典型的GIS空穴型局部放電進行了特高頻帶電檢測，并通過解體對其分析判斷進行了驗證，得到如下結論：

（1）成功地對一次典型的GIS局部放電異常信號進行了定位和缺陷類型判斷，并通過解體對分析結果進行了驗證，說明了檢測結果和分析判斷的正確性。

（2）通過本次GIS解體發現，空穴型局部放電不局限于絕緣子本體中，還可能存在于絕緣子與其他部件的連接位置，且這種位置不易通過X光波探傷發現。

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