一起HGIS設備懸浮放電缺陷分析

唐佳能，郎業興，劉佳鑫，周桂平

(國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

GIS(gas insulated switchgear)指全部或者部分采用絕緣氣體而不用大氣壓下的空氣作為絕緣介質的金屬封閉式開關設備[1]。隨著電網往高電壓、大容量、集約化等方向發展，同時對供電可靠性和安全穩定運行要求的提升，GIS組合電器類設備正越來越被各級電網特別是特高壓電網使用。但近年來隨著GIS數量的增多，生產工藝不良、安裝調試不當、運行維護不周等原因引起的GIS停電事故越來越多，對電網穩定運行的影響越來越大[2-5]。據統計，在不同缺陷引發的GIS故障中，微粒及異物占20%，接觸不良占29%，絕緣子缺陷占10%，導體尖刺占5%，其他占36%。實際運行過程中，因接觸不良引起懸浮放電，導致GIS設備短路的事件時有發生[6]。如何及時發現并準確定位這些缺陷，避免設備發生跳閘事故，已成為提高GIS可靠性的關鍵。利用超聲波和特高頻檢測法，發現一起典型的GIS開關氣室懸浮放電缺陷，并通過解體驗證，為GIS絕緣缺陷的診斷積累了經驗。

1 事件概述

2016年，某500 kV變電站運行人員在巡視時發現220 kV HGIS 2203間隔C相開關氣室母線側TA有異響。運行人員上報后試驗人員立即對該設備開展帶電檢測工作，發現220 kV場區3號主變2203間隔C相開關氣室超聲波、特高頻局部放電檢測數據異常，診斷該處異常疑似氣室內部金屬部件與導體之間、金屬部件之間接觸不良或螺栓松動引起的嚴重懸浮電位放電。通過傳感器進行定位，放電信號源在斷路器與母線之間連接的TA筒位置如圖1所示。

圖1 缺陷位置示意圖

2 檢測情況

檢測人員對該氣室開展了超聲波局放檢測、特高頻局放檢測及SF6分解產物檢測，其中超聲波與特高頻均檢測到疑似放電信號，SF6分解產物檢測未發現異常，具體檢測情況如下。

2.1 特高頻局放檢測

電力設備發生局部放電時的電流脈沖能在內部激勵頻率高達數GHz的電磁波，特高頻局部放電檢測技術就是通過檢測這種電磁波信號來實現局部放電檢測[7]。該型號HGIS開關氣室有內置傳感器，且盆式絕緣子為全金屬封閉結構留有澆注孔，均可作為特高頻局放的檢測部位，本次檢測位置示意圖如圖2所示。

檢測位置1、2檢測圖譜如圖3、圖4所示。

2.2 超聲波局放檢測

超聲波局放檢測點分布見圖5，其中3、4、6點在氣室的底部位置。各測點超聲波測試數據如表1所示。

圖2 特高頻檢測點實際位置圖

圖3 2203 C相開關氣室檢測位置1特高頻局放圖譜

圖4 2203 C相開關氣室檢測位置2特高頻局放圖譜

圖5 超聲波檢測位置圖

檢測位置有效值周期峰值50Hz相關性100Hz相關性背景01.550.050.1測點175350520測點21506001030測點31507001550測點418012902585測點51406001560測點61205501545測點755250515

由表1可知，2023 C相開關氣室存在超聲波異常信號，50 Hz和100 Hz頻率相關性非常明顯，且100 Hz相關性遠大于50 Hz相關性，有效值、峰值遠大于背景值。測點1-4呈明顯增大的趨勢，測點4-7呈明顯減小的趨勢，測點4的左側由于有加熱裝置，無法向左繼續檢測，初步判斷放電源在測點3與4之間。

圖6為檢測點3超聲波檢測連續圖譜及相位圖譜，連續圖譜100 Hz相關性非常明顯，相位圖譜表現為明顯的2簇，具有典型的懸浮電位放電特征。檢測時選用前置傳感器，放大器倍數為×100，即40 dB。

(a)測點4連續模式圖譜

(b)測點4相位模式圖譜圖6 測點3超聲檢測圖譜

2.3 SF6分解產物檢測

對2203 C相開關氣室進行氣體成分檢測，檢測數據如表2所示，測試結果顯示該氣室分解產物無異常。一般局部放電產生的SF6分解產物含量較少，因此分解產物法對局部放電的反應不如超聲波法和特高頻法靈敏。

表2 SF6分解產物測試結果

2.4 故障點定位分析

為了進一步確定該氣室的放電情況，檢測人員利用特高頻時差法進行了定位分析，傳感器擺放位置如圖7所示，傳感器定位的時差關系如圖8所示。

圖7 傳感器布置示意圖

圖8 特高頻傳感器定位時差關系

從圖8可以看出，1號位置傳感器接收信號超前2號位置傳感器2.76 ns，且2號位置傳感器接收的信號幅值通過2個盆式絕緣子有明顯的衰減。通過時差關系計算，局放源的位置在開關與TA連接部位。

3 解體檢查

對TA筒進行現場解體，TA與斷路器接筒分離后，在筒體底部發現大量由于放電產生的金屬粉塵顆粒，取掉壓環后，壓環與鋁壓板相接部位有一道十幾厘米長的黑色痕跡為懸浮放電導致的燒蝕痕跡，如圖9所示。

圖9 解體后發現的放電痕跡

接筒法蘭與壓環、壓板、8-M12螺栓、絕緣墊5個元件構成TA二次繞組的固定系統。TA二次繞組緊固的方法是調整螺栓擰入壓板，螺栓前端頂到繞組上面的絕緣墊上，通過控制螺栓的擰入力矩(設計標準50 N·m)，便可使壓環與接筒法蘭、壓環與壓板等之間夾緊，二次繞組被緊固螺栓固定。壓環還起到使屏蔽罩通過筒體外殼接地的作用。

4 缺陷原因分析

本次異常的直接原因是TA二次繞組固定金屬壓環與金屬壓板之間存在微小間隙，造成屏蔽罩產生懸浮電位發生局部放電，引起震動異響，導致接觸不良的原因是8只M12調整螺栓緊固力矩不足。另一方面，由于局部放電，導致放電處的SF6氣體與金屬發生反應，產生了黑色粉末。該電流互感器結構從斷路器側向母線側依次分別為半封閉壓環、金屬壓板、絕緣壓板、橡膠墊、TA繞組，如圖10所示。TA繞組經由金屬壓板上的微調螺栓壓緊，半封閉壓環，全圓周不等高，個別位置厚度較低，與金屬壓板之間有縫隙，部分微調螺栓已經旋轉到底沒有余量，分析認為微調螺栓長度不足，不能起到應有的調節緊固作用，造成半封閉壓環與金屬壓板之間接觸不牢固，運行中發生懸浮放電。由此看來，本次缺陷發生的根本原因還是設備制造廠在產品設計和工藝管控上存在問題。

圖10 電流互感器結構示意圖

5 結論

a. 廠家在設計上不合理、 零部件加工和裝配過程中的疏忽，會嚴重影響設備運行的可靠性。

b. 定期開展局部放電檢測，能夠及時有效發現GIS絕緣缺陷，是了解設備運行狀況、確保設備安全穩定運行的有效技術監督手段。

c. 采用超聲波、特高頻聯合局放檢測手段，并通過時差分析，可準確定位局放源所在位置。

d. 與超聲波、特高頻局放檢測相比，SF6氣體檢測具有明顯滯后的特點，可作為輔助檢測手段。

[1] 氣體絕緣金屬封閉開關設備技術條件：DL/T 617—2010 [S].

[2] 盧啟付,李興旺,徐曉剛,等. 基于ANSYS的GIS隔離開關短路事故分析[J]. 高壓電器,2012,48(8):76-79.

[3] 郭 俊,吳廣寧,張血琴,等. 局部放電檢測技術的現狀和發展[J]. 電工技術學報,2005,20(2):29-35.

[4] 禹化然,蔣偉毅,徐 嶸. 一起220 kV GIS內部短路故障分析[J]. 高壓電器,2013,49(8):115-118.

[5] 劉佳鑫,唐佳能,郎業興,等. 500 kV HGIS內部絕緣缺陷的帶電檢測與綜合診斷[J]. 東北電力技術,2016,37(9):11-15.

[6] 李興旺,劉 軍,劉夢娜. 一起氣體絕緣金屬封閉開關設備懸浮放電缺陷分析[J]. 高壓電器,2015,51(10):205-208.

[7] 鄺文明,李 浩.特高頻局放檢測技術在GIS上的應用[J]. 通訊世界,2016, 17(3):190-191.