一種GIS局部放電帶電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局 李新海 王偉平 梁智康 梁麗麗 陳 權(quán)

氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）依靠其絕緣性好、可靠性高和占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。在電力系統(tǒng)高溫高壓的復(fù)雜環(huán)境下，或者是GIS的制造、運(yùn)輸和裝配過(guò)程中，由于灰塵、導(dǎo)電微粒、金屬尖端、氣隙等原因，絕緣介質(zhì)內(nèi)部將會(huì)形成各種類(lèi)型的局部放電[1]。局部放電不會(huì)立即導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的擊穿，但會(huì)持續(xù)積累，一旦電介質(zhì)發(fā)生局部放電，整個(gè)絕緣系統(tǒng)將因周?chē)娊橘|(zhì)的不斷侵蝕而最終失效。GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電現(xiàn)象時(shí)，會(huì)釋放頻率范圍在300MHz以上的特高頻信號(hào)，可以通過(guò)特高頻傳感器接收信號(hào)并檢測(cè)、識(shí)別出內(nèi)部局放類(lèi)型[2]。

目前，220kV及以上GIS盆地絕緣子已經(jīng)普遍實(shí)現(xiàn)了局放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置的安裝，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部線(xiàn)路缺陷程度。而110kV的GIS設(shè)備仍然需要進(jìn)行局放帶電測(cè)試，即使已經(jīng)安裝了的GIS盆式絕緣子，依然需要通過(guò)日常帶電測(cè)試對(duì)剩余的絕緣盤(pán)補(bǔ)充局放信號(hào)、校驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置。同時(shí)，若局放在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置持續(xù)監(jiān)測(cè)到了局部放電，也需要工作人員攜帶設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的人工故障診斷。利用外置式特高頻傳感器接收GIS內(nèi)部局放產(chǎn)生的特高頻信號(hào)可對(duì)局放類(lèi)型進(jìn)行識(shí)別、判斷放電程度并進(jìn)行定位。目前，110kV及以上GIS盆式絕緣子分為普通屏蔽式、非屏蔽式和澆注孔式三種類(lèi)型，普通屏蔽盆式絕緣子的外表面被金屬法蘭完全覆蓋，隔絕一切內(nèi)部信號(hào)；非屏蔽盆式絕緣子不被金屬法蘭包裹，穿透性強(qiáng)；澆筑孔盆式絕緣子大部分被金屬法蘭包圍，只留下一小部分澆注口用于傳感器檢測(cè)。由于普通屏蔽盆式絕緣子很難檢測(cè)到內(nèi)部的局部放電信號(hào)且非屏蔽式盆式絕緣子存在GIS自身向外電磁輻射大、檢測(cè)信號(hào)易受外界干擾等缺點(diǎn)，目前市面上的廠家以生產(chǎn)澆筑孔盆式絕緣子為主，進(jìn)行GIS局部放電測(cè)試時(shí)，將封閉澆注孔外的金屬片拆除，再將外置特高頻傳感器放置在盆式絕緣子的澆注孔上，通過(guò)檢測(cè)向澆注孔位置輻射的電磁波信號(hào)對(duì)GIS設(shè)備局部放電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。然而澆筑式絕緣子也有一定缺陷，由于澆注口與傳感器尺寸不吻合，傳感器無(wú)法緊貼澆注孔，未能接收全部的電磁波信號(hào)，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)到GIS局部放電。

為解決上述問(wèn)題，本文研制了一種GIS局部放電帶電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)接口，采用卡式安裝將標(biāo)準(zhǔn)接口固定在盆式絕緣子表面的金屬法蘭上，該接口采用插拔式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹(shù)脂密封澆注口，尺寸設(shè)計(jì)為與特高頻傳感器尺寸相同，接口外部設(shè)計(jì)為合頁(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，鎖緊封蓋并幫助固定傳感器。采用本標(biāo)準(zhǔn)接口可實(shí)現(xiàn)特高頻傳感器與檢測(cè)澆注孔緊密接觸，測(cè)試中免拆裝澆注孔上的封閉金屬片步驟，以及無(wú)需人員手扶特高頻傳感器進(jìn)行檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)操作方便快捷、抗干擾效果良好，提高檢測(cè)的工作效率。

1 接口的組成

1.1 傳統(tǒng)安裝方式

為配合外置式傳感器安裝，目前市面上各GIS廠家采用在制造時(shí)預(yù)留澆注孔的盆式絕緣子，即盆式絕緣子外表面絕大部分被金屬法蘭所包裹，只預(yù)留有澆注孔位置為非屏蔽檢測(cè)點(diǎn)。進(jìn)行GIS局部放電測(cè)試時(shí)，將封閉澆注孔外的金屬片拆除，再將外置特高頻傳感器放置在盆式絕緣子的澆注孔上，通過(guò)檢測(cè)向澆注孔位置輻射的電磁波信號(hào)對(duì)GIS設(shè)備局部放電信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。采用此方法有如下幾種缺點(diǎn)：

測(cè)試時(shí)多使用手持傳感器置于澆注口處，缺少專(zhuān)用傳感器接口。盆式絕緣子制造過(guò)程中的澆注孔大致呈圓角矩形，其長(zhǎng)度為45-55mm，寬度為15-25mm。將外置式特高頻傳感器放置在非標(biāo)準(zhǔn)的澆注孔上檢測(cè)，由于兩者尺寸不同，若傳感器外殼沒(méi)有緊貼澆注孔，澆注孔和傳感器之間存在氣隙，會(huì)造成電磁波發(fā)生衰減，影響測(cè)量效果。

金屬片通常采用緊固螺栓方式封閉澆注孔，局部放電測(cè)試中多次拆裝容易破壞澆注孔密封結(jié)構(gòu)，特別是戶(hù)外的GIS設(shè)備，如澆注孔密封不良，空氣中的水氣、潮氣將進(jìn)入澆注孔內(nèi)，導(dǎo)致盆式絕緣子絕緣強(qiáng)度下降。

GIS設(shè)備數(shù)量眾多，測(cè)試工作量較大，測(cè)試時(shí)需要測(cè)試人員手持傳感器而非自動(dòng)固定裝置，工作強(qiáng)度大，易受各不穩(wěn)定因素干擾，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、工作效率低。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)接口

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種GIS局部放電帶電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)接口，該接口如圖1所示包括用于安裝在盆式絕緣子上的固定板、封裝整個(gè)接口的接口盒和內(nèi)部傳感器緊固裝置。與傳統(tǒng)安裝方式相比，該接口在插入特高頻傳感器時(shí)可緊密貼合與絕緣子澆注口，采用環(huán)氧樹(shù)脂密封而無(wú)需重復(fù)拆裝澆注口上的金屬螺栓，具有自動(dòng)緊固傳感器裝置，現(xiàn)場(chǎng)操作方便快捷、抗干擾效果良好，提高檢測(cè)的工作效率，可實(shí)現(xiàn)GIS局部放電檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，提高GIS局部放電檢測(cè)靈敏度和數(shù)據(jù)的可依賴(lài)性，確保電力主設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)接口圖

2 接口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)接口外部設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)接口盒封裝，如圖2所示，用以無(wú)源外置式特高頻局放傳感器的安裝和測(cè)試。由于外置式特高頻傳感器在檢測(cè)信號(hào)時(shí)易受外界干擾信號(hào)影響，尤其是當(dāng)外部環(huán)境干擾信號(hào)與局放信號(hào)具有某些類(lèi)似圖譜特征時(shí)，GIS在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)誤判，將外部干擾誤認(rèn)為是局放信號(hào)，造成不必要的誤報(bào)警。接口盒的材料選擇304不銹鋼，具有信號(hào)屏蔽性，因此，將整個(gè)特高頻傳感器接口封裝在金屬接口盒內(nèi)，可隔絕外部干擾。

圖2 接口盒外觀圖

同時(shí)，304不銹鋼有硬度高強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的抗破壞性能，起到有效保護(hù)內(nèi)部特高頻傳感器標(biāo)準(zhǔn)接口、環(huán)氧樹(shù)脂板等部件的功能，防止環(huán)氧樹(shù)脂密封蓋板密封受潮氣影響而導(dǎo)致失去密封效果，影響信號(hào)檢測(cè)的靈敏度。同時(shí)，接口盒側(cè)面設(shè)有用于電纜穿出孔，可供測(cè)試電纜穿出，可搭載不同直徑尺寸的測(cè)試電纜。

2.2 卡式安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3為固定板，接口盒需通過(guò)底部的固定板牢牢安裝于盆式絕緣子的固定位置，固定板與盆式絕緣子之間采用金屬法蘭螺栓固定方式，固定板四角有螺孔，其尺寸與金屬法蘭盆子上螺栓相匹配，通過(guò)卡接結(jié)構(gòu)與盆式絕緣子上的法蘭螺栓緊固，保證測(cè)試接口盒牢固安裝于盆式絕緣子上，確保內(nèi)部接口正常使用，不受外力的影響而松動(dòng)脫落。同時(shí)，將測(cè)試接口盒安裝在盆式絕緣子固定位置，有助于實(shí)現(xiàn)GIS局部放電檢測(cè)位置的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化管理，提高GIS局部放電檢測(cè)靈敏度和數(shù)據(jù)的可依賴(lài)性。

圖3 固定板

2.3 降噪自編碼器蓋板壓緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

接口盒上蓋為鉸鏈旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，如圖4所示，以鉸鏈為軸，通過(guò)旋轉(zhuǎn)上蓋實(shí)現(xiàn)接口盒的開(kāi)啟和關(guān)閉，簡(jiǎn)單方便快捷。同時(shí)上蓋上設(shè)有鎖扣，上蓋中心設(shè)有壓緊彈簧。當(dāng)進(jìn)行GIS局部放電測(cè)試時(shí)，測(cè)試人員可直接打開(kāi)鎖扣掀開(kāi)封蓋操作，插入特高頻傳感器進(jìn)行測(cè)試后，通過(guò)蓋上上端頂蓋并關(guān)閉鎖扣，上蓋帶動(dòng)壓緊彈簧將提供≥50N的壓力來(lái)壓緊特高頻傳感器，即可實(shí)現(xiàn)特高頻傳感器的自動(dòng)固定，免去了傳統(tǒng)測(cè)試人員手持傳感器的工作方式，大大減少工作強(qiáng)度，節(jié)約時(shí)間。該上蓋也選用304不銹鋼材料，其特性具有屏蔽信號(hào)輻射的功能，降低來(lái)自外部信號(hào)的干擾，成本低廉，具有良好的性能。

圖4 接口盒上蓋

2.4 環(huán)氧樹(shù)脂板設(shè)計(jì)

為了確保插入接口的外置傳感器可以接收并檢測(cè)到所有局部放電信號(hào),接口設(shè)計(jì)尺寸與超高頻傳感器的大小保持吻合,以確保超高頻傳感器密切貼合澆注孔表面,減少電磁波在空氣中衰減。同時(shí)采用環(huán)氧樹(shù)脂板密封澆筑口，采用固定螺母及金屬外殼將環(huán)氧樹(shù)脂板固定于澆注口表面，確保樹(shù)脂板不脫落不損壞。環(huán)氧樹(shù)脂材料具有良好的抗高溫抗潮濕能力，可防止空氣中的潮氣進(jìn)入GIS內(nèi)部影響其性能。同時(shí)又具有良好的穿透性，避免電磁波在傳播過(guò)程中衰減，便于從澆注口向外輻射的電磁波被特高頻傳感器捕獲[3]。使用環(huán)氧樹(shù)脂板密封澆注口可保持長(zhǎng)時(shí)間的有效期，無(wú)需頻繁維修，確保該接口的長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。

2.5 位置標(biāo)識(shí)碼設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)接口上設(shè)置有可識(shí)別測(cè)試部位的標(biāo)識(shí)牌，該標(biāo)識(shí)牌可采用銘牌、位置標(biāo)識(shí)碼或二維碼等形式，與GIS局部放電測(cè)試程序配套使用可實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理，通過(guò)掃碼可以快速定位、導(dǎo)入測(cè)試設(shè)備地址及快速檢索歷史測(cè)試數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理、歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比和缺陷定位，提高測(cè)試數(shù)據(jù)的有效利用，有助于對(duì)歷史測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析總結(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

110kV某變電站110kV GIS設(shè)備安裝了局部放電帶電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)接口，為驗(yàn)證該測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)接口對(duì)于傳感器接收信號(hào)的影響以及對(duì)于外部信號(hào)的抗干擾能力，分別測(cè)試安裝該接口前后傳感器接收到的信號(hào)幅值進(jìn)行比對(duì)。根據(jù)GIS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常發(fā)生局放缺陷的位置主要集中在進(jìn)出線(xiàn)套管、互感器、刀閘及斷路器部件[4]。故測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在以上所述部件氣室的絕緣盆子上。

對(duì)于55×15的澆注口，采用火嘴模擬內(nèi)部局放源和外部干擾信號(hào)，火嘴放置于GIS內(nèi)部，可釋放瞬間的電磁脈沖，從而產(chǎn)生類(lèi)似局放信號(hào)的電磁波。將特高頻傳感器置于環(huán)氧樹(shù)脂板表面，無(wú)需拆裝澆注口，分別檢測(cè)安裝接口前后傳感器接收到的信號(hào)幅值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，圖5（a）為局放源在GIS設(shè)備內(nèi)部時(shí)，傳感器接收到的局放PRPS圖譜，圖5（b）為局放源在GIS設(shè)備外部作為干擾信號(hào)時(shí)，傳感器接收到的局放PRPS圖譜，表1為安裝接口后各參數(shù)對(duì)比，結(jié)果顯示安裝測(cè)試接口后傳感器接收到的信號(hào)幅值明顯高于使用手持傳感器于澆注口測(cè)試，證明使用該接口可有效提升檢測(cè)靈敏度，提高工作效率。安裝測(cè)試接口后傳感器接收到的信號(hào)幅值明顯減弱，證明該接口對(duì)于外界信號(hào)具有良好的屏蔽性，抗干擾能力強(qiáng)。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5（a） 內(nèi)部局放源的信號(hào)對(duì)比

圖5（b） 外部局放源的信號(hào)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究GIS設(shè)備上外置式傳感器傳統(tǒng)安裝方式的不足，設(shè)計(jì)了一種GIS局部放電帶電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)接口，該接口由固定板、固定螺母、特高頻傳感器接口、壓緊彈簧、鉸鏈、測(cè)試接口盒底盒、電纜穿出孔、鎖扣和測(cè)試接口盒上蓋組成。分別闡述了標(biāo)準(zhǔn)接口的外觀設(shè)計(jì)、卡式安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壓緊蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)氧樹(shù)脂密封設(shè)計(jì)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)案例進(jìn)行接口的靈敏性和抗干擾性測(cè)試分析，結(jié)果表明該接口可有效提升檢測(cè)靈敏度，提高工作效率，抗干擾能力強(qiáng)。