特高壓變電站1 000 kV GIS局部放電問題分析

王江偉，張丕沛，李 杰，汪 鵬，田春曉

（1.山東電力研究院，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Metal Enclosed Switchgear，GIS）具有占地面積小、安全可靠、檢修維護工作量小的優點［1］，GIS 設備將各組成元件封閉組合，受外界環境影響小，并且噪聲小、電磁干擾弱，后期維護工作少，因為設備集成度高，大大降低了設備的固有安裝距離，由于上述優點，符合當前對占地面積、環保、運維檢修等方面的要求，因此廣泛應用于多種電壓等級的變電站中。

隨著GIS 裝用量、電壓等級、系統容量的不斷增加，近幾年連續發生多起包括特高壓在內的GIS 內部放電故障［2］，造成了不同程度的經濟損失，給電網安全穩定運行造成隱患［3］。統計近幾年變電設備故障情況，330 kV 及以上GIS 設備故障跳閘情況占比近41%，是引起故障跳閘的主要設備，故障率為0.18 次（/百間隔·年），故障原因包括異物放電、裝配安裝工藝不良、組部件缺陷等原因，GIS 設備的運行穩定性亟須提高［4］。

提升GIS 設備的運行穩定性一方面需要提高廠內生產組裝、現場安裝的工藝水平，另一方面需要提高檢測預警能力，及時消除設備缺陷。因為GIS 為全封閉設備，無法直接觀察內部情況，如何檢測內部運行情況、絕緣狀態等一直是GIS運行維護的重點工作之一［5］。局部放電檢測是發現內部缺陷，防止發生放電故障的有效手段，經過多年的推廣應用，發現了大量GIS 內部缺陷，消除了大量安全隱患。近幾年隨著特高壓變電站的持續投運，檢測發現了多起局部放電問題，總結發現特高壓GIS局部放電在傳播特性和分析診斷上與其他電壓等級存在一定區別。特高壓GIS因為電壓等級高，運行機理存在一定區別。絕緣裕度相比低電壓等級設備有所降低，使得局部放電信號的向外傳播情況有所不同。對于斷路器、隔離開關等部位，徑向與軸向比例增大，在局部放電定位過程中按照傳統辦法簡化為一維傳播模型會帶來較大計算誤差。這些變化為特高壓GIS局部放電檢測帶來一定障礙，影響了對局部放電的有效檢測和判斷，導致沒有充分發揮出局部放電檢測的故障預警作用［6］。因此需要進一步研究特高壓GIS局部放電的傳播特性，針對典型局部放電案例進行充分檢測分析，對GIS設備進行解體尋找局部放電源頭，提高局部放電檢測水平。

介紹一起特高壓GIS 局部放電問題，綜合在線監測和帶電檢測結果，判斷GIS內部存在局部放電，通過現場檢查、解體檢查、試驗驗證確認了局部放電原因，該原因導致特高壓GIS發生局部放電為首次確認和處理，為特高壓GIS局放檢測和設計提供了指導。

1 局部放電概況

某特高壓變電站1 000 kV GIS 隔離開關氣室特高頻在線監測系統持續發出報警信號，多次進行帶電檢測均檢測到內部局部放電信號，經過分析確認內部存在絕緣類局部放電，對該隔離開關進行整體更換，并對原隔離開關進行解體檢查和試驗研究，以查找局部放電原因。

1.1 在線監測情況

2018 年12 月，該隔離開關臨近氣室特高頻在線監測裝置首次出現局放告警，PRPS、PRPD 圖譜如圖1所示。自2018年12月至2019年2月，局放脈沖出現頻次較低，每天平均約50 次，自2019 年3 月至2020年1 月，信號頻發，每天平均約1 600～8 000 次，自2020 年2 月以來信號較前期頻次明顯降低，每天平均約200 次，變化趨勢如圖2 所示。停電前在線監測圖譜如圖3所示。

圖1 該隔離開關首次告警在線監測圖譜

圖2 該隔離開關每天平均局部放電事件數

圖3 該隔離開關停電前在線監測信號圖譜

1.2 帶電檢測情況

2018年12月，對該氣室進行局放檢測，確認異常信號來自設備內部，放電相位較穩定，極性效應明顯，幅值具有一定的分散性，判斷為絕緣缺陷放電［7］。

開展特高頻局放信號定位［8］，特高頻傳感器位置如圖4 所示，特高頻局放信號波形如圖5 所示。傳感器2 信號領先傳感器3 信號7 ns，與傳感器2、3 間距（2.1 m）吻合；傳感器2 信號領先傳感器1 信號5 ns，傳感器1、2 間距2.6 m，判斷局放源位于傳感器2處盆式絕緣子左側、且離盆式絕緣子距離約0.55 m，位于隔離開關下部靜觸頭附近。該氣室結構如圖6所示，靜觸頭附件有合閘電阻、絕緣支撐桿、絕緣支撐筒及盆式絕緣子，懷疑為放電部件。

圖4 特高頻檢測傳感器位置

圖5 特高頻局放信號波形

圖6 隔離開關內部結構

確定異常信號后，采取每月定期跟蹤復測的策略，發現至2020年1月份局放信號穩定存在，從2020年2 月開始，局放信號頻次降低，且開始出現間歇性特點。綜合在線監測和帶電檢測歷史數據，結合局放圖譜特征和定位結果，分析認為該氣室內部存在絕緣類局部放電，需要進行停電處理。

2 現場開蓋檢查情況

2.1 隔離開關氣室檢查情況

打開隔離開關手孔蓋，如圖7 所示，對隔離開關底部絕緣支撐筒進行檢查，未見明顯異常，隔離開關底部其他位置未見異常，如圖8所示。

圖7 手孔蓋位置

圖8 隔離開關底部

2.2 相鄰氣室檢查情況

打開隔離開關電流互感器側氣室及母線側氣室的手孔蓋，檢查兩側盆式絕緣子，檢查位置如圖9 所示，未見明顯異常，如圖10、圖11所示。

圖9 相鄰氣室檢查位置

圖10 電流互感器側盆式絕緣子

圖11 母線側盆式絕緣

3 返廠解體檢查情況

對該氣室進行返廠解體檢查，進行整體局放試驗、解體檢查、絕緣件探傷和局部放電試驗。

3.1 整體局放試驗

局部放電試驗在762 kV 下保持1 h，利用特高頻法、超聲波法、脈沖電流法檢測隔離開關內部局部放電信號，通過開發局部放電特高頻原始波形數據采集裝置，實現對間歇性微弱信號的準確捕捉。

特高頻法共捕捉到3 次氣室內部的脈沖信號，說明隔離開關內部仍存在偶發性的局部放電缺陷［9-10］，放電位置位于靜觸頭附近，特高頻信號波形如圖12—圖14 所示，特高頻傳感器布置如圖15 所示，超聲波法和脈沖電流法未見明顯異常，檢測結果分別如圖16—圖18所示。

圖12 特高頻局部放電信號波形1

圖13 特高頻局部放電信號波形2

圖14 特高頻局部放電信號波形3

圖15 特高頻傳感器布置

圖16 超聲波測試結果

圖17 脈沖電流法背景值

圖18 脈沖電流法測試結果

3.2 解體檢查

合閘電阻絕緣支撐桿。拆解合閘電阻，發現在合閘電阻絕緣支撐桿中部與均壓環連接部位有多處異常發黑痕跡［11］，如圖19 和圖20 所示，位置與前期運行階段特高頻定位結果符合，初步判斷為異常局部放電信號來源。同時發現，合閘電阻外側絕緣護套為非緊固狀態。

圖19 拆解合閘電阻

圖20 絕緣桿多處異常痕跡

其他部位檢查。檢查兩側盆式絕緣子、兩側絕緣支撐筒、絕緣拉桿、動靜觸頭、屏蔽罩、絕緣盆導體插接處，未見明顯異常。依次檢查隔離開關絕緣支撐筒底腳螺栓力矩，力矩值均符合180 N要求。

3.3 絕緣件試驗

對兩個盆式絕緣子、絕緣支撐筒進行局部放電試驗和X 光檢測，局部放電量均為1.5 pC 以下，未發現絕緣件內部缺陷，試驗結果如圖21—圖24所示。

圖21 盆式絕緣子局部放電試驗

圖22 絕緣支撐筒局部放電試驗

圖23 盆式絕緣子X光檢測

圖24 絕緣支撐筒X光檢測

4 試驗驗證

4.1 合閘電阻絕緣支撐桿取樣試驗

對合閘電阻的絕緣支撐桿異常發黑處取3 段樣本，取樣位置如圖25所示，其中2號為異常發黑位置，4號為人為磨損位置，5號為正常位置，采用掃描電鏡進行成分分析，分析結果如表1所示，3處測試結果具體如圖26—圖28 所示。正常絕緣桿僅存在C、O、F 和Al 4種元素［12］；與人為摩擦位置相比，異常發黑位置出現了硫元素，且Ag元素含量較低（均壓環為鍍銀件）。初步判斷2號位置存在長時間低能量的局部放電。

圖28 人為摩擦位置（4號）

表1 3處取樣位置元素質量分數 單位：%

圖25 絕緣支撐桿取樣位置

圖26 正常位置（5號）

4.2 模擬局部放電試驗

為進一步確定局部放電產生原因，使用絕緣繩將合閘電阻外護套拉彎，如圖29 所示，使得合閘電阻均壓環偏離中心位置。

圖29 拉彎合閘電阻外護套

圖27 異常發黑位置（2號）

在762 kV 電壓下進行局部放電試驗，使用特高頻法檢測到氣室內部局部放電信號，如圖30 所示。相比于未拉彎合閘電阻外護套時進行的局部放電試驗，此次檢測到的特高頻信號幅值增大，且信號頻次更高，說明合閘電阻均壓環的偏心明顯加強了氣室內部局部放電。

圖30 特高頻局部放電信號波形

5 原因分析

現場局部放電檢測定位于隔離開關下部靜觸頭附近，廠內整體局部放電試驗檢測到內部信號，且定位位置與現場檢測一致。證明隔離開關內部存在偶發性的局部放電缺陷。

合閘電阻絕緣支撐桿表面存在異常發黑痕跡，成分分析結果顯示，異常發黑處不是由于均壓環磨損產生的，且存在硫元素，說明異常發黑位置為放電所致。

解體過程中發現，合閘電阻及其均壓環、外護套均設計為非緊固狀態，在運行過程中受負荷電流或其他因素影響可能發生振動，均壓環偏離中心位置，與合閘電阻絕緣支撐桿間距縮短，在該種情況下進行的局部放電試驗檢測到的特高頻信號的幅值和頻次明顯變大。

綜上所述，判斷異常原因為安裝過程中合閘電阻的均壓環與絕緣支撐桿存在摩擦或磕碰，使均壓環表面金屬物質殘留到絕緣支撐桿表面，與均壓環之間形成懸浮電位，產生局部放電。現場定位結果位于隔離開關靜觸頭附近，與合閘電阻絕緣支撐桿所在位置相符合，且均壓環偏心后局部放電更加明顯，進一步說明局部放電信號由合閘電阻絕緣支撐桿表面金屬殘留物與均壓環間放電產生。

6 結語

介紹一起特高壓GIS 局部放電問題處理過程，涵蓋局部放電檢測和判斷、解體檢查、試驗驗證、原因分析全部環節，確認局部放電信號由合閘電阻絕緣支撐桿表面金屬殘留物與均壓環間放電產生，該原因導致特高壓GIS 發生局部放電為首次確認和處理。

該問題的處理對完善特高壓GIS 局部放電檢測方法，指導現場帶電檢測和完善GIS 設計具有重要意義。特高壓GIS 電壓等級高、振動幅度大，相比于低電壓等級設備，誘發局部放電的因素更多。為提高特高壓GIS的安全穩定運行水平，在GIS設計方面，需要完善結構設計，加強場強控制，優化場強分布，除絕緣設計外，需要重視機械結構設計，對非固定部件進行充分理論論證和試驗驗證，充分考慮特高壓GIS運行條件下振動大的特點，防止非固定部件因為振動摩擦等原因產生局部放電。在局部放電檢測方面，重視特高壓GIS局部放電檢測工作，對局部放電問題進行充分檢測分析，及時消除設備缺陷，通過解體檢查和試驗檢測確認局部放電源頭，在檢測過程中充分考慮特高壓GIS 特點，結合內部構造進行綜合診斷，并且注重不同檢測手段的聯合分析。