GIS組合電器內(nèi)部放電診斷試驗(yàn)及原因分析

吳 星，劉志剛，饒鴻猷，潘春暉

（江西省送變電工程有限公司， 江西 南昌 330032）

0 前言

GIS因免維護(hù)且占地面積小，被越來越多新建工程特別是城市電網(wǎng)建設(shè)選用，但隨著GIS設(shè)備推廣，異常事件增多，GIS日常例試定檢逐漸引起關(guān)注，開展帶電檢測工作是目前日常運(yùn)維的主要方式，GIS帶電檢測項(xiàng)目主要有SF6成分分析、SF6微水檢測、特高頻局放檢測、超聲波局放檢測等，但受設(shè)備及人員影響，帶電檢測的實(shí)施效果有所差異，文中介紹了一起利用特高頻局放檢測和超聲波局放檢測兩種方法聯(lián)合成功診斷并定位的典型案例，為現(xiàn)場開展帶電檢測工作提供先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)[1-5]。

1 故障經(jīng)過

2月24日，對某500 kV變電站220 kV GIS進(jìn)行帶電檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)220 kVⅡ母電壓互感器A相氣室存在局放信號異常，確認(rèn)放電位置為220 kV GIS II母A相母線電壓互感器A相氣室法蘭與下方盆式絕緣子連接處，初步判斷為金屬墊片等異物引起的懸浮放電，建議立即停電處理。3月7日，對500 kV某變電站220 kV GIS II母A相母線電壓互感器氣室進(jìn)行了更換。3月21日對更換下來的電壓互感器進(jìn)行了返廠解體，法蘭與下方盆式絕緣子連接處發(fā)現(xiàn)放電痕跡，罐體內(nèi)有尼龍螺栓、墊片等異物掉落，墊片表面也存在放電痕跡，與局放試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。3月30日，按照交接試驗(yàn)規(guī)程對再次更換的電壓互感器氣室進(jìn)行了局放試驗(yàn)，未檢測到異常局部放電信號，設(shè)備投運(yùn)。

2 帶電局部放電檢測情況

2.1 檢測對象

220 kVⅡ母線電壓互感器A相氣室，設(shè)備型號JDQXH-220，結(jié)構(gòu)為單相內(nèi)敷式，生產(chǎn)廠家：平高集團(tuán)有限公司，出廠時(shí)間：2016年5月。設(shè)備外形及測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 設(shè)備外觀圖及測點(diǎn)布置圖

特高頻信號檢測位置：1）A相電壓互感器連接刀閘氣室的盆式絕緣子澆注口；2）A相避雷器氣室連接刀閘氣室的盆式絕緣子澆注口；3）A相電壓互感器靠隔離開關(guān)的內(nèi)置傳感器；4）刀閘氣室靠近電壓互感器氣室的非氣隔絕緣子澆注口。

檢測項(xiàng)目：1）特高頻局放檢測；2）超聲波局放檢測；3）SF6氣體濕度及成分檢測。

2.2 檢測儀器及裝置

檢測儀器信息見表1。

表1 檢測儀器信息

2.3 特高頻局部放電檢測

采用PDS-T90對GIS進(jìn)行特高頻局部放電檢測，測試儀選擇高通濾波模式。在A相隔離開關(guān)處的內(nèi)置特高頻傳感器處（圖1中3號測點(diǎn)）檢測到的放電信號（特高頻PRPD及PRPS圖譜）如圖2所示，放電間隔比較均勻，信號幅值為67 dB，一個(gè)工頻周期有兩簇放電信號，相位穩(wěn)定，具有一定的對稱性，與懸浮電位典型圖譜具有很高的相似性。

圖2 A相隔離開關(guān)內(nèi)置特高頻傳感器處特高頻PRPD及PRPS圖譜

檢查空氣背景信號如圖3所示，未檢測到明顯放電信號說明局部放電來自于GIS內(nèi)部。

圖3 空氣背景信號特高頻PRPD及PRPS圖譜

在B、C相隔離開關(guān)的內(nèi)置特高頻傳感器處也檢測到的放電信號，信號幅值依次減小分別為63 dB、62 dB，圖4為B相特高頻PRPD及PRPS圖譜。檢測電壓互感器A、B、C相盆式絕緣子澆注口處（圖1中1號測點(diǎn)）特高頻信號，信號幅值依次減小分別63 dB、62 dB、51 dB，根據(jù)幅值定位法，判斷放電位置在A相。

圖4 B相隔離開關(guān)內(nèi)置特高頻傳感器處特高頻PRPD及PRPS圖譜

2.4 超聲波局放檢測

采用AIA-（2）對GIS進(jìn)行超聲波局放檢測，超聲波信號檢測位置如圖5所示。

圖5 超聲波傳感器測點(diǎn)布置圖

超聲波測點(diǎn)位置：1）電壓互感器A相氣室下方法蘭靠近盆式絕緣子處測點(diǎn)（最強(qiáng)信號點(diǎn)）；2）法蘭水平面其他測點(diǎn)；3）盆式絕緣子下方的法蘭測點(diǎn)；4）最強(qiáng)信號點(diǎn)對側(cè)測點(diǎn)。

1號測點(diǎn)的超聲波經(jīng)過軸向和徑向多點(diǎn)測量對比，超聲波信號（10 kHz～100 kHz）最強(qiáng)，幅值達(dá)100 mV，100 Hz相關(guān)性強(qiáng)，所測相位圖譜的每簇信號與懸浮電位典型圖譜具有很高的相似性，且A相超聲波信號最強(qiáng)點(diǎn)處局部放電幅值達(dá)到100 mV（＞20 mV），如圖6、圖7所示。

圖6 1號測點(diǎn)信號圖譜

圖7 1號測點(diǎn)相位圖譜

2號測點(diǎn)的超聲波信號（10 kHz～100 kHz）強(qiáng)度為40 mV，相比較明顯減少，如圖8、圖9所示。3號測點(diǎn)的超聲波信號（10 kHz～100 kHz）強(qiáng)度為5 mV，幅值很小。4號測點(diǎn)的超聲波信號強(qiáng)度（10 kHz～100 kHz）為13 mV。根據(jù)幅值定位法，判斷放電位置在1號測點(diǎn)附近。

圖8 2號測點(diǎn)信號圖譜

圖9 2號測點(diǎn)相位圖譜

對1號測點(diǎn)的50 kHz～100 kHz超聲波信號檢查，如圖10、圖11所示，幅值達(dá)50 mV，相較之前10 kHz～100 kHz幅值100 mV，減小較大，說明放電點(diǎn)靠近罐體外殼。

圖10 1號測點(diǎn)的50kHz～100kHz信號圖譜

圖11 1號測點(diǎn)的50kHz～100kHz相位圖譜

2.5 聲電聯(lián)合、電電聯(lián)合試驗(yàn)

聲電聯(lián)合試驗(yàn)，使用PDS-G1500儀器同時(shí)接三個(gè)信號。三個(gè)信號分別是A相電壓互感器連接刀閘氣室的盆式絕緣子澆注口的特高頻信號（圖1中1號測點(diǎn)、黃色波形），A相隔離開關(guān)處的內(nèi)置特高頻傳感器的信號（圖1中3號測點(diǎn)、綠色波形），220 kVⅡ母母線電壓互感器盆式絕緣子處的超聲波信號（圖5中1號測點(diǎn)、紫色波形）。檢測到存在最大400 mV周期性放電信號，三個(gè)信號都具有100 Hz周期性，如圖12所示。

圖12 特高頻信號與超聲信號

檢查超聲波脈沖信號波形，如圖13所示，超聲波局部放電信號（紫色波形信號）與特高頻局部放電信號（黃、綠色波形信號）時(shí)間間隔相差11.6μs，A相內(nèi)置傳感器特高頻波形信號和B相內(nèi)置傳感器波形信號時(shí)間是同步的。可以知道超聲波的聲信號比特高頻的電信號延遲了11.6μs，由于電信號傳播的速度3×108 m/s遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲信號的速度，可以認(rèn)定檢測到的電信號的時(shí)間就是局部放電源放電的時(shí)間，聲信號在鋁合金罐體中的傳播速度大約是6 400 m/s，于是通過計(jì)算可得放電點(diǎn)距離超聲波傳感器7.42 cm。

圖13 超聲波脈沖信號波形

電電聯(lián)合試驗(yàn)，使用PDS-G1500儀器同時(shí)接兩個(gè)信號。信號分別是A相隔離開關(guān)處的內(nèi)置特高頻傳感器的信號（圖1中3號測點(diǎn)、黃色波形），220 kVⅡ母母線電壓互感器盆式絕緣子澆注口的特高頻信號（圖1中1號測點(diǎn)、綠色波形）。如圖14所示，黃色波形信號與綠色波形信號時(shí)間間隔相差10.6 ns，電信號傳播的速度為3×108 m/s，通過計(jì)算可得兩個(gè)檢測點(diǎn)距離相差3.18 m。實(shí)際現(xiàn)場兩個(gè)特高頻傳感器之間的距離為3.2 m，由此可知兩個(gè)特高頻的局部放電信號是同源信號。

圖14 特高頻脈沖信號波形

2.6 試驗(yàn)結(jié)論及建議

超聲局放檢測與特高頻檢測能同時(shí)檢測到有局部放電信號，采用聲電聯(lián)合和電電聯(lián)合定位，可以判斷220 kV GIS II母A相母線電壓互感器氣室法蘭與下方盆式絕緣子連接靠徑向7.4 cm處存在放電，放電原因可能是遺落的螺絲、墊片或者螺栓松動(dòng)導(dǎo)致的懸浮放電。

建議：根據(jù)《Q/GDW 11059.1—2018氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備局部放電帶電測試技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用導(dǎo)則第1部分超聲波法》，當(dāng)220 kV GIS設(shè)備懸浮電位放電信號幅值Vpeak＞20 mV，應(yīng)停電處理。220 kVⅡ母母線電壓互感器A相氣室法蘭與下方盆式絕緣子相連的處幅值達(dá)100 mV，應(yīng)及時(shí)停電進(jìn)行解體處理。在未停電處理前，運(yùn)行中加強(qiáng)監(jiān)測，宜每月進(jìn)行一次特高頻、超聲波、SF6組分、微水帶電檢測。

3 返廠解體檢查情況

對220 kV GIS II母A相母線電壓互感器氣室進(jìn)行了更換后，為驗(yàn)證局部放電檢測結(jié)論及確認(rèn)電壓互感器是否存在缺陷，3月27日，對更換下來的第一臺(tái)電壓互感器進(jìn)行了返廠解體（見圖15）。

圖15 更換及返廠解體圖片

3.1 電壓互感器結(jié)構(gòu)

JDQXH-220型電壓互感器如圖16所示（倒裝），主要由絕緣子、屏蔽管、一次引線、均壓罩、一次及二次繞組、側(cè)屏蔽板、底屏蔽板、鐵芯、二次接線盤、爆破片、吸附劑及外筒體組成。

圖16 JDQXH-220型電壓互感器

其中，高壓部分為一次引線、絕緣子電聯(lián)接、屏蔽管及均壓罩，其余部位均為低壓端。均壓罩為均勻電場作用，屏蔽管、側(cè)屏蔽板、底屏蔽板起屏蔽PT結(jié)構(gòu)尖端作用。側(cè)屏蔽板與底屏蔽板通過接地線進(jìn)行連接接地。

3.2 解體情況

PT解體前，對需拆除的連接部位進(jìn)行劃線標(biāo)記，明確拆解位置，便于分析放電原因（見圖17）。

圖17 解體前標(biāo)記放電部位

盆式絕緣子表面靠近罐體法蘭處發(fā)現(xiàn)黑色放電分解物，與盆式絕緣子連接的罐體法蘭對應(yīng)位置處也發(fā)現(xiàn)黑色分解物（見圖18）。

圖18 黑色放電分解物

盆式絕緣子表面此處黑色分解物分布形成圓形圖案與墊片尺寸相似（疑似此處存在墊片），如圖19所示。

圖19 盆式絕緣子表面黑色分解物分布

罐體底部發(fā)現(xiàn)散落三副尼龍螺栓（尼龍螺栓、螺帽、墊片、彈片）異物，尼龍螺栓都已斷裂（見圖20）

圖20 罐體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的斷裂的尼龍螺栓

檢查發(fā)現(xiàn)電壓互感器繞組兩側(cè)低壓屏蔽罩存在三處尼龍螺栓缺失，與掉落在罐體底部的三副斷裂尼龍螺栓對應(yīng)，且高壓屏蔽罩存在明顯偏移，未正中安裝（見圖21）。

圖21 低壓屏蔽罩存在三處尼龍螺栓缺失

發(fā)現(xiàn)一處墊片表面有明顯放電痕跡（見圖22）。

圖22 墊片上存在燒蝕痕跡

3.3 解體檢查結(jié)論

解體檢查情況說明，罐體法蘭與下方盆式絕緣子連接處存在放電，放電原因?yàn)榻饘賶|片引起的懸浮放電。

解體檢查得到的結(jié)論與局放試驗(yàn)結(jié)論吻合，解體檢查的放電位置與局放試驗(yàn)確定的局放源位置吻合。

4 故障原因分析

結(jié)合解體發(fā)現(xiàn)的尼龍螺栓斷裂情況，判斷運(yùn)輸過程中碰撞導(dǎo)致尼龍螺栓斷裂，墊片掉落，在電壓互感器運(yùn)行過程中產(chǎn)生懸浮放電。尼龍螺栓斷裂暴露出以下可能的問題：

1）三處尼龍螺栓若為運(yùn)輸過程中斷裂，廠家確實(shí)存在運(yùn)輸過程中未安裝三維沖撞記錄儀的情況，應(yīng)立即整改。

2）交接試驗(yàn)未嚴(yán)格按照試驗(yàn)要求執(zhí)行，出現(xiàn)墊片掉落情況，耐壓試驗(yàn)和局放試驗(yàn)都未檢測出異常。

3）廠家這種尼龍螺栓設(shè)計(jì)是否存在強(qiáng)度不夠等設(shè)計(jì)問題，也未就尼龍螺栓在多大碰撞力下會(huì)斷裂的情況進(jìn)行試驗(yàn)分析，生產(chǎn)運(yùn)輸安裝過程中無相對應(yīng)的管控要求。

5 結(jié)語

該次事件是一起通過帶電檢測成功發(fā)現(xiàn)220 kV GIS內(nèi)部放電典型案例，利用特高頻局放檢測和超聲波局放檢測兩種方法聯(lián)合成功診斷并定位某500 kV變電站220 kV GIS電壓互感器氣室內(nèi)部懸浮性放電事件，對故障電壓互感器氣室進(jìn)行返廠解體檢查，確認(rèn)了內(nèi)部存在金屬墊片脫落引起懸浮放電，與局放檢測結(jié)果完全一致。說明了特高頻局放檢測和超聲波局放檢測的有效性和必要性。