GIS盆式絕緣子內(nèi)部氣隙放電檢測與診斷

趙 琳，邵先軍，王紹安，陳孝信，鄭文哲

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)具有集成化好、占地少、可靠性高、受外界環(huán)境影響小等特點(diǎn)，目前在110 kV 及以上變電站中廣泛應(yīng)用，其運(yùn)行可靠性將直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。盆式絕緣子是GIS 中重要的組成部分，起著電氣絕緣、機(jī)械固定和隔離氣室的作用，長期承受著高氣壓、高電壓，若其發(fā)生閃絡(luò)故障，將會導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備與線路全停。因此，如何更加有效地檢測及診斷盆式絕緣子的絕緣性能是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

通過對一起550 kV GIS 母線特高頻局部放電(簡稱局放)缺陷的分析，綜合運(yùn)用特高頻局放現(xiàn)場帶電檢測、局放重癥長時監(jiān)測、示波器時差定位等技術(shù)，判斷出缺陷類型以及定位出信號源位置(母線盆式絕緣子)；再利用內(nèi)檢與返廠試驗(yàn)分析，確定了其內(nèi)部的缺陷，驗(yàn)證了現(xiàn)場多種檢測手段相結(jié)合對GIS 絕緣氣隙類局放診斷的有效性。

1 盆式絕緣子常規(guī)檢測分析

根據(jù)多起盆式絕緣子的故障分析，盆式絕緣子缺陷產(chǎn)生的原因主要有廠內(nèi)絕緣件澆筑工藝差、出廠試驗(yàn)把控不嚴(yán)、現(xiàn)場安裝工藝管控不到位等。

廠內(nèi)絕緣件澆筑質(zhì)量一般可通過X 射線來檢查。X 射線是一種多角度透視成像、配合專用圖像處理與識別技術(shù)的“可視化”檢測手段，可有效發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子內(nèi)部的氣泡等，但該檢測手段受儀器功率影響，現(xiàn)場檢測效率低且存在輻射風(fēng)險。在GIS 絕緣件的出廠試驗(yàn)中，結(jié)合工頻耐壓試驗(yàn)進(jìn)行基于脈沖電流法的局部放電檢測是其主要的絕緣測試方法。該方法靈敏度高，能定量檢測絕緣件局放量，但受試驗(yàn)工裝限制及環(huán)境干擾大的影響，現(xiàn)場很難開展脈沖電流法局放測試。

目前，GIS 設(shè)備現(xiàn)場安裝投運(yùn)后主要的局放檢測手段有超聲波法和特高頻法。由于超聲波傳感器與GIS 設(shè)備的電氣回路之間無任何聯(lián)系，因此超聲波檢測具有較強(qiáng)的抗電氣干擾能力，但超聲局放信號在GIS 絕緣件中的衰減較大，絕緣類缺陷很難通過超聲波局放檢測檢出。特高頻檢測對GIS 絕緣類信號比較敏感，且頻帶通常在300 ～1 500 MHz，可以有效避開現(xiàn)場電暈放電等低頻電磁干擾，在GIS 設(shè)備絕緣類局放信號的現(xiàn)場檢測和定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。但特高頻檢測只能定性分析，無法判別缺陷的嚴(yán)重程度，定位精度有限。

局放重癥監(jiān)測系統(tǒng)作為移動式多頻段局放在線監(jiān)測手段，可進(jìn)行長時的實(shí)時監(jiān)測。系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部局放信號同源性比較以及局放干擾信號判別，可有效判斷內(nèi)部是否存在放電信號，特別適用于GIS 設(shè)備內(nèi)部存在疑似間歇性較強(qiáng)局放信號的場景。該系統(tǒng)有效彌補(bǔ)了GIS 設(shè)備在線監(jiān)測和常規(guī)局放檢測的不足，減輕試驗(yàn)人員的負(fù)擔(dān)，為實(shí)時精準(zhǔn)、動態(tài)高效地監(jiān)測GIS 運(yùn)行狀態(tài)提供助力。

2 故障母線現(xiàn)場帶電檢測

某550 kV GIS 設(shè)備于2017 年2 月廠內(nèi)耐壓、局放及X 射線檢測試驗(yàn)合格后出廠，并在2019 年6 月投運(yùn)。在運(yùn)行過程中的某次帶電檢測中發(fā)現(xiàn)該GIS 的I 母A 相壓變氣室存在異常特高頻局放信號，遂對其展開了現(xiàn)場診斷性檢測。

2.1 特高頻局放傳感器布置

2023-06-03，現(xiàn)場開展故障GIS 設(shè)備的特高頻局放診斷分析。利用該母線間隔附近3 個內(nèi)置特高頻傳感器分別接入特高頻局放診斷儀進(jìn)行局放檢測，測點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 特高頻局放傳感器布置

其中，測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 為500 kV I 母A 相內(nèi)置傳感器，測點(diǎn)3 為500 kV I 母壓變A 相內(nèi)置傳感器。同時，測點(diǎn)3 附近布置外置傳感器測點(diǎn)測量環(huán)境背景，用來避免外部干擾導(dǎo)致的局放檢測誤判。

2.2 特高頻局放圖譜分析

通過對比各測點(diǎn)局部放電脈沖序列(PRPS)和相位分布(PRPD)圖譜可知：由于背景傳感器無明顯放電信號，且在同一時刻其他測點(diǎn)檢測到的異常放電信號明顯異于背景信號，可排除外界信號的干擾；各測點(diǎn)內(nèi)置傳感器均能檢測到特征類似的特高頻局放信號，一、三象限PRPD 圖譜呈幅值一大一小的2 簇弧形；對比典型缺陷的圖譜特征可知該圖譜屬于典型的絕緣氣隙類缺陷。此外，在相鄰500 kV I 母B、C 相進(jìn)行特高頻檢測，未發(fā)現(xiàn)異常。

2.3 超聲波局放檢測

利用超聲波局放測試儀在缺陷定位的盆式絕緣子附近進(jìn)行超聲波局部放電檢測，但未檢測到異常信號，分析認(rèn)為由于超聲波局放檢測對絕緣類缺陷的敏感性較低導(dǎo)致無法檢測出此缺陷。

3 局放重癥監(jiān)測分析

3.1 局放重癥監(jiān)測系統(tǒng)原理

局放重癥監(jiān)測系統(tǒng)通過多源裝置集成和多狀態(tài)量交互的狀態(tài)檢測及診斷分析來實(shí)時、全面的監(jiān)測GIS 的運(yùn)行狀態(tài)，其架構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)主要由前端局放傳感器(特高頻、高頻、超聲波等)、數(shù)據(jù)傳輸通道、就地采集單元、后臺數(shù)據(jù)分析及健康診斷平臺構(gòu)成。前端傳感器可同時獲取設(shè)備內(nèi)部絕緣超聲波、特高頻及高頻局放等多種信號，通過同軸電纜傳輸至就地采集單元；就地采集單元能夠根據(jù)輸入脈沖信號的電平自動觸發(fā)完成信號的捕獲并進(jìn)行降噪、濾波、識別和存儲，還可計(jì)算局部放電脈沖的幅值、功率、頻次、首半波時長、全時長等參數(shù)，記錄工頻相位、到達(dá)時間、原始波形等信息作為診斷依據(jù)；最后通過光纖將結(jié)果送至后臺完成數(shù)據(jù)分析及專家系統(tǒng)健康診斷，實(shí)現(xiàn)超前預(yù)警及主動運(yùn)維。

圖2 局放重癥監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 局放重癥監(jiān)測分析

2023-06-04—2023-06-07，停電更換了該處盆式絕緣子，采用重癥監(jiān)測裝置對4 個測點(diǎn)進(jìn)行特高頻局放長時監(jiān)測。PRPD 圖譜顯示該故障為絕緣氣隙類缺陷，各測點(diǎn)信號特征相似，監(jiān)測期間信號圖譜無明顯變化，分析結(jié)論與現(xiàn)場帶電檢測結(jié)果基本一致。圖3 中4 個測點(diǎn)測得的局放信號一致，由于測點(diǎn)1、測點(diǎn)2 空間位置較高，環(huán)境噪聲干擾較小，因此該信號呈間歇性產(chǎn)生，且集中在零時至12 時；測點(diǎn)3 信號幅值最大，測點(diǎn)2 次之，判斷信號源離測點(diǎn)3 最近；各測點(diǎn)信號幅值動態(tài)變化在4 db，幅值較為穩(wěn)定。

圖3 各測點(diǎn)監(jiān)測到的特高頻放電趨勢累計(jì)

4 缺陷定位及信號頻譜分析

4.1 特高頻局放源定位

根據(jù)上述局放重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)特高頻長時監(jiān)測結(jié)果，該相GIS 母線內(nèi)部存在間歇性絕緣缺陷放電，且放電時刻集中零時至12 時。為提高現(xiàn)場缺陷定位效率，選擇上午9 時至12 時進(jìn)行檢測。利用高速示波器通過測點(diǎn)1、測點(diǎn)2、測點(diǎn)3 對局部放電源進(jìn)行診斷定位，氣室尺寸及測點(diǎn)布置如圖4 所示。通過比較信號波頭時間可知：測試點(diǎn)2 領(lǐng)先于測點(diǎn)1 約2.5 ns，測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2 距離約23.80 m，通過測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2 的時差計(jì)算(忽略GIS 氣室的稍不對稱性)，結(jié)合氣室實(shí)際尺寸，判斷局放信號源位于測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2 之間，距離測點(diǎn)2 約11.53 m，大致位于母線紅色盆式絕緣子處；測點(diǎn)3 領(lǐng)先于測點(diǎn)1 約16.33 ns，測點(diǎn)2 和測點(diǎn)3 距離約17.90 m，通過測試點(diǎn)1 和3 時差計(jì)算，判斷局放信號源位于測點(diǎn)2 和測點(diǎn)3 之間，距離測點(diǎn)3 約6.50 m，大致位于母線紅色盆式絕緣子處。

圖4 氣室結(jié)構(gòu)尺寸及定位測點(diǎn)

為防止單次定位起始點(diǎn)選取的偏差，進(jìn)行多次定位，結(jié)果一致性較好。綜上，基于高速示波器時差結(jié)果，判斷出局放信號源位于T 型結(jié)構(gòu)紅色盆式絕緣子附近，該處距離測點(diǎn)3 較近，與重癥監(jiān)測結(jié)果吻合。

4.2 信號頻譜分析

為進(jìn)一步判斷信號源是否具有局放典型放電頻譜特征，對測點(diǎn)1、2、3 內(nèi)置特高頻傳感器及背景傳感器高速示波器采集的原始信號分別進(jìn)行頻譜分析。測點(diǎn)1、2、3 處信號頻譜均呈寬頻特征，頻帶主要分布在500 MHz ～1.5 GHz，符合特高頻局部放電信號典型頻譜特征，而背景信號無相關(guān)典型特征，進(jìn)一步確認(rèn)了內(nèi)部特高頻局放信號的真實(shí)性。

5 內(nèi)檢與返廠試驗(yàn)分析

5.1 現(xiàn)場開蓋內(nèi)檢結(jié)果

現(xiàn)場開蓋內(nèi)檢發(fā)現(xiàn)該盆式絕緣子表面存在多處條狀異常紋路，其中一條紋路的折彎處存在黑色痕跡。此外，盆子邊緣接近法蘭位置有多處凹陷痕跡。

5.2 盆式絕緣子耐壓和局放試驗(yàn)

為進(jìn)一步分析故障，將疑似局放缺陷的盆式絕緣子拆解返廠，并在廠內(nèi)工裝試驗(yàn)形態(tài)下開展相關(guān)試驗(yàn)。特高頻法測試的結(jié)果呈絕緣類圖譜特征，脈沖電流法與特高頻局放的結(jié)果趨勢一致，呈現(xiàn)與現(xiàn)場類似的絕緣放電信號。

5.3 X 射線與工業(yè)CT 測試

對該異常盆式絕緣子開展X 射線檢測，發(fā)現(xiàn)存在多處淺色線狀條紋，分析是環(huán)氧樹脂固化環(huán)節(jié)產(chǎn)生的縮痕；隨后利用工業(yè)CT 對該盆式絕緣子多個截面進(jìn)行檢測，觀察到絕緣子內(nèi)部兩個區(qū)域存在3 處較為明顯的微裂紋，長度約在50 ～120 mm，分析此微裂紋為盆式絕緣子產(chǎn)生局放的原因。

6 結(jié)論

基于550 kV GIS 盆式絕緣子內(nèi)部氣隙放電現(xiàn)場檢測與診斷的真實(shí)案例，得出了以下結(jié)論。

1) 現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)了一起550 kV GIS 設(shè)備存在異常特高頻局放信號，經(jīng)檢測定位至盆式絕緣子處，特高頻圖譜呈絕緣氣隙類放電缺陷。

2) 局放重癥監(jiān)測可彌補(bǔ)在線監(jiān)測和帶電檢測手段的不足，通過長時監(jiān)測，累積PRPD 圖譜可有效識別GIS 內(nèi)部間歇性放電缺陷，并根據(jù)放電平均幅值、放電脈沖頻次來判斷缺陷發(fā)展情況，指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)一步診斷及定位分析。

3) 通過特高頻局放現(xiàn)場檢測、局放重癥監(jiān)測、時差法精確定位等多種手段可有效識別發(fā)現(xiàn)GIS 內(nèi)部氣隙放電，為進(jìn)一步診斷分析提供參考。

4) 通過返廠試驗(yàn)、X 射線和工業(yè)CT 檢查等手段驗(yàn)證了盆式絕緣子存在內(nèi)部絕緣缺陷，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在多處微裂紋和表面縮痕，其中微裂紋是導(dǎo)致局部放電的主要原因。