崔巨勇，楊 鶴，韋德福，申 煥，師 政

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

GIS現(xiàn)場(chǎng)閃絡(luò)故障定位關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

崔巨勇，楊 鶴，韋德福，申 煥，師 政

（國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

分析了封閉式組合電器（GIS）發(fā)生閃絡(luò)的原因，建立了閃絡(luò)過(guò)程的模型，并采用超聲波的方法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)和定位，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)550 kV GIS設(shè)備在耐壓過(guò)程中進(jìn)行尖端和氣隙閃絡(luò)放電試驗(yàn)，利用該方法對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，驗(yàn)證了該模型和方法的有效性。

GIS；閃絡(luò)；故障定位；超聲波檢測(cè)

隨著我國(guó)智能電網(wǎng)及超高壓、特高壓電力系統(tǒng)建設(shè)的快速發(fā)展，電氣設(shè)備的使用數(shù)量激增的同時(shí)，電壓等級(jí)和設(shè)備的集成度也在不斷提高。GIS因其體積小，絕緣性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的變電站建設(shè)中應(yīng)用廣泛。在實(shí)際運(yùn)行中，GIS設(shè)備經(jīng)常因惡劣天氣、電力系統(tǒng)故障、設(shè)備自身制造工藝缺陷等情況，在高電壓作用下產(chǎn)生沿面閃絡(luò)的現(xiàn)象［1－3］，引起內(nèi)部絕緣擊穿，嚴(yán)重危害系統(tǒng)安全。在設(shè)備交接階段進(jìn)行常規(guī)的交流耐壓試驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備比較嚴(yán)重的外在絕緣缺陷，但對(duì)內(nèi)部的絕緣缺陷檢測(cè)率較低。內(nèi)部絕緣缺陷在設(shè)備新投運(yùn)及運(yùn)行初期對(duì)系統(tǒng)的影響不大，不易察覺(jué)，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行檢修，則會(huì)增加設(shè)備損毀的風(fēng)險(xiǎn)，極大地影響電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性，危及其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行和工作人員的人身安全。

在設(shè)備的交接階段，進(jìn)行耐壓試驗(yàn)的同時(shí)，對(duì)GIS進(jìn)行內(nèi)部絕緣缺陷的排查是保障設(shè)備正常運(yùn)行、延長(zhǎng)使用壽命的重要措施。目前，應(yīng)用于故障檢測(cè)的主要方法有：常規(guī)檢測(cè)法、超高頻檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法、化學(xué)檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法等［4－8］。常規(guī)檢測(cè)法又稱為脈沖電流法，利用耦合電容器對(duì)放電產(chǎn)生的脈沖電流進(jìn)行測(cè)量，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但易受到周圍環(huán)境的電磁干擾，影響檢測(cè)結(jié)果。超高頻檢測(cè)法利用放電產(chǎn)生的超高頻段電磁振波進(jìn)行檢測(cè)，超高頻法對(duì)周圍電磁干擾不敏感，但需要在設(shè)備內(nèi)部安置多個(gè)傳感器，操作復(fù)雜，成本較高。光學(xué)檢測(cè)法靈敏度高，但易受環(huán)境光的影響，現(xiàn)已很少應(yīng)用于電氣設(shè)備的故障檢測(cè)?；瘜W(xué)檢測(cè)法主要檢測(cè)閃絡(luò)使SF6氣體產(chǎn)生分解物SOF2和SO2F2，通過(guò)其含量判斷閃絡(luò)放電，通常檢測(cè)周期較長(zhǎng)，且靈敏度低。

超聲波檢測(cè)法主要通過(guò)檢測(cè)放電時(shí)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，對(duì)閃絡(luò)放電進(jìn)行檢測(cè)和定位，不易受環(huán)境的電磁干擾，且操作方便，已在故障診斷和定位領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，提出了利用超聲波檢測(cè)技術(shù)在交流耐壓試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部絕緣缺陷進(jìn)行同步檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)因絕緣缺陷產(chǎn)生的閃絡(luò)和絕緣擊穿故障點(diǎn)的精確定位，有針對(duì)性地對(duì)缺陷部件進(jìn)行整改，避免了重復(fù)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)對(duì)設(shè)備造成的損傷。在實(shí)驗(yàn)室1臺(tái)550 kV GIS設(shè)備進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)過(guò)程中，采用了該方法對(duì)設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部尖端和氣隙閃絡(luò)的檢測(cè)，并對(duì)閃絡(luò)故障點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性，可在設(shè)備驗(yàn)收和交接階段甄別內(nèi)部絕緣缺陷，并實(shí)現(xiàn)定位，避免設(shè)備帶病入網(wǎng)運(yùn)行，減少系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

1 閃絡(luò)產(chǎn)生的機(jī)理

根據(jù)GIS內(nèi)部構(gòu)造特性，交接階段的交流耐壓試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的閃絡(luò)，多為SF6氣體沿固體絕緣子表面放電所引起。SF6中固體絕緣子放電主要是因?yàn)榻^緣介質(zhì)表面電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生畸變所導(dǎo)致的，由于制造工藝和安裝質(zhì)量問(wèn)題造成絕緣表面有毛刺、灰塵、懸浮顆粒等都將導(dǎo)致耐壓過(guò)程中閃絡(luò)［9］。

SF6氣體中發(fā)生閃絡(luò)時(shí)的閃絡(luò)電壓如下：

式中Uf——閃絡(luò)電壓；

η——絕緣利用系數(shù)；

Ef——閃絡(luò)時(shí)的最大電場(chǎng)強(qiáng)度；

d——?dú)怏w間隙。

Ef與電極和絕緣介質(zhì)表面的粗糙程度有很大關(guān)系，如下式所示：

式中Kh——電極的曲率；

Kf——電極表面的粗糙程度；

Kg——固體介質(zhì)表面的粗糙程度；

p——?dú)怏w壓力。

將式（2）代入式（1）得：

當(dāng)絕緣介質(zhì)受到的電壓值達(dá)到式（4）中的Uf值，就會(huì)在GIS內(nèi)部產(chǎn)生絕緣子沿面閃絡(luò)。

2 超聲波檢測(cè)原理

GIS內(nèi)部絕緣介質(zhì)發(fā)生沿面閃絡(luò)的同時(shí)，也會(huì)以光和聲波的方式向周圍傳播能量。超聲波檢測(cè)法即是利用捕捉這種聲波能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的檢測(cè)和定位。

以GIS內(nèi)部絕緣介質(zhì)上的細(xì)小氣隙為例［10－11］，在放電產(chǎn)生過(guò)程中，氣隙具有的力學(xué)特性滿足式（5）：

式中Lm——力學(xué)等效電路中的電感；

Cm——力學(xué)等效電路中的電容；

Rm——力學(xué)等效電路中的電阻；

Uc——力學(xué)等效電路中電容兩端的電壓。

圖1是力學(xué)過(guò)程等效電路圖，由圖1可知，該過(guò)程是一個(gè)振蕩過(guò)程，因此，式（6）的關(guān)系成立：

圖1 力學(xué)等效電路

發(fā)生振蕩時(shí)，氣隙在力的作用下，產(chǎn)生超聲波向周圍傳播，超聲波的幅值與放電量成正比。

3 耐壓試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)某550 kV GIS進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，同時(shí)利用本文方法對(duì)耐壓過(guò)程產(chǎn)生的GIS內(nèi)部尖端和氣隙閃絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位。圖2是根據(jù)本文方法提出的閃絡(luò)故障定位系統(tǒng)示意圖。

圖2 GIS閃絡(luò)故障定位測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

在此次試驗(yàn)中，利用超聲波檢測(cè)系統(tǒng)（無(wú)線傳輸）定位GIS內(nèi)部閃絡(luò)和絕緣擊穿故障點(diǎn)，試驗(yàn)步驟如下。

a.在升壓前將各檢測(cè)單元布置到設(shè)備上各選定的檢測(cè)點(diǎn)。

b.耐壓開始即啟動(dòng)檢測(cè)，無(wú)線接收各檢測(cè)點(diǎn)傳回的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

c.根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)圖譜中的脈沖特征作定位。

d.移動(dòng)特定檢測(cè)單元，進(jìn)行比較測(cè)量。

圖3為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和檢測(cè)單元，試驗(yàn)過(guò)程如下。

a.內(nèi)部尖端閃絡(luò)。在2號(hào)氣室內(nèi)部放置尖端，并施加工頻耐壓，直至閃絡(luò)放電。

b.內(nèi)部氣體間隙閃絡(luò)。通過(guò)調(diào)節(jié)1號(hào)氣室的隔離開關(guān)動(dòng)靜觸頭間的間距來(lái)人為制造放電源和控制放電電壓，工頻耐壓直至閃絡(luò)放電擊穿；通過(guò)調(diào)節(jié)1號(hào)氣室的隔離開關(guān)動(dòng)靜觸頭之間的間距來(lái)人為制造放電源和控制放電電壓，沖擊耐壓（1 230 kV左右）直至閃絡(luò)放電擊穿。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和檢測(cè)單元

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)后，得到的結(jié)果如表1—3所示，結(jié)果驗(yàn)證了本文方法對(duì)閃絡(luò)故障定位的準(zhǔn)確性和有效性。

表1 內(nèi)部尖端閃絡(luò)故障定位

表2 工頻耐壓氣體間隙閃絡(luò)故障定位

表3 沖擊耐壓氣體間隙閃絡(luò)故障定位

4 結(jié)束語(yǔ)

目前GIS設(shè)備在交接階段的交流耐壓試驗(yàn)過(guò)程中，不能有效地檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部的絕緣缺陷，易導(dǎo)致GIS設(shè)備帶病入網(wǎng)運(yùn)行，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來(lái)隱患。針對(duì)該問(wèn)題，提出了在交流耐壓試驗(yàn)的同時(shí)，利用閃絡(luò)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部因絕緣缺陷導(dǎo)致的閃絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)閃絡(luò)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)550 kV GIS設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)過(guò)程中加入尖端和氣隙閃絡(luò)故障點(diǎn)，對(duì)該方法進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該方法在閃絡(luò)故障檢測(cè)及故障點(diǎn)定位應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和有效性，可在高壓設(shè)備交接試驗(yàn)中推廣，也可應(yīng)用于設(shè)備運(yùn)維階段的故障診斷與定位，為智能檢修提供支撐。

［1］杜曉平，李 濤，陳瑞林.一起220 kV GIS閃絡(luò)故障分析及建議［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（3）：128－132.

［2］韋德福，李 斌，洪 鶴.一起220 kV GIS母線失壓事故分析［J］.東北電力技術(shù)，2015，36（5）：74－76.

［3］朱 毅，吳建軍，李 博，等.GIS設(shè)備超聲波局部放電帶電測(cè)試方法及故障分析［J］.東北電力技術(shù)，2015，36（1）：33－36.

［4］洪 鶴，李 斌，魯旭臣.組合電器狀態(tài)檢測(cè)新技術(shù)在遼寧電網(wǎng)的應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（8）：49－55.

［5］Meijer S，Smit J J，Girodet A.Estimation of UHF signal propa?gation through GIS for sensitive PD detection［C］.Conference recordofIEEEInternationalSymposiumonElectrical Insulation，2002.

［6］黃興泉，郭 琳，李成榕.基于X射線激勵(lì)下的局部放電定位［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，6（4）：1－5.

［7］付文光，楊 玥，韓 磊，等.GIS內(nèi)部放電缺陷的綜合診斷方法與實(shí)踐［J］.電氣技術(shù)，2013，14（2）：44－46.

［8］韓曉昆，閆春江，涂明濤，等.超聲波和超高頻技術(shù)在GIS設(shè)備中的聯(lián)合應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)裝備，2012，11（4）：13－16.

［9］嚴(yán) 璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)（第二版）［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

［10］李 穎.GIS局部放電超聲檢測(cè)技術(shù)的研究及應(yīng)用［D］.大連：大連理工大學(xué)，2014.

［11］劉紹男.超聲波檢測(cè)技術(shù)在GIS設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

Application on GIS Flashover Fault Location Technology

CUI Ju?yong，YANG He，WEI De?fu，SHEN Huan，SHI Zheng
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

The cause of flashover emergence is discussed and the flashover process model is established.Ultrasonic detection method is used to test the flashover fault and locate fault spot.Through an actual 550 kV GIS AC withstand voltage test，the method proposed in this paper is utilized to detect the inside point and gas gap flashover.The result verifies that the proposed model and the test method are feasible and effective in the handover stage test.

GIS；Flashover；Fault location；Ultrasonic testing

TM595

A

1004－7913（2016）08－0059－04

崔巨勇（1978—），男，博士，工程師，主要從事高電壓技術(shù)研究。

2016－05－20）