王江偉，張丕沛，李 杰，汪 鵬，田春曉

（1.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Metal Enclosed Switchgear，GIS）具有占地面積小、安全可靠、檢修維護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)［1］，GIS 設(shè)備將各組成元件封閉組合，受外界環(huán)境影響小，并且噪聲小、電磁干擾弱，后期維護(hù)工作少，因?yàn)樵O(shè)備集成度高，大大降低了設(shè)備的固有安裝距離，由于上述優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)前對(duì)占地面積、環(huán)保、運(yùn)維檢修等方面的要求，因此廣泛應(yīng)用于多種電壓等級(jí)的變電站中。

隨著GIS 裝用量、電壓等級(jí)、系統(tǒng)容量的不斷增加，近幾年連續(xù)發(fā)生多起包括特高壓在內(nèi)的GIS 內(nèi)部放電故障［2］，造成了不同程度的經(jīng)濟(jì)損失，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成隱患［3］。統(tǒng)計(jì)近幾年變電設(shè)備故障情況，330 kV 及以上GIS 設(shè)備故障跳閘情況占比近41%，是引起故障跳閘的主要設(shè)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(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性亟須提高［4］。

提升GIS 設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性一方面需要提高廠內(nèi)生產(chǎn)組裝、現(xiàn)場安裝的工藝水平，另一方面需要提高檢測預(yù)警能力，及時(shí)消除設(shè)備缺陷。因?yàn)镚IS 為全封閉設(shè)備，無法直接觀察內(nèi)部情況，如何檢測內(nèi)部運(yùn)行情況、絕緣狀態(tài)等一直是GIS運(yùn)行維護(hù)的重點(diǎn)工作之一［5］。局部放電檢測是發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷，防止發(fā)生放電故障的有效手段，經(jīng)過多年的推廣應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了大量GIS 內(nèi)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(xù)投運(yùn)，檢測發(fā)現(xiàn)了多起局部放電問題，總結(jié)發(fā)現(xiàn)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(jí)存在一定區(qū)別。特高壓GIS因?yàn)殡妷旱燃?jí)高，運(yùn)行機(jī)理存在一定區(qū)別。絕緣裕度相比低電壓等級(jí)設(shè)備有所降低，使得局部放電信號(hào)的向外傳播情況有所不同。對(duì)于斷路器、隔離開關(guān)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(tǒng)辦法簡化為一維傳播模型會(huì)帶來較大計(jì)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(duì)局部放電的有效檢測和判斷，導(dǎo)致沒有充分發(fā)揮出局部放電檢測的故障預(yù)警作用［6］。因此需要進(jìn)一步研究特高壓GIS局部放電的傳播特性，針對(duì)典型局部放電案例進(jìn)行充分檢測分析，對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)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(jiān)測和帶電檢測結(jié)果，判斷GIS內(nèi)部存在局部放電，通過現(xiàn)場檢查、解體檢查、試驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)了局部放電原因，該原因?qū)е绿馗邏篏IS發(fā)生局部放電為首次確認(rèn)和處理，為特高壓GIS局放檢測和設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

1 局部放電概況

某特高壓變電站1 000 kV GIS 隔離開關(guān)氣室特高頻在線監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，多次進(jìn)行帶電檢測均檢測到內(nèi)部局部放電信號(hào)，經(jīng)過分析確認(rèn)內(nèi)部存在絕緣類局部放電，對(duì)該隔離開關(guān)進(jìn)行整體更換，并對(duì)原隔離開關(guān)進(jìn)行解體檢查和試驗(yàn)研究，以查找局部放電原因。

1.1 在線監(jiān)測情況

2018 年12 月，該隔離開關(guān)臨近氣室特高頻在線監(jiān)測裝置首次出現(xiàn)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(xiàn)頻次較低，每天平均約50 次，自2019 年3 月至2020年1 月，信號(hào)頻發(fā)，每天平均約1 600～8 000 次，自2020 年2 月以來信號(hào)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(jiān)測圖譜如圖3所示。

圖1 該隔離開關(guān)首次告警在線監(jiān)測圖譜

圖2 該隔離開關(guān)每天平均局部放電事件數(shù)

圖3 該隔離開關(guān)停電前在線監(jiān)測信號(hào)圖譜

1.2 帶電檢測情況

2018年12月，對(duì)該氣室進(jìn)行局放檢測，確認(rèn)異常信號(hào)來自設(shè)備內(nèi)部，放電相位較穩(wěn)定，極性效應(yīng)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(hào)定位［8］，特高頻傳感器位置如圖4 所示，特高頻局放信號(hào)波形如圖5 所示。傳感器2 信號(hào)領(lǐng)先傳感器3 信號(hào)7 ns，與傳感器2、3 間距（2.1 m）吻合；傳感器2 信號(hào)領(lǐng)先傳感器1 信號(hào)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(cè)、且離盆式絕緣子距離約0.55 m，位于隔離開關(guān)下部靜觸頭附近。該氣室結(jié)構(gòu)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(hào)波形

圖6 隔離開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

確定異常信號(hào)后，采取每月定期跟蹤復(fù)測的策略，發(fā)現(xiàn)至2020年1月份局放信號(hào)穩(wěn)定存在，從2020年2 月開始，局放信號(hào)頻次降低，且開始出現(xiàn)間歇性特點(diǎn)。綜合在線監(jiān)測和帶電檢測歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合局放圖譜特征和定位結(jié)果，分析認(rèn)為該氣室內(nèi)部存在絕緣類局部放電，需要進(jìn)行停電處理。

2 現(xiàn)場開蓋檢查情況

2.1 隔離開關(guān)氣室檢查情況

打開隔離開關(guān)手孔蓋，如圖7 所示，對(duì)隔離開關(guān)底部絕緣支撐筒進(jìn)行檢查，未見明顯異常，隔離開關(guān)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(guān)底部

2.2 相鄰氣室檢查情況

打開隔離開關(guān)電流互感器側(cè)氣室及母線側(cè)氣室的手孔蓋，檢查兩側(cè)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(cè)盆式絕緣子

圖11 母線側(cè)盆式絕緣

3 返廠解體檢查情況

對(duì)該氣室進(jìn)行返廠解體檢查，進(jìn)行整體局放試驗(yàn)、解體檢查、絕緣件探傷和局部放電試驗(yàn)。

3.1 整體局放試驗(yàn)

局部放電試驗(yàn)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(guān)內(nèi)部局部放電信號(hào)，通過開發(fā)局部放電特高頻原始波形數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)間歇性微弱信號(hào)的準(zhǔn)確捕捉。

特高頻法共捕捉到3 次氣室內(nèi)部的脈沖信號(hào)，說明隔離開關(guān)內(nèi)部仍存在偶發(fā)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(hào)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(jié)果分別如圖16—圖18所示。

圖12 特高頻局部放電信號(hào)波形1

圖13 特高頻局部放電信號(hào)波形2

圖14 特高頻局部放電信號(hào)波形3

圖15 特高頻傳感器布置

圖16 超聲波測試結(jié)果

圖17 脈沖電流法背景值

圖18 脈沖電流法測試結(jié)果

3.2 解體檢查

合閘電阻絕緣支撐桿。拆解合閘電阻，發(fā)現(xiàn)在合閘電阻絕緣支撐桿中部與均壓環(huán)連接部位有多處異常發(fā)黑痕跡［11］，如圖19 和圖20 所示，位置與前期運(yùn)行階段特高頻定位結(jié)果符合，初步判斷為異常局部放電信號(hào)來源。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，合閘電阻外側(cè)絕緣護(hù)套為非緊固狀態(tài)。

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(cè)盆式絕緣子、兩側(cè)絕緣支撐筒、絕緣拉桿、動(dòng)靜觸頭、屏蔽罩、絕緣盆導(dǎo)體插接處，未見明顯異常。依次檢查隔離開關(guān)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(yàn)

對(duì)兩個(gè)盆式絕緣子、絕緣支撐筒進(jìn)行局部放電試驗(yàn)和X 光檢測，局部放電量均為1.5 pC 以下，未發(fā)現(xiàn)絕緣件內(nèi)部缺陷，試驗(yàn)結(jié)果如圖21—圖24所示。

圖21 盆式絕緣子局部放電試驗(yàn)

圖22 絕緣支撐筒局部放電試驗(yàn)

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(yàn)驗(yàn)證

4.1 合閘電阻絕緣支撐桿取樣試驗(yàn)

對(duì)合閘電阻的絕緣支撐桿異常發(fā)黑處取3 段樣本，取樣位置如圖25所示，其中2號(hào)為異常發(fā)黑位置，4號(hào)為人為磨損位置，5號(hào)為正常位置，采用掃描電鏡進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果如表1所示，3處測試結(jié)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(fā)黑位置出現(xiàn)了硫元素，且Ag元素含量較低（均壓環(huán)為鍍銀件）。初步判斷2號(hào)位置存在長時(shí)間低能量的局部放電。

圖28 人為摩擦位置（4號(hào)）

表1 3處取樣位置元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位：%

圖25 絕緣支撐桿取樣位置

圖26 正常位置（5號(hào)）

4.2 模擬局部放電試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定局部放電產(chǎn)生原因，使用絕緣繩將合閘電阻外護(hù)套拉彎，如圖29 所示，使得合閘電阻均壓環(huán)偏離中心位置。

圖29 拉彎合閘電阻外護(hù)套

圖27 異常發(fā)黑位置（2號(hào)）

在762 kV 電壓下進(jìn)行局部放電試驗(yàn)，使用特高頻法檢測到氣室內(nèi)部局部放電信號(hào)，如圖30 所示。相比于未拉彎合閘電阻外護(hù)套時(shí)進(jìn)行的局部放電試驗(yàn)，此次檢測到的特高頻信號(hào)幅值增大，且信號(hào)頻次更高，說明合閘電阻均壓環(huán)的偏心明顯加強(qiáng)了氣室內(nèi)部局部放電。

圖30 特高頻局部放電信號(hào)波形

5 原因分析

現(xiàn)場局部放電檢測定位于隔離開關(guān)下部靜觸頭附近，廠內(nèi)整體局部放電試驗(yàn)檢測到內(nèi)部信號(hào)，且定位位置與現(xiàn)場檢測一致。證明隔離開關(guān)內(nèi)部存在偶發(fā)性的局部放電缺陷。

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

解體過程中發(fā)現(xiàn)，合閘電阻及其均壓環(huán)、外護(hù)套均設(shè)計(jì)為非緊固狀態(tài)，在運(yùn)行過程中受負(fù)荷電流或其他因素影響可能發(fā)生振動(dòng)，均壓環(huán)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(jìn)行的局部放電試驗(yàn)檢測到的特高頻信號(hào)的幅值和頻次明顯變大。

綜上所述，判斷異常原因?yàn)榘惭b過程中合閘電阻的均壓環(huán)與絕緣支撐桿存在摩擦或磕碰，使均壓環(huán)表面金屬物質(zhì)殘留到絕緣支撐桿表面，與均壓環(huán)之間形成懸浮電位，產(chǎn)生局部放電?，F(xiàn)場定位結(jié)果位于隔離開關(guān)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(huán)偏心后局部放電更加明顯，進(jìn)一步說明局部放電信號(hào)由合閘電阻絕緣支撐桿表面金屬殘留物與均壓環(huán)間放電產(chǎn)生。

6 結(jié)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(yàn)驗(yàn)證、原因分析全部環(huán)節(jié)，確認(rèn)局部放電信號(hào)由合閘電阻絕緣支撐桿表面金屬殘留物與均壓環(huán)間放電產(chǎn)生，該原因?qū)е绿馗邏篏IS 發(fā)生局部放電為首次確認(rèn)和處理。

該問題的處理對(duì)完善特高壓GIS 局部放電檢測方法，指導(dǎo)現(xiàn)場帶電檢測和完善GIS 設(shè)計(jì)具有重要意義。特高壓GIS 電壓等級(jí)高、振動(dòng)幅度大，相比于低電壓等級(jí)設(shè)備，誘發(fā)局部放電的因素更多。為提高特高壓GIS的安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，在GIS設(shè)計(jì)方面，需要完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)場強(qiáng)控制，優(yōu)化場強(qiáng)分布，除絕緣設(shè)計(jì)外，需要重視機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)非固定部件進(jìn)行充分理論論證和試驗(yàn)驗(yàn)證，充分考慮特高壓GIS運(yùn)行條件下振動(dòng)大的特點(diǎn)，防止非固定部件因?yàn)檎駝?dòng)摩擦等原因產(chǎn)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(duì)局部放電問題進(jìn)行充分檢測分析，及時(shí)消除設(shè)備缺陷，通過解體檢查和試驗(yàn)檢測確認(rèn)局部放電源頭，在檢測過程中充分考慮特高壓GIS 特點(diǎn)，結(jié)合內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行綜合診斷，并且注重不同檢測手段的聯(lián)合分析。