高 竣,邱 煒,蔡 川,劉 鑫,郭 超,石凱萌,陳星宇,何 凱,陳 佳

(國(guó)網(wǎng)四川電力公司成都供電公司,四川 成都 610041)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchger,GIS)因占地面積小、可靠性高、安裝方便、檢修周期長(zhǎng)、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn),自20世紀(jì)60年代實(shí)用化以來(lái),迅速在世界各國(guó)的電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。僅以國(guó)網(wǎng)成都供電公司為例,目前GIS變電站數(shù)量占60%以上,并且每年新投變電站基本以GIS為主。但是GIS緊湊的結(jié)構(gòu)也帶來(lái)一些問(wèn)題,由于其內(nèi)部空間狹小,內(nèi)部的電場(chǎng)相對(duì)集中,一旦因安裝工藝不良出現(xiàn)毛刺、金屬顆粒或者接觸不良等情況,容易造成局部放電,進(jìn)而引發(fā)設(shè)備事故[6-9]。而對(duì)于GIS設(shè)備,母線、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、接地開關(guān)、避雷器等設(shè)備全部密封在封閉罐體中,一旦出現(xiàn)故障,通常導(dǎo)致的停電范圍較大且檢修流程復(fù)雜、平均停電檢修時(shí)間較長(zhǎng)[10-13]。

GIS局部放電會(huì)在內(nèi)部以及周圍空間中產(chǎn)生聲、光、電磁波等一系列物理或化學(xué)變化,通過(guò)檢測(cè)這些信號(hào),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)GIS 內(nèi)部缺陷[14-17]。研究表明,大約有60%的局部放電在發(fā)展成故障之前是可以通過(guò)局部放電檢測(cè)提前發(fā)現(xiàn)的[18]。因此,開展局部放電檢測(cè)對(duì)保證GIS設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

下面介紹一起利用特高頻檢測(cè)技術(shù)在某變電站成功發(fā)現(xiàn)110 kV GIS盆式絕緣子局部放電的案例。首先,詳細(xì)闡述了放電的發(fā)現(xiàn)以及精準(zhǔn)定位的過(guò)程,并利用GIS重癥系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè);最后,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開罐檢查驗(yàn)證了GIS設(shè)備放電的存在和放電點(diǎn)的位置,有效避免了一起電力事故的發(fā)生。

1 帶電檢測(cè)異常情況

1.1 設(shè)備基本概況

帶電檢測(cè)異常設(shè)備為某220 kV變電站110 kV GIS設(shè)備。該設(shè)備為三相共箱式結(jié)構(gòu),即A、B、C 三相設(shè)備在同一個(gè)罐體中,型號(hào)為ZF12-126(L),額定電壓為126 kV,額定電流為3150 A,生產(chǎn)廠家為河南平高電氣股份有限公司,投運(yùn)日期為2018年。

1.2 帶電檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

1.2.1 缺陷發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)

在對(duì)某220 kV變電站110 kV GIS設(shè)備進(jìn)行帶電檢測(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)1號(hào)主變壓器101間隔幾乎所有盆式絕緣子處均檢測(cè)到異常特高頻信號(hào),圖譜特征基本保持一致,如圖1所示,僅幅值略有不同,各部位幅值如圖2所示。檢測(cè)當(dāng)日環(huán)境溫度為15 ℃,空氣濕度為65%,天氣晴。

圖1 異常特高頻信號(hào)

圖2 各盆式絕緣子處異常特高頻信號(hào)幅值分布

從圖1(a)可以看出,各盆式絕緣子處檢測(cè)的特高頻信號(hào)圖譜在整個(gè)工頻周期內(nèi)集中表現(xiàn)為兩簇放電信號(hào),放電幅值較大,但是幅值分散。而懸浮類放電相位分布的脈沖序列(phase resolve piuse sequence,PRPS)譜圖一般具有“內(nèi)八字”或“外八字”分布特征,因此初步判斷疑似為絕緣類(沿面或者氣隙)放電特征。此外,在空氣背景中未檢測(cè)到異常特高頻信號(hào),如圖1(b)所示,因此可以判斷該放電信號(hào)來(lái)自于GIS設(shè)備內(nèi)部。同時(shí),從1013隔離開關(guān)氣室側(cè)分別往兩側(cè)移動(dòng)傳感器時(shí),盆式絕緣子處上檢測(cè)到的信號(hào)幅值呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),根據(jù)幅值定位初步可以判斷該放電信號(hào)可能位于1013隔離開關(guān)氣室。對(duì)該間隔各氣室進(jìn)行超聲波檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)。

1.2.2 放電源定位

為了進(jìn)一步確定放電源在GIS中的準(zhǔn)確位置,采用時(shí)差法來(lái)進(jìn)行定位,定位原理如圖3所示。通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳感器之間距離L,在示波器上讀取兩個(gè)通道信號(hào)的時(shí)差Δt,并設(shè)放電源到較近的傳感器的距離為x,則可通過(guò)式(1)計(jì)算出放電源位置[19-20]。

圖3 時(shí)差定位原理

(1)

式中:c為電磁波在GIS內(nèi)部傳播速度,3×108m/s;t1和t2分別為兩個(gè)傳感器接收到電磁波信號(hào)的時(shí)間。

現(xiàn)場(chǎng)時(shí)差定位的傳感器布置如所圖4所示,考慮特高頻檢測(cè)幅值較大的位置在1號(hào)至4號(hào)盆式絕緣子之間,因此將一個(gè)特高頻傳感器放置于1號(hào)盆式絕緣子處,另一個(gè)傳感器放置于4號(hào)盆式絕緣子處。通過(guò)示波器捕捉兩個(gè)位置檢測(cè)到信號(hào)的時(shí)間差,如所圖5所示,再根據(jù)式(1)計(jì)算出放電源位置。此外,為了提高時(shí)差定位的準(zhǔn)確性,反復(fù)多次調(diào)整改變傳感器的位置對(duì)放電源進(jìn)行時(shí)差定位,最終定位放電源位于1013隔離開關(guān)氣室,并且距離2號(hào)盆式絕緣子大約5 cm處。由于特征圖譜顯示放電為絕緣類,推測(cè)可能1013隔離開關(guān)氣室靠近2號(hào)盆式絕緣子處存在絕緣類缺陷。

圖4 時(shí)差定位傳感器布置

圖5 時(shí)差關(guān)系

1.2.3 SF6分解產(chǎn)物分析

放電源定位后,對(duì)1013隔離開關(guān)氣室氣體進(jìn)行SF6分解產(chǎn)物測(cè)試與分析,同時(shí)檢測(cè)了其他正常隔離開關(guān)氣室并進(jìn)行了對(duì)比。檢測(cè)結(jié)果顯示,1013隔離開關(guān)氣室與正常氣室均未檢測(cè)到SO2及H2S產(chǎn)物,主要原因可能是局部放電的能量較低,未使SF6氣體發(fā)生分解。

2 異常信號(hào)跟蹤監(jiān)測(cè)

由于該站的負(fù)荷較重,處理該缺陷涉及用戶停電,因此采取暫不處理繼續(xù)監(jiān)視運(yùn)行。但是,為了實(shí)時(shí)跟蹤該異常信號(hào)的發(fā)展情況,避免缺陷持續(xù)發(fā)展導(dǎo)致設(shè)備擊穿引發(fā)停電事故,在該間隔裝設(shè)了用于GIS設(shè)備特高頻實(shí)時(shí)檢測(cè)的重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng),如圖6所示。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集間隔內(nèi)各盆式絕緣子處的特高頻信號(hào),一旦幅值達(dá)到設(shè)置的報(bào)警閾值,即可發(fā)送報(bào)警信號(hào)至監(jiān)控人的手機(jī)進(jìn)行短信提醒。

圖6 GIS重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

GIS重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的跟蹤監(jiān)測(cè)分析比較發(fā)現(xiàn):該間隔特高頻異常信號(hào)保持穩(wěn)定,幅值雖然存在一定波動(dòng),但是未出現(xiàn)明顯增大的情況;放電特征也和前期的檢測(cè)結(jié)果保持一致。這說(shuō)明該放電未進(jìn)一步發(fā)展處于平穩(wěn)狀態(tài),因此仍繼續(xù)監(jiān)視運(yùn)行,在后續(xù)負(fù)荷較輕時(shí)再申請(qǐng)停電進(jìn)行開罐解體檢修。

圖7 GIS重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)圖譜

此外,根據(jù)重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),還可以發(fā)現(xiàn)頻率特性1(50 Hz頻率相關(guān)性)和頻率特性2(100 Hz頻率相關(guān)性)交替領(lǐng)先現(xiàn)象,說(shuō)明可能存在兩種類型的放電,比如尖端放電(對(duì)應(yīng)50 Hz頻率相關(guān)性)和絕緣類放電(對(duì)應(yīng)100 Hz頻率相關(guān)性)。每次頻率特性2領(lǐng)先頻率特性1的時(shí)候,均出現(xiàn)在在放電次數(shù)較多的情況下,也是放電幅值突然變大的地方,并且持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng);而在大多數(shù)情況放電次數(shù)少的時(shí)候,則是頻率特性1領(lǐng)先頻率特性2,放電的幅值也一直保持穩(wěn)定。因此可推測(cè)其中對(duì)應(yīng)頻率特性2的放電存在間歇性且幅值相對(duì)較大,而對(duì)應(yīng)頻率特性1的放電一直持續(xù)存在,但是幅值相對(duì)較小。綜合判斷該放電類型可能為持續(xù)尖端和間隙性的絕緣類兩種放電形態(tài)的疊加。

3 開罐解體檢查以及原因分析

兩年后,由于該站的負(fù)荷部分轉(zhuǎn)移到了其他站,遂申請(qǐng)停電對(duì)1013隔離開關(guān)氣室進(jìn)行開罐解體檢查。打開該隔離開關(guān)氣室下部的吸附劑蓋板,檢查整個(gè)氣室內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部金屬部件松動(dòng)或其他放電痕跡,僅發(fā)現(xiàn)了B相盆式絕緣子與高壓導(dǎo)體的交界處存在膠合不良(A、C相均未發(fā)現(xiàn))有表面剝離的現(xiàn)象,如圖8(b)所示,而且縫隙處存在明顯的黑色的放電痕跡,如圖8(c)所示。

圖8 1013隔離開關(guān)氣室放電痕跡

分析造成這些現(xiàn)象的原因:首先,由于B相盆式絕緣子與高壓導(dǎo)體膠合不好,可能在交界面處造成一些微小的毛刺凸起,這些毛刺在電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生尖端放電;其次,如果中心導(dǎo)體與絕緣體之間結(jié)合不良或者發(fā)生剝離,在交界面還會(huì)形成一些微小氣隙,當(dāng)電場(chǎng)達(dá)到一定程度時(shí)造成氣隙放電。根據(jù)前期的重癥監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的圖譜分析,該缺陷類型可能為尖端和絕緣類放電的綜合,與開罐的檢查結(jié)果一致。

此外,文獻(xiàn)[21-22]也發(fā)現(xiàn)了上述類型的放電缺陷,放電特征圖譜和放電位置均和所述案例基本一致。這也說(shuō)明該類型故障不是個(gè)例,根本原因是制造工藝控制不良,這需要加強(qiáng)入網(wǎng)設(shè)備驗(yàn)收以及在運(yùn)設(shè)備的隱患排查工作。

將1013隔離開關(guān)氣室的缺陷盆式絕緣子更換后,又對(duì)該GIS間隔進(jìn)行了交流耐壓試驗(yàn),試驗(yàn)電壓為184 kV,試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)該間隔GIS設(shè)備進(jìn)行了局部放電信號(hào)監(jiān)測(cè),未發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)。在該GIS間隔再次帶電投運(yùn)后,依舊定期進(jìn)行局部放電信號(hào)跟蹤檢測(cè),但是始終未檢測(cè)到異常信號(hào)。這表明該氣室放電缺陷已被成功消除。

4 結(jié) 論

上面通過(guò)特高頻局部放電檢測(cè)技術(shù),成功發(fā)現(xiàn)并定位了一起110 kV GIS盆式絕緣子局部放電缺陷,通過(guò)解體檢查和處理,得到如下結(jié)論和建議:

1)基于巡檢發(fā)現(xiàn)的盆式絕緣子處的異常特高頻信號(hào),利用特征圖譜分析、時(shí)差定位等手段確定了GIS內(nèi)部存在絕緣類放電,并通過(guò)開罐解體檢查驗(yàn)證了帶電檢測(cè)分析的結(jié)論。這證明了帶電檢測(cè)可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)GIS內(nèi)部存在局部放電的潛伏性缺陷。

2)盆式絕緣子放電原因?yàn)榕枋浇^緣子與隔離開關(guān)導(dǎo)電桿之間膠合處的裝配工藝不良,使得該部位出現(xiàn)毛刺和氣隙,形成不均勻強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致局部放電。建議設(shè)備運(yùn)維單位對(duì)同廠家、同類型、同批次的GIS設(shè)備逐一開展帶電檢測(cè)排查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)類似缺陷隱患,防止事故發(fā)生。

3)GIS的安裝工藝不良會(huì)對(duì)GIS設(shè)備的運(yùn)行埋下極大的安全隱患,應(yīng)加強(qiáng)GIS設(shè)備安裝階段的技術(shù)監(jiān)督,尤其是在運(yùn)維階段容易出現(xiàn)問(wèn)題的部位或者部件應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)驗(yàn)收和把關(guān)。