趙 琳，邵先軍，王紹安，陳孝信，鄭文哲

(國(guó)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(gè)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(zhǎng)期承受著高氣壓、高電壓，若其發(fā)生閃絡(luò)故障，將會(huì)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(cè)及診斷盆式絕緣子的絕緣性能是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)一起550 kV GIS 母線特高頻局部放電(簡(jiǎn)稱(chēng)局放)缺陷的分析，綜合運(yùn)用特高頻局放現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)、局放重癥長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)、示波器時(shí)差定位等技術(shù)，判斷出缺陷類(lèi)型以及定位出信號(hào)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(chǎng)多種檢測(cè)手段相結(jié)合對(duì)GIS 絕緣氣隙類(lèi)局放診斷的有效性。

1 盆式絕緣子常規(guī)檢測(cè)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(chǎng)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(guò)X 射線來(lái)檢查。X 射線是一種多角度透視成像、配合專(zhuān)用圖像處理與識(shí)別技術(shù)的“可視化”檢測(cè)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(cè)手段受儀器功率影響，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)效率低且存在輻射風(fēng)險(xiǎn)。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(cè)是其主要的絕緣測(cè)試方法。該方法靈敏度高，能定量檢測(cè)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(chǎng)很難開(kāi)展脈沖電流法局放測(cè)試。

目前，GIS 設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝投運(yùn)后主要的局放檢測(cè)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(wú)任何聯(lián)系，因此超聲波檢測(cè)具有較強(qiáng)的抗電氣干擾能力，但超聲局放信號(hào)在GIS 絕緣件中的衰減較大，絕緣類(lèi)缺陷很難通過(guò)超聲波局放檢測(cè)檢出。特高頻檢測(cè)對(duì)GIS 絕緣類(lèi)信號(hào)比較敏感，且頻帶通常在300 ～1 500 MHz，可以有效避開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)電暈放電等低頻電磁干擾，在GIS 設(shè)備絕緣類(lèi)局放信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。但特高頻檢測(cè)只能定性分析，無(wú)法判別缺陷的嚴(yán)重程度，定位精度有限。

局放重癥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為移動(dòng)式多頻段局放在線監(jiān)測(cè)手段，可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)部局放信號(hào)同源性比較以及局放干擾信號(hào)判別，可有效判斷內(nèi)部是否存在放電信號(hào)，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(hào)的場(chǎng)景。該系統(tǒng)有效彌補(bǔ)了GIS 設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和常規(guī)局放檢測(cè)的不足，減輕試驗(yàn)人員的負(fù)擔(dān)，為實(shí)時(shí)精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)高效地監(jiān)測(cè)GIS 運(yùn)行狀態(tài)提供助力。

2 故障母線現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)

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(cè)試驗(yàn)合格后出廠，并在2019 年6 月投運(yùn)。在運(yùn)行過(guò)程中的某次帶電檢測(cè)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(hào)，遂對(duì)其展開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)診斷性檢測(cè)。

2.1 特高頻局放傳感器布置

2023-06-03，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)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(gè)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(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 特高頻局放傳感器布置

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

2.2 特高頻局放圖譜分析

通過(guò)對(duì)比各測(cè)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(wú)明顯放電信號(hào)，且在同一時(shí)刻其他測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到的異常放電信號(hào)明顯異于背景信號(hào)，可排除外界信號(hào)的干擾；各測(cè)點(diǎn)內(nèi)置傳感器均能檢測(cè)到特征類(lèi)似的特高頻局放信號(hào)，一、三象限PRPD 圖譜呈幅值一大一小的2 簇弧形；對(duì)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(lèi)缺陷。此外，在相鄰500 kV I 母B、C 相進(jìn)行特高頻檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異常。

2.3 超聲波局放檢測(cè)

利用超聲波局放測(cè)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(cè)，但未檢測(cè)到異常信號(hào)，分析認(rèn)為由于超聲波局放檢測(cè)對(duì)絕緣類(lèi)缺陷的敏感性較低導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)出此缺陷。

3 局放重癥監(jiān)測(cè)分析

3.1 局放重癥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

局放重癥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)多源裝置集成和多狀態(tài)量交互的狀態(tài)檢測(cè)及診斷分析來(lái)實(shí)時(shí)、全面的監(jiān)測(cè)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(tái)數(shù)據(jù)分析及健康診斷平臺(tái)構(gòu)成。前端傳感器可同時(shí)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(hào)，通過(guò)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(hào)的電平自動(dòng)觸發(fā)完成信號(hào)的捕獲并進(jìn)行降噪、濾波、識(shí)別和存儲(chǔ)，還可計(jì)算局部放電脈沖的幅值、功率、頻次、首半波時(shí)長(zhǎng)、全時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)，記錄工頻相位、到達(dá)時(shí)間、原始波形等信息作為診斷依據(jù)；最后通過(guò)光纖將結(jié)果送至后臺(tái)完成數(shù)據(jù)分析及專(zhuān)家系統(tǒng)健康診斷，實(shí)現(xiàn)超前預(yù)警及主動(dòng)運(yùn)維。

圖2 局放重癥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 局放重癥監(jiān)測(cè)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(cè)裝置對(duì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行特高頻局放長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)。PRPD 圖譜顯示該故障為絕緣氣隙類(lèi)缺陷，各測(cè)點(diǎn)信號(hào)特征相似，監(jiān)測(cè)期間信號(hào)圖譜無(wú)明顯變化，分析結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)帶電檢測(cè)結(jié)果基本一致。圖3 中4 個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的局放信號(hào)一致，由于測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2 空間位置較高，環(huán)境噪聲干擾較小，因此該信號(hào)呈間歇性產(chǎn)生，且集中在零時(shí)至12 時(shí)；測(cè)點(diǎn)3 信號(hào)幅值最大，測(cè)點(diǎn)2 次之，判斷信號(hào)源離測(cè)點(diǎn)3 最近；各測(cè)點(diǎn)信號(hào)幅值動(dòng)態(tài)變化在4 db，幅值較為穩(wěn)定。

圖3 各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的特高頻放電趨勢(shì)累計(jì)

4 缺陷定位及信號(hào)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(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)刻集中零時(shí)至12 時(shí)。為提高現(xiàn)場(chǎng)缺陷定位效率，選擇上午9 時(shí)至12 時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。利用高速示波器通過(guò)測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3 對(duì)局部放電源進(jìn)行診斷定位，氣室尺寸及測(cè)點(diǎn)布置如圖4 所示。通過(guò)比較信號(hào)波頭時(shí)間可知：測(cè)試點(diǎn)2 領(lǐng)先于測(cè)點(diǎn)1 約2.5 ns，測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 距離約23.80 m，通過(guò)測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 的時(shí)差計(jì)算(忽略GIS 氣室的稍不對(duì)稱(chēng)性)，結(jié)合氣室實(shí)際尺寸，判斷局放信號(hào)源位于測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 之間，距離測(cè)點(diǎn)2 約11.53 m，大致位于母線紅色盆式絕緣子處；測(cè)點(diǎn)3 領(lǐng)先于測(cè)點(diǎn)1 約16.33 ns，測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)3 距離約17.90 m，通過(guò)測(cè)試點(diǎn)1 和3 時(shí)差計(jì)算，判斷局放信號(hào)源位于測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)3 之間，距離測(cè)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(cè)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(shí)差結(jié)果，判斷出局放信號(hào)源位于T 型結(jié)構(gòu)紅色盆式絕緣子附近，該處距離測(cè)點(diǎn)3 較近，與重癥監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合。

4.2 信號(hào)頻譜分析

為進(jìn)一步判斷信號(hào)源是否具有局放典型放電頻譜特征，對(duì)測(cè)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(hào)分別進(jìn)行頻譜分析。測(cè)點(diǎn)1、2、3 處信號(hào)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(hào)典型頻譜特征，而背景信號(hào)無(wú)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(hào)的真實(shí)性。

5 內(nèi)檢與返廠試驗(yàn)分析

5.1 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)蓋內(nèi)檢結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)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(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)。特高頻法測(cè)試的結(jié)果呈絕緣類(lèi)圖譜特征，脈沖電流法與特高頻局放的結(jié)果趨勢(shì)一致，呈現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)類(lèi)似的絕緣放電信號(hào)。

5.3 X 射線與工業(yè)CT 測(cè)試

對(duì)該異常盆式絕緣子開(kāi)展X 射線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)存在多處淺色線狀條紋，分析是環(huán)氧樹(shù)脂固化環(huán)節(jié)產(chǎn)生的縮痕；隨后利用工業(yè)CT 對(duì)該盆式絕緣子多個(gè)截面進(jìn)行檢測(cè)，觀察到絕緣子內(nèi)部?jī)蓚€(gè)區(qū)域存在3 處較為明顯的微裂紋，長(zhǎng)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(chǎng)檢測(cè)與診斷的真實(shí)案例，得出了以下結(jié)論。

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

2) 局放重癥監(jiān)測(cè)可彌補(bǔ)在線監(jiān)測(cè)和帶電檢測(cè)手段的不足，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)，累積PRPD 圖譜可有效識(shí)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(lái)判斷缺陷發(fā)展情況，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步診斷及定位分析。

3) 通過(guò)特高頻局放現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、局放重癥監(jiān)測(cè)、時(shí)差法精確定位等多種手段可有效識(shí)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(guò)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。