GIS 典型空穴放电的特高频现场检测

陈 隽，刘 帆，吴传奇，夏 天，朱世明，白 尧，李劲彬, 陈 敏

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

全封闭组合电器（GIS）由于占地面积小，抗干扰能力强，安装方便等优点，已广泛应用于电力系统中，其安全运行对电力系统的安全和稳定具有重要意义。GIS的故障多为绝缘性故障，局部放电是绝缘性故障的重要征兆和表现形式。对GIS的局部放电进行带电检测，可以及时有效的发现其内部缺陷，是GIS状态监测的发展方向[1]。

目前，GIS局部放电的检测方法较多，特高频检测法是GIS缺陷识别和精确定位的最有效方法。国内外的学者在实验室中对各缺陷类型模型均已开展大量的试验研究[2-10]。试验表明绝缘件的空穴型局部放电是最适宜特高频检测的GIS典型缺陷之一。实验室内的模拟对象通常为理想对象，而现场检测中出现的GIS部件空穴缺陷更为复杂，国内开展了大量现场的GIS特高频局部放电检测，发现了大量典型的局部放电缺陷，部分现场的缺陷还得到了解体验证，促进了GIS局部放电带电检测的发展[11-13]。

本文通过对一次典型的GIS空穴放电进行特高频检测，分析了该典型缺陷下的特高频信号幅值、相位和频率等特征参数，并通过时差法对缺陷的位置进行定位，通过停电后的现场解体验证了对检测结果的分析和判断，并解释了该典型空穴型局部放电的产生机理，为广泛开展GIS特高频带电检测和局部放电在线监测的专家诊断系统提供了现场经验。

1 设备情况

本文的典型现场检测在湖北电网500 kV咸宁变完成，HGIS为西安西开的HGIS，型号CB550-Ⅲ，断路器为双断口型式，2005年11月出厂，2006年7月投运。检测出缺陷信号的是咸5023间隔的C相，其具体布置形式和外观如图1所示。其结构形式为中间是断路器灭弧室，向端部依次为电流互感器隔离刀闸和出线套管，图中的红色边带为分隔气室的盆式绝缘子。

图1 咸5023C相各盆式绝缘子名称Fig.1 The disc insulators of Xian 5023C

2 特高频现场检测

特高频信号必须透过非金属屏蔽的部分从GIS内部传播出来，本次检测主要从盆式绝缘子处测量，测量的三处盆式绝缘子的编号和具体位置如图1中所示。检测采用DMS公司的特高频局部放电检测仪测量。1号盆式绝缘子、2号盆式绝缘子、3号盆式绝缘子处测得的特高频信号如图2～10所示，分别为PRPS图谱、PRPD图谱和峰值保持图谱。

检测结果显示，从1～3号盆式绝缘子，信号的幅值逐渐增大，放电数量逐渐增多，信号特征也越明显。三处盆式绝缘子的检测结果呈现相似的相位分布特征，即正负半周各有一簇幅值较大的信号，符合局部放电信号特征。

图2 咸5023 C相1号母侧盆式绝缘子“在线PRPS”图谱（x、y、z轴分别为工频周期数、相位及放电幅值，下同）Fig.2 The PRPS map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.1 bus side

图3 咸5023 C相1号母侧盆式绝缘子“在线PRPD”图谱（x、y轴分别为相位和放电幅值，点的密度表示放电次数，下同）Fig.3 The PRPD map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.1 bus side

图4 咸5023 C相1号母侧盆式绝缘子“在线峰值保持”图谱（x轴表示相位，上图和下图y轴分别为放电幅值和放电重复率，下同）Fig.4 The peak map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.1 bus side

图5 咸5023 C相2号母侧盆式绝缘子“在线PRPS”图谱Fig.5 The PRPS map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.2 bus side

图6 咸5023 C相2号母侧盆式绝缘子“在线PRPD”图谱Fig.6 The PRPD map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.2 bus side

图7 咸5023 C相2号母侧盆式绝缘子“在线峰值保持”图谱Fig.7 The peak map of the disc insulator of Xian 5023 C in No.2 bus side

图8 咸5023 C相50232刀闸气室上部盆式绝缘子“在线PRPS”图谱Fig.8 The PRPS map of the upper disc insulator of Xian 50232 chamber

图9 咸5023 C相50232刀闸气室上部盆式绝缘子“在线PRPD”图谱Fig.9 The PRPD map of the upper disc insulator of Xian 50232 chamber

图10 咸5023 C相50232刀闸气室上部盆式绝缘子“在线峰值保持”图谱Fig.10 The peak map of the upper disc insulator of Xian 50232 chamber

3 特高频定位分析

采用特高频信号时差法对缺陷部位进行定位，通过改变传感器的检测位置逐渐缩小定位范围，并使用安捷伦D4104A型示波器对特高频传感器检测到的信号进行采集，采集带宽为1.5 GHz，满足特高频局部放电信号在0.3～1.5 GHz的频带范围。

现场传感器放置位置（黄、绿、红分别代表一个传感器）及局部放电信号波形如图11所示，黄色传感器放置在套管下方盆子上，绿色传感器放置在断路器气室左侧盆子上，红色传感器放置在断路器右侧盆子上。由局部放电信号波形可知，信号最先到达黄色传感器，其次为绿色传感器，最后为红色传感器，黄色传感器信号上升沿超前绿色约3.5 ns（电磁波可传播约1.05 m），黄、绿两传感器间实际距离为1.7 m,计算可知信号源位于黄色和绿色传感器之间，且在黄色传感器下方约0.33 m。

图11 定位检测一传感器位置及局部放电信号波形Fig.11 the sensors positions and PD signal waveforms of the locating detection 1

在上述定位检测的结果上缩小检测范围，现场传感器放置位置（黄、红分别代表一个传感器）及局部放电信号波形如图12所示，黄色传感器放在GIS套管下方的盆子上，红色传感器放在垂直GIS腔体的手孔上，从信号波形可以看出，黄色传感器信号上升沿超前红色传感器0.44 ns（电磁波可传播约0.132 m），黄色传感器与绿色传感器之间距离约为0.7 m，计算可知信号源位于黄色和绿色传感器之间，且在黄色传感器下方约0.42 m。

图12 定位检测二传感器位置及局部放电信号波形Fig.12 The sensors positions and PD signal waveforms of the locating detection 2

通过两次定位，得到缺陷位置分别位于黄色传感器下方0.33 m和0.42 m处，综合上述两次定位结果，可推断缺陷位置大概处于黄色和红色传感器中间稍偏上位置，即图12中蓝色区域。

4 缺陷类型分析

根据缺陷位置PRPS图谱和PRPD图谱的检测结果表明，放电幅值存在较大分散性，频率和相位特征均与同步电源有明显的相关性，负荷典型的绝缘内部空穴或沿面放电的典型特征图谱。定位的位置为盆式绝缘子的下部，不存在金属导体落在盆式绝缘子上产生局部放电的可能性，该处为隔离刀闸的绝缘件位置，符合空穴型缺陷的推断结果。

5 现场解体分析

空穴放电是GIS局部放电类型中危害较大的一种缺陷，易发展为贯穿性的绝缘闪络故障[3]。为消除缺陷，对缺陷气室进行了解体检查。打开缺陷气室，内部组件为隔离开关静触头及其支撑绝缘子，检查发现其外观并无明显异常，导体及绝缘件表面未见放电痕迹，绝缘件表面无肉眼可见裂纹。在隔离开关静触头及其支撑绝缘子起吊落地时，由于应力导致支撑绝缘子发生断裂，完好的支撑绝缘子及断裂后的支撑绝缘子如图13所示。该支撑绝缘子在浇铸时低压侧内嵌12根金属螺杆，以便绝缘子与外壳金属法兰连接，金属螺杆端部为半球形，在绝缘件断裂面，对应金属螺杆端部有12个半球形凹槽，现场可见每个凹槽内均有放电痕迹，部分凹槽放电较为严重，环氧材料被烧焦，如图14和图15所示。

解体后的缺陷分析表明：缺陷位置为隔离开关静触头支撑绝缘子内部螺栓端部空穴放电，与带电检测的缺陷类型判断基本一致。但有别于常见的绝缘子空穴位置，该位置为绝缘子与螺栓的连接处，不易通过绝缘子X光探伤和耐压试验发现。

图13 完好的及断裂后的隔离开关静触头支撑绝缘子Fig.13 The whole and cracked support insulators of the static contact in disconnect

图14 支撑绝缘子断裂面放电痕迹Fig.14 The discharge trace of the support insulators

图15 凹槽内放电痕迹Fig.15 The discharge trace in the groove

解体后缺陷位置对应为图12中绿色位置，与解体前的缺陷位置蓝色区域相距约为0.2 m，误差产生的主要原因为，在进行缺陷定位时将GIS腔体等效为直径为0的直线，而实际GIS腔体的直径并不为0，特别是在传感器与缺陷位置较为接近时，GIS腔体直径对定位准确性的影响更大。

6 空穴放电机理分析

由解体结果分析可知，支撑绝缘子螺栓端部凹槽放电的原因为端部存在空穴，根据电磁场理论，均匀电场中不同电介质的电场强度分布满足以下条件

式中：ε1、ε2为两种电介质的介电常数；E1、E2为两种电介质中的电场强度。

当支撑绝缘子中存在空穴时，由于空气（空穴）的介电常数要小于环氧树脂（支撑绝缘子），因此空气中的电场强度要高于环氧树脂，而空气的击穿场强却远小于环氧树脂，因此空穴极易发生击穿，从而产生局部放电。这种类型的放电可归纳为空穴放电，这与带电检测图谱对缺陷类型的分析判断结果一致。该处空穴可能是由于绝缘子浇筑过程中，对螺栓端部的表面处理不合格，导致螺栓与绝缘子之间形成极小的空穴。

7 结语

本文针对一次典型的GIS空穴型局部放电进行了特高频带电检测，并通过解体对其分析判断进行了验证，得到如下结论：

（1）成功地对一次典型的GIS局部放电异常信号进行了定位和缺陷类型判断，并通过解体对分析结果进行了验证，说明了检测结果和分析判断的正确性。

（2）通过本次GIS解体发现，空穴型局部放电不局限于绝缘子本体中，还可能存在于绝缘子与其他部件的连接位置，且这种位置不易通过X光波探伤发现。

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