一起HGIS设备悬浮放电缺陷分析

唐佳能，郎业兴，刘佳鑫，周桂平

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

GIS(gas insulated switchgear)指全部或者部分采用绝缘气体而不用大气压下的空气作为绝缘介质的金属封闭式开关设备[1]。随着电网往高电压、大容量、集约化等方向发展，同时对供电可靠性和安全稳定运行要求的提升，GIS组合电器类设备正越来越被各级电网特别是特高压电网使用。但近年来随着GIS数量的增多，生产工艺不良、安装调试不当、运行维护不周等原因引起的GIS停电事故越来越多，对电网稳定运行的影响越来越大[2-5]。据统计，在不同缺陷引发的GIS故障中，微粒及异物占20%，接触不良占29%，绝缘子缺陷占10%，导体尖刺占5%，其他占36%。实际运行过程中，因接触不良引起悬浮放电，导致GIS设备短路的事件时有发生[6]。如何及时发现并准确定位这些缺陷，避免设备发生跳闸事故，已成为提高GIS可靠性的关键。利用超声波和特高频检测法，发现一起典型的GIS开关气室悬浮放电缺陷，并通过解体验证，为GIS绝缘缺陷的诊断积累了经验。

1 事件概述

2016年，某500 kV变电站运行人员在巡视时发现220 kV HGIS 2203间隔C相开关气室母线侧TA有异响。运行人员上报后试验人员立即对该设备开展带电检测工作，发现220 kV场区3号主变2203间隔C相开关气室超声波、特高频局部放电检测数据异常，诊断该处异常疑似气室内部金属部件与导体之间、金属部件之间接触不良或螺栓松动引起的严重悬浮电位放电。通过传感器进行定位，放电信号源在断路器与母线之间连接的TA筒位置如图1所示。

图1 缺陷位置示意图

2 检测情况

检测人员对该气室开展了超声波局放检测、特高频局放检测及SF6分解产物检测，其中超声波与特高频均检测到疑似放电信号，SF6分解产物检测未发现异常，具体检测情况如下。

2.1 特高频局放检测

电力设备发生局部放电时的电流脉冲能在内部激励频率高达数GHz的电磁波，特高频局部放电检测技术就是通过检测这种电磁波信号来实现局部放电检测[7]。该型号HGIS开关气室有内置传感器，且盆式绝缘子为全金属封闭结构留有浇注孔，均可作为特高频局放的检测部位，本次检测位置示意图如图2所示。

检测位置1、2检测图谱如图3、图4所示。

2.2 超声波局放检测

超声波局放检测点分布见图5，其中3、4、6点在气室的底部位置。各测点超声波测试数据如表1所示。

图2 特高频检测点实际位置图

图3 2203 C相开关气室检测位置1特高频局放图谱

图4 2203 C相开关气室检测位置2特高频局放图谱

图5 超声波检测位置图

检测位置有效值周期峰值50Hz相关性100Hz相关性背景01.550.050.1测点175350520测点21506001030测点31507001550测点418012902585测点51406001560测点61205501545测点755250515

由表1可知，2023 C相开关气室存在超声波异常信号，50 Hz和100 Hz频率相关性非常明显，且100 Hz相关性远大于50 Hz相关性，有效值、峰值远大于背景值。测点1-4呈明显增大的趋势，测点4-7呈明显减小的趋势，测点4的左侧由于有加热装置，无法向左继续检测，初步判断放电源在测点3与4之间。

图6为检测点3超声波检测连续图谱及相位图谱，连续图谱100 Hz相关性非常明显，相位图谱表现为明显的2簇，具有典型的悬浮电位放电特征。检测时选用前置传感器，放大器倍数为×100，即40 dB。

(a)测点4连续模式图谱

(b)测点4相位模式图谱图6 测点3超声检测图谱

2.3 SF6分解产物检测

对2203 C相开关气室进行气体成分检测，检测数据如表2所示，测试结果显示该气室分解产物无异常。一般局部放电产生的SF6分解产物含量较少，因此分解产物法对局部放电的反应不如超声波法和特高频法灵敏。

表2 SF6分解产物测试结果

2.4 故障点定位分析

为了进一步确定该气室的放电情况，检测人员利用特高频时差法进行了定位分析，传感器摆放位置如图7所示，传感器定位的时差关系如图8所示。

图7 传感器布置示意图

图8 特高频传感器定位时差关系

从图8可以看出，1号位置传感器接收信号超前2号位置传感器2.76 ns，且2号位置传感器接收的信号幅值通过2个盆式绝缘子有明显的衰减。通过时差关系计算，局放源的位置在开关与TA连接部位。

3 解体检查

对TA筒进行现场解体，TA与断路器接筒分离后，在筒体底部发现大量由于放电产生的金属粉尘颗粒，取掉压环后，压环与铝压板相接部位有一道十几厘米长的黑色痕迹为悬浮放电导致的烧蚀痕迹，如图9所示。

图9 解体后发现的放电痕迹

接筒法兰与压环、压板、8-M12螺栓、绝缘垫5个元件构成TA二次绕组的固定系统。TA二次绕组紧固的方法是调整螺栓拧入压板，螺栓前端顶到绕组上面的绝缘垫上，通过控制螺栓的拧入力矩(设计标准50 N·m)，便可使压环与接筒法兰、压环与压板等之间夹紧，二次绕组被紧固螺栓固定。压环还起到使屏蔽罩通过筒体外壳接地的作用。

4 缺陷原因分析

本次异常的直接原因是TA二次绕组固定金属压环与金属压板之间存在微小间隙，造成屏蔽罩产生悬浮电位发生局部放电，引起震动异响，导致接触不良的原因是8只M12调整螺栓紧固力矩不足。另一方面，由于局部放电，导致放电处的SF6气体与金属发生反应，产生了黑色粉末。该电流互感器结构从断路器侧向母线侧依次分别为半封闭压环、金属压板、绝缘压板、橡胶垫、TA绕组，如图10所示。TA绕组经由金属压板上的微调螺栓压紧，半封闭压环，全圆周不等高，个别位置厚度较低，与金属压板之间有缝隙，部分微调螺栓已经旋转到底没有余量，分析认为微调螺栓长度不足，不能起到应有的调节紧固作用，造成半封闭压环与金属压板之间接触不牢固，运行中发生悬浮放电。由此看来，本次缺陷发生的根本原因还是设备制造厂在产品设计和工艺管控上存在问题。

图10 电流互感器结构示意图

5 结论

a. 厂家在设计上不合理、 零部件加工和装配过程中的疏忽，会严重影响设备运行的可靠性。

b. 定期开展局部放电检测，能够及时有效发现GIS绝缘缺陷，是了解设备运行状况、确保设备安全稳定运行的有效技术监督手段。

c. 采用超声波、特高频联合局放检测手段，并通过时差分析，可准确定位局放源所在位置。

d. 与超声波、特高频局放检测相比，SF6气体检测具有明显滞后的特点，可作为辅助检测手段。

[1] 气体绝缘金属封闭开关设备技术条件：DL/T 617—2010 [S].

[2] 卢启付,李兴旺,徐晓刚,等. 基于ANSYS的GIS隔离开关短路事故分析[J]. 高压电器,2012,48(8):76-79.

[3] 郭 俊,吴广宁,张血琴,等. 局部放电检测技术的现状和发展[J]. 电工技术学报,2005,20(2):29-35.

[4] 禹化然,蒋伟毅,徐 嵘. 一起220 kV GIS内部短路故障分析[J]. 高压电器,2013,49(8):115-118.

[5] 刘佳鑫,唐佳能,郎业兴,等. 500 kV HGIS内部绝缘缺陷的带电检测与综合诊断[J]. 东北电力技术,2016,37(9):11-15.

[6] 李兴旺,刘 军,刘梦娜. 一起气体绝缘金属封闭开关设备悬浮放电缺陷分析[J]. 高压电器,2015,51(10):205-208.

[7] 邝文明,李 浩.特高频局放检测技术在GIS上的应用[J]. 通讯世界,2016, 17(3):190-191.