特高压GIS设备交接试验击穿放电定位技术研究

李 杰，王 辉，郑 建，王 斌，任敬国

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

特高压1 100 kV SF6气体绝缘金属封闭组合电器设备（GIS）各独立单元在设备制造厂内完成出厂试验后，运输到特高压变电站现场，在变电站内进行现场组装。在GIS单元运输、安装过程中，不可避免会在GIS设备内部留下缺陷，如清理擦拭不彻底引起异物存在、装配不到位等，一旦投入运行，极易导致GIS设备绝缘击穿［1-3］。投运前进行现场交流耐压试验，可以及时发现设备由于工艺、运输、安装产生的设备缺陷［4-11］。

由于特高压GIS设备体积大，现场交接试验时试验段长达百米以上，一旦试验过程中设备发生击穿，很难依靠传统的分析方式来确定放电位置。对试验段GIS设备气室进行大面积解体检查，虽然能够准确找出放电位置，但大面积解体检查，不仅工作量大、影响施工进度，而且还会因为二次拆装引起设备内部存在质量安全隐患。因此在特高压1 100 kV GIS设备现场耐压局部放电试验中，采用击穿定位技术进行故障气室的快速准确判断十分必要。

提出以超声波为主、特高频为辅的联合局部放电定位技术，并应用于特高压站GIS设备交接试验过程中。该方法成功地确定了试验过程中击穿放电的气室，缩短了现场对故障气室进行确认检修的时间，避免为进行击穿定位而采用二次加压对GIS设备造成的损坏，保证了现场施工工期，为特高压GIS定位方法的选择提供了依据。

1 击穿定位技术原理

1.1 特高频击穿定位技术

GIS设备中的局部放电能够产生具有陡上升沿的电磁波信号，其频率最高可达1 GHz以上，局部放电产生的电磁波信号在GIS设备内传播，经由盆式绝缘子等非连续部位向外辐射。该信号可由特高频传感器探头，在GIS设备非金属屏蔽位置检测到。通过高速采集卡及高速示波器对采集到的多路特高频信号进行对比分析，根据电磁波在GIS设备传播中到达不同传感器的时间差，计算得到GIS设备内局部放电源位置。

利用多路特高频局部放电信号进行时差定位的方法灵敏度较高，并且可通过放电波形特征进行故障类型的判别，能够用于设备在线监测。但是，特高频时差定位法进行定位对检测人员检测水平要求较高，对检测设备要求较高，对整个耐压范围进行全覆盖检测的成本昂贵。因此，在GIS耐压试验击穿定位技术中，特高频时差定位法常作为超声波击穿定位的一种辅助手段，提高现场定位的准确性。

1.2 超声波击穿定位技术

GIS设备内部存在局部放电时，在产生电磁波信号的同时，会引起SF6气体体积的变化，产生超声波信号，通过超声波传感器检测GIS内部超声信号，可以间接得到GIS设备内部局部放电信息。超声波传感器检测信号为非电磁波信号，可以有效避免变电站内的电磁干扰信号，因此抗干扰能力强，定位准确度高。

在进行超声波击穿定位应用时，将超声波传感器按照特定排列方式布置在GIS壳体表面，保证每个绝缘盆子两侧、每个独立气室都能检测到。当发生放电击穿时，靠近放电点位置的超声波传感器会检测到超声信号，通过对GIS筒体表面超声波传感器探头的触发时间和触发峰值进行检测和分析，确定击穿故障点的位置。

超声波击穿定位系统利用多个超声波传感器进行信号采集工作，每个传感器单元通过超声波探头检测GIS壳体表面超声信号，并对信号进行处理，转换为数字信号，并将数字信号存储于传感器内部存储单元，同时采用无线传输技术将数字信号实时传输到附近的终端计算机监测系统，以便于利用计算机终端对多个传感器信号实时检测，以实现对GIS设备内部局部放电信号的在线监测。

表1所示为一种GIS设备放电击穿定位系统的参数信息。具备多检测单元对时功能，传感器与监测单元一体化，目前所用的击穿定位装置均具备扩展无线节点的功能，可以根据GIS设备的实际加压范围扩展无线节点的数量。无线节点之间可以互为中继，扩大数据传输的范围，而且自带就地存储和显示功能，可以备份并校验终端计算机得到的判断结论。

表1 GIS设备击穿定位装置参数

2 现场应用

在某1 000 kV特高压站进行1 100 kV GIS设备耐压局部放电试验，采用GIS击穿定位技术。此特高压站1 100 kV GIS设备为3／2接线方式，主变加线路出线共8条出线、14个间隔，根据计算将工频耐压试验分为4个阶段进行。击穿现象发生在第1阶段耐压过程中。第1次耐压试验从1号主变进线套管处加压，如图1所示，图中红色标记区域为第1次耐压试验加压位置。试验加压程序为：升压至635 kV，持续10 min；然后升压至762 kV，持续20 min；然后升压至1 100 kV，持续1 min。1 100 kV 1 min耐压试验通过后，将电压降到762 kV，保持30 min后进行被测设备特高频、超声局部放电检测工作。

图1 耐压试验范围

加压开始之前在GIS设备壳体上布置超声波传感器探头和特高频传感器探头，其布点如图2所示。图中红色标记为超声波传感器布点位置，绿色标记为特高频传感器布点位置。对B相进行加压时，老练试验635 kV／10 min和762 kV／20 min完成后，继续进行升压到1 100 kV。在升压过程中，当加压至1 036 kV时，GIS内部传出巨大的声响，初步判断GIS内部发生击穿放电。设备击穿后，后台终端控制计算机显示超声波传感器单元30号、2号、3号均超过报警值，发出报警信号，30号传感器幅值最大，如图3所示。

图2 传感器探头布置位置

表2 击穿时传感器触发峰值排序 dB

图3 击穿时传感器幅值

表3 击穿时传感器触发时间排序 ms

图4 母线导体上的放电痕迹

根据超声幅值信号判断可能存在的击穿位置有两处，在终端控制计算机调出传感器触发信息，结合超声波传感器触发时间，可以看出2号超声波传感器最先触发，但30号探头幅值最大，如表2、表3所示。通过超声波信号无法确认是30号探头所在气室还是2、3号探头所在气室发生击穿故障。在观察特高频传感器探头信号时，发现特高频传感器探头2-1和2-2检测到信号，与超声波30号探头所在气室位置相近，因此综合超声和特高频信号判断击穿放电位置位于图2中红色圆圈标记处。而2、3号传感器检测到信号可能为放电击穿后产生的过电压反击造成传感器捕捉到信号。

现场检查发现，根据击穿定位系统所判断故障位置为一段母线气室，放电发生后，对故障段母线进行解体处理。现场解体过程中，在导体上发现一处明显放电痕迹，如图4所示，其所在位置与击穿定位系统确定的故障点一致。

3 结语

特高压1 100 kV GIS设备特殊交接试验可以在其投运前及时发现设备内部存在的潜在缺陷，击穿放电定位技术为试验过程中快速确定放电气室提供技术保障，超声波为主、特高频为辅的联合击穿定位技术更适用于特高压GIS设备现场耐压试验的击穿定位。在某特高压变电站1 100 kV GIS设备现场耐压试验过程中，采用该方法成功地确定了试验过程中击穿放电的气室，缩短现场对故障气室进行确认检修的时间，相对于二次加压法进行击穿定位，该方法可有效避免对GIS设备造成损坏，保证了现场施工工期，为后续特高压GIS定位方法的选择提供了依据。