基于特高频法的500 kV GIS带电检测

葛志成，田世杰，范继伟，黄 涛，董洪达，张赛鹏

(1．国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130012;2．国网吉林省电力有限公司，长春 130012;3．大唐东北电力试验研究院有限公司，长春 130012)

气体绝缘组合电器(GIS)因其具有结构紧凑、占地少、等优点，逐渐开始取代传统的高压电装置。GIS在生产过程中工艺不良或安装过程人为疏忽都会导致存在一定的缺陷，在高电压下会引起局部放电(以下简称局放)等故障。特高频(UHF)检测法具有检测灵敏度高、现场抗干扰能力强、可实现局放在线定位等优势，被广泛用于诊断局放产生的各类缺陷。GIS局放常伴有发声、发光、机械波、电脉冲、SF6气体化学变化等现象［1］。针对局放产生的声、光、电、化学效应，可采用声学、光学、电学、化学等方法来检测。本文主要介绍用特高频法带电检测GIS设备。

1 局放检测特高频法基本原理及应用

局放检测特高频法基本原理:通过特高频传感器对局放时产生的300 MHz≤f≤3 GHz特高频电磁信号(f为电磁信号频率)进行检测。根据现场设备情况的不同，可以采用内置式传感器和外置式传感器［2］。

正常运行的GIS内充有高压SF6气体，其绝缘强度和击穿场强都很高。当局放在很小范围内发生时，气体击穿过程很快，将产生持续时间为纳秒级的脉冲电流，同时向四周辐射出0．3～3 GHz的电磁波［3］，应用此电磁信号进行局放检测。

2 实例分析

2．1 带电检测设备局放情况

某500 kV变电站特高频局放带电检测，采用PDS-T90对5012间隔C相1号母线侧盆式绝缘子、2号母线侧盆式绝缘子、50122隔离开关气室上部盆式绝缘子检测，查出特高频局放信号。

特高频信号异常间隔实物图见图1，其中测点①为1号母线侧盆式绝缘子;测点②为2号母线侧盆式绝缘子;测点③为50122隔离开关气室上部盆式绝缘子。背景噪声及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见图2至图5。

从图2可以看出，背景噪声信号主要为白噪声，幅值及相位分布较为均匀;而从图3到图5可以看出:各盆式绝缘子处信号具有明显的相位分布特征，即正负半周各有一簇幅值较大的信号，符合局放信号特征，其中:PAPS为脉冲序列相位分布谱图，PRPD为局放相位分布谱图。

检测发现，越靠近3号盆式绝缘子，信号幅值越大。局放信号在工频相位正负半周均出现，且具有一定对称性，放电次数较少，相位模式图谱未有较为连续的包络线，疑似为空穴或沿面放电。

图1 某500 kV变电站间隔测点示意

图2 背景噪声

图3 测点1的信号

2．2 缺陷的定位

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。

现场传感器放置位置(中线、上线、下线分别代表一个传感器)及局放信号波形见图6，中线传感器放置在套管下方盆式绝缘子上，上线传感器放置在断路器气室左侧盆式绝缘子上，下线传感器放置在断路器右侧盆式绝缘子上。

图4 测点2的信号

图5 测点3的信号

由局放信号波形可知，信号最先到达中线传感器，其次为上线传感器，最后为下线传感器，中线传感器信号上升沿超上线传感器约3．5 ns(电磁波可传播约1．05 m)，中线、上线两传感器间实际距离为1．7 m，计算可知信号源位于中线和上线传感器之间，且在中线传感器下方约0．33 m。

图6 定位检测传感器位置及局放信号波形

2．3 缺陷气室解体

打开缺陷气室，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，见图7。部分凹槽放电较为严重，环氧树脂材料被烧焦。解体后的缺陷为隔离开关静触头支撑绝缘子内部螺栓端部空穴放电，与带电检测结果基本一致。

2．4 缺陷分析

分析认为，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。

图7 凹槽内放电痕迹

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，从而产生局放。空穴中的放电会加速绝缘子的老化开裂，造成绝缘子机械强度降低，最终导致绝缘子的断裂。空穴的形成与绝缘子断裂互为因果关系，绝缘子内部裂纹会导致空穴形成，空穴中放电的老化效应又会加速绝缘子开裂。

3 结论

特高频法有利于绝缘缺陷的类型识别。不同类型绝缘缺陷局放产生的特高频信号具有不同的频谱特征。特高频法可以快速精确地判定空穴放电缺陷位置，为制定GIS设备的维修计划、提高检修工作效率提供了有力的支持。